Рис. 2. Траектории движения головок бедренных костей (А, В) и верхней поверхности тела SI (I, II, III) при ходьбе. А, I - опора на левую ногу. В, III - опора на правую ногу, II - переходное положение.
Голень и бедро, их подвижное соединение - блоковидно - шаровидный коленный сустав, при ходьбе работают как механизм преобразования циклических возвратно-поступательных движений костей голени вверх и вниз в циклические возвратно-вращательные движения диафиза бедренной кости. Бедро и таз, их соединение, ореховидный тазобедренный сустав, при ходьбе работают, как механизм преобразования циклических возвратно - вращательных движений диафиза бедра в циклические движения таза в горизонтальной фронтальной и сагиттальной плоскостях по замкнутым противонаправленным дугам с закругленными углами перехода. Плоскость верхней поверхности тела первого крестцового позвонка совершает аналогичные движения в трех взаимно-перпендикулярных плоскостях , сообщая их подвижному отделу позвоночного столба. Изменения векторов действия внутренних сил механической энергии в костях скелета свободной нижней конечности и костей пояса нижней конечности частично рассеивают и поглощают влияния этих сил и уменьшают распространение колебательного процесса.
Тело позвонка - однополостной гиперболоид вращения
На фронтальных рентгенограммах позвоночного столба форму тел позвонков, обозначают, как однополостной гиперболоид вращения (Аникин Ю. М., Колесников Л. Л., 1993). Гипербола в математике, это - незамкнутая кривая, образующаяся при сечении конической поверхности плоскостью, параллельной оси конуса (Рис.3).
Рис.3. Гипербола - контур сечения конуса. 1,3 - прямые гиперболы, 2 - дуга гиперболы.
Однополостной гиперболоид вращения образуется при вращении гиперболы вокруг оси, действительной или мнимой. Однако однополостной гиперболоид вращения образуется не только при вращении гиперболы, но так же при вращении прямой (образующая прямая), вокруг оси вращения, когда образующая прямая скрещивается с осью вращения, не соприкасается, не пересекается с ней, а находится от оси на некотором расстоянии.
Однополостной гиперболоид вращения является одним из трех вариантов линейчатых поверхностей вращения (Рис.4 - 1, 2). Два других варианта линейчатых поверхностей вращения - цилиндр (3) и конус (4). Если образующая прямая параллельна оси вращения и, соответственно, перпендикулярна плоскости вращения, образуется цилиндр вращения. Конус вращения образуется, если образующая прямая, вращаясь вокруг оси, соприкасается и пересекает под углом ось вращения.
При равной высоте всех трех линейчатых поверхностей вращения - цилиндра, гиперболоида и конуса, и равной ширины этих фигур, длина образующей прямой (L) у цилиндра минимальна, у однополостного гиперболоида больше, чем у цилиндра, а длина образующей прямой конуса - максимальна. Угол между образующей прямой и плоскостью основания у цилиндра прямой, он меньше у гиперболоида и ещё меньше у конуса, L4>L2>L1 >L3, угол ABC4<ABC2<ABC1<B3. Расстояние между осью вращения и образующей прямой самое большое у цилиндра, уменьшенное у гиперболоида и равно нулю у конуса.
У однополостных гиперболоидов вращения при равной высоте и равной ширине их оснований по мере уменьшения углов между образующими прямыми и плоскостью вращения происходит удлинение образующих прямых и углубление талий гиперболоидов (Рис.5).
Рис. 4. Варианты линейчатых поверхностей вращения. 1,2 - Однополостные гиперболоиды вращения. 3 - Цилиндр. 4 - Конусы. L - Образующая прямая. I - Ось вращения.
Рис. 5. Зависимость между длиной образующей прямой L, углом наклона образующей прямой АВС к плоскости вращения и радиусом вращения у линейчатых поверхностей вращения. 1,2 - однополостные гиперболоиды, 3 - цилиндр, 4 - конусы. О - место скрещивания, но не пересечения образующих прямых, АВ с осями вращения l. R - Наименьшее расстояние между образующей прямой и осью вращения.
Межпозвоночные синдесмозы - активные носители, передатчики, векторы сил
Мы рассмотрели, как в процессе ходьбы взаимодействуют и влияют друг на друга кости свободной нижней конечности, пояса нижней конечности. Теперь рассмотрим локомоторную кинематику позвонков, биодинамику позвоночных двигательных сегментов поясничного и нижне - грудного отделов позвоночника и позвоночного столба в целом.
Позвоночный столб при ходьбе подвергается действию внутренних сил механической энергии, которые имеют свои точки приложения, числовые