УДК 611.71+611.019.+5921.4
Основы теории локомоторной морфологии позвоночного столба человека
Нечаев В.И.,
Малащенкова Е. В.
The description of dynamics of forces of mechanical energy, which arise at walking in a skeleton from stops up to segments of a spine column, is given. On the basis facts of anatomy and biodynamic the impossibility of work of a spine column as lever of balance is proved. The opportunity of occurrence in the bottom lumbar segments of greater forces of mechanical energy is rejected at rise of weights. There are furnished proofs of dependence of the form structural changes of in intervertebral disks. The opportunity of X-ray diagnostics of initial structural changes proves in intervertebral disks under the forms of waists of bodies vertebras.
1. Dynamics of forces of mechanical energy which arises in skeleton of the person at walking is analyzed. Анализируется динамика сил механической энергии, которые возникают в скелете человека при ходьбе. 2. At walking vertebras make torsion movements around of the axes which are passing (are taking place) over artt. zygapophysiales and nucleus pulposus. При ходьбе позвонки совершают торсионные движения вокруг ядерно-суставных осей и студенистых ядер. 3. The spine column has the form of the bent flat spatial spiral with right (at a support on the left leg) and left (at a support on the right leg) directions of rotations. Позвоночный столб имеет форму согнутой пологой пространственной спирали с правым (при опоре на левую ногу) и левым (при опоре на правую ногу) направлением вращения. 4. Forms of wastes of bodies' vertebras depend on corners of vectors of forces of mechanical energy in vertebras segments. Формы талий тел позвонков зависят от углов векторов сил механической энергии в позвоночных сегментах. 5. Corners of vectors of forces of mechanical energy vertebras segments depend on volumes of intervertebral disks. Углы векторов сил механической энергии позвоночных сегментов зависят от объемов студенистых ядер и эластичности межпозвоночных дисков. 6. In spine column the law of preservation of mechanical energy does not operate and it is not the lever or a part of the lever of balance. В позвоночном столбе не действует закон сохранения механической энергии, и он не действует как рычаг равновесия. 7. The form of curvature of waists of bodies' vertebras allows performance of X-ray diagnostics of structural and functional condition intervertebral syndesmoses.
Способ перемещения живых существ формирует их опорные структуры, а опорные структуры, в свою очередь, отображают детали способа перемещения. Для осевого скелета человека формообразующей функцией является ходьба и бег. Речь пойдёт не о динамике ходьбы. Мы рассмотрим динамику сил механической энергии, которые возникают при ходьбе, в результате взаимодействия массы тела человека и массы Земли.
В соответствии с Законом сохранения и превращения энергии кости приобретают определенную форму, как генетически фиксированный результат длительных пластических (остаточных) деформаций вследствие действия на костную ткань скелета внутренних сил механической энергии при её рассеянии, поглощении и преобразования в другие, немеханические, виды энергии. кость двигательный позвоночный биомеханика
Изменения, возникающие при ходьбе, в макро- и микроструктуре костей определяются известными биологическими законами:
Архитектоника костной ткани находится в зависимости от её функции и способна трансформироваться при её изменениях («закон трансформации» Вольфа - Лесгафта) (Лесгафт П. Ф. 1881).
Кость растет преимущественно по направлению тяги и перпендикулярно плоскости давления (Бунак В.В. 1949).
Активно смещающиеся кости имеют на своих эпифизах выпуклые суставные поверхности. Пассивно смещаемые кости, имеют на своих эпифизах вогнутые суставные поверхности (Артеменко Б. А. 1949).
Формы суставных поверхностей так связаны с функцией суставов, что по форме сустава можно определить все движения в суставе и по движениям можно определить форму сустава (Лесгафт П. Ф. 1881).
Связки в непрерывных соединениях работают только на растяжение и направление их волокон соответствуют векторам действующих сил механической энергии.
Терминология
Для обозначения функций двигательных сегментов позвоночного столба часто используется техническая терминология, которая требует расшифровки и некоторой интерпретации.
Рессора - это упругий элемент, смягчающий удары без остаточной деформации, путем преобразования ударов в затухающие колебательные движения.
Амортизатор - это устройство быстрого поглощения колебательных движений, например, путем изменения вектора силы.
Работу межпозвоночного диска можно характеризовать также термином - эластичная муфта.
Эластичная муфта - это упругий элемент между движущимися телами, которая соединяет, удерживает тела, передает и (или) компенсирует смещения соединяемых тел, делает соосными движения вращающихся тел. Техническая литература для обозначения некоторых форм движения тел использует термины «вращение» и «торсия».
Термин торсия означает кручение, скручивание, перекашивание. Торсия реализуется, например, в стержне при вращении одного конца стержня и фиксировании другого конца стержня.
Ротация, означает вращение, т.е. движение тела вокруг оси, проходящей через это тело.
В медицинской клинической литературе термины ротация (rotatio) и торсия (torsio) рассматриваются как синонимы. Например: торсия позвонков (torsio; лат. «вращение, скручивание») - поворот позвонков вокруг вертикальной оси позвоночника при сколиозе, сопровождающийся нарушением симметрии ножек дуг позвонков и клиновидной деформацией их тел.
Анатомическая терминология содержит только термин «ротация», вращение, означающий вращение вокруг вертикальной оси в горизонтальной плоскости. Для изучения биодинамики позвоночного столба принципиально важно использование терминов ротация и торсия дифференцированно, в их техническом толковании. В вертебрологии широко применяются производные от термина «статика»: статический сколиоз, статические нагрузки, статические деформации позвоночного столба и т.д.
Под термином статическое состояние медики понимают состояние физического покоя, неподвижности, полагая, что в таком состоянии на первый план выступают только силы гравитации и инерции.
Статика - это один из трех разделов классической механики, которая исследует законы сложения сил и условия равновесия в твердых, жидких и газообразных телах. Однако, и в состоянии физического покоя и неподвижности действуют силы механической энергии в связи с мышечным тонусом, дыхательными движениями, пульсациями кровеносных сосудов и т. д. Статическое состояние в живом организме следует понимать, как состояние равновесия действующих сил в результате их сложения. Равновесие в живом организме не неподвижность, а колебательный процесс. Статическое состояние, как покой и неподвижность, присущи только неорганическим и мертвым органическим телам. Кинематика изучает механическое движение вне связи с определяющим его взаимодействием между телами. Кинематика скелета в процессе ходьба, это - движения в процессе ходьбы какой то конкретной кости, вне влияния на эту кость со стороны, например, другой кости или мышцы или связки.
Динамика рассматривает влияние взаимодействия между телами на их механическое движение. Динамика опорно-двигательного аппарата человека в процессе ходьбы отражает взаимодействие и взаимозависимость при ходьбе мышц и костей, связок и костей, суставов и костей и т.д.
При описании работы позвоночного столба нередко используется термин «нагрузка» (нагрузка на позвоночный столб и т.д.). Нагрузка на позвоночник - это совокупность сил механической энергии, действующих на позвоночник, это процесс силового механического воздействия на позвоночник.
Механическая энергия - это энергия механического движения и взаимодействия тел, сумма кинетической и потенциальной энергии.
Сила - векторная величина, мера механической энергии, мера механического воздействия на точку или тело со стороны других тел. Сила полностью обозначена, если кроме направления известно её численное значение и точка приложения. Линия действия силы - это прямая, вдоль которой направлен вектор силы. Если взять на теле две удаленные точки и к одной из точек приложить силу, а за вторую точку удерживать это тело, то вектор действия приложенной силы будет распространяться между этими точками через тело по кратчайшему расстоянию, т. е. по прямой линии.
Различают внешние и внутренние силы механической энергии . Внешние силы обусловлены действием тел, не входящих в рассматриваемую систему взаимодействующих тел. Внутренние силы действуют между телами, входящими в рассматриваемую систему взаимодействующих тел. Внутренние силы действуют как в структурах, непосредственно контактирующих с телами, так и внутри тел.
Равнодействующая сила - результат векторной суммы действующих на тело сил.
Биомеханика ходьбы на уровне скелета нижних конечностей
При ходьбе чередуются периоды опоры нижней конечности, состоящие из фазы амортизации и отталкивания, с не опорными периодами. Генерируясь в костях стопы в каждом периоде опоры, силы механической энергии перемещаются снизу вверх по скелету свободных нижних конечностей справа и слева к тазу и позвоночному столбу.
Блоковидная форма голеностопного сустава, а так же фиксация стопы на плоскости опорной поверхности, когда снижены возможности смещения стопы в плоскости опоры, позволяют голени совершать в голеностопном суставе только сгибание и разгибание. При этом голень смещается вниз и вверх относительно плоскости опоры. Однако анатомические особенности коленного сустава, в частности большая протяженность суставной поверхности в медиальном мыщелке бедра, чем латеральном, смещают проксимальный эпифиз большеберцовой кости и дистальный эпифиз бедренной кости относительно друг друга в горизонтальной плоскости. При этом в условиях фиксации стопы на опорной поверхности в опорном периоде, фаза амортизации и сгибания коленного сустава всегда сопровождается супинацией бедра относительно голени и стопы, фаза отталкивания и разгибания коленного сустава всегда сопровождается пронацией бедра относительно голени. В не опорном состоянии свободной нижней конечности разгибание коленного сустава сопровождается супинацией голени относительно бедра, a сгибание коленного сустава сочетается с пронацией голени относительно бедра. Причиной этого является отсутствие каких либо сил, удерживающих стопу и голень на плоскости опоры.
Таким образом, отличием работы коленного сустава при ходьбе является то, что в периоде опоры нижней конечности при хорошем сцеплении подошвенной поверхности стопы с опорной поверхностью, совершаются супинация и пронация бедра относительно голени. Бедренная кость при ходьбе является активным носителем сил механической энергии ротационных векторов и активным передатчиком этих сил на таз. Морфологическим подтверждением этому являются выпуклые суставные поверхности на эпифизах бедренной кости (Артёменко Б. А. 1951) и функциональная анатомия мышц пояса нижних конечностей.
При ходьбе тело и центр тяжести наклоняются вперед относительно оси, проходящей через суставные впадины таза. Тяжесть туловища действует сверху через заднее плечо рычага равновесия, каким является таз в целом. Работа по удержанию равновесия тела в состоянии некоторого оптимального наклона вперед непременно сочетается с функцией ротации бедра. Эту работу выполняют мышцы, которые, начинаясь на костях таза и прикрепляясь в области большого и малого вертелов бедра, проходят медиально и латерально от метафиза бедренной кости. Такую функцию реализует работа мышц передней и задней групп пояса нижней конечности и часть мышц бедра. В группах мышц пояса нижней конечности и бедра мышцы - супинаторы бедра - самые многочисленные и сильные (Табл.1).
Удерживать массу тела в состоянии равновесия на головках бедренных костей и при стоянии и тем более при ходьбе и беге можно только при содружественной работе мышц супинаторов и пронаторов бедра.
Превалирование силы мышц супинаторов бедра подтверждается позой человека в состоянии тонического спазма всех скелетных мышц (состояние опистотонуса).
Приподнимание таза над плоскостью опоры в этом состоянии возможно только при удержании бедренных костей в состоянии максимальных их супинаций, в сочетании с разгибанием в тазобедренных суставах. Простое разгибание бедер без участи их супинаторов не поднимет таз над плоскостью опоры, т.к. под влиянием действия силы тяжести тела произойдет пронация бедренных костей и таз опустится на величину длины шейки бедра.
При ходьбе, синхронно со сгибанием и разгибанием в коленном и тазобедренном суставах, совершаются циклические, возвратно-вращательные движения бедренной кости вокруг её диафизарной оси (Рис.1 А).
Локомоторные циклические возвратно-вращательные движения бедра вокруг её диафизарной оси, придают головке бедра циклические движения по дугам окружности в горизонтальной плоскости по радиусу, равному длине шейки бедра (Рис.1 В).
Циклические возвратно-вращательные векторы сил механической энергии, действующие при ходьбе на бедренные кости человека встречают и преодолевают инерционные и гравитационные свойства массы туловища, что вызывает пластические деформации бедренных костей. Диафизы бедренных костей скручены вокруг своих осей (torsio femoris). Ось шейки бедра и поперечная ось мыщелков бедра образуют угол поворота, который колеблется от 25 град назад от оси мыщелков, до 37 град. вперед от оси мыщелков. Этот признак отличает бедренную кость человека от бедренных костей животных (Иванов Г.Ф.,1949).
Рис. 1.
Смещения половин таза в опорном и не опорном периодах верх и вниз во фронтальной плоскости, в сочетании с возвратными циклическими движениями по дугам окружности в горизонтальной плоскости, сообщают головке бедра циклические движения по замкнутым противонаправленным дугам с закругленными углами перехода (Рис. 2. А, В).
Циклические движения головки бедра по замкнутым противонаправленным дугам с закругленными углами перехода, лежащими в плоскостях, приближенных к сагиттальным, синхронно вызывают движения наиболее нагруженных отделов тазовых костей - вертлужных впадин, где срастаются тела лонных, подвздошных и седалищных костей. Основание крестца при этом совершает сложные циклические движения в горизонтальной, фронтальной и сагиттальной плоскостях, перпендикулярным к плоскостям движения вертлужных впадин и головок бедренных костей (Рис.2 I, II, III).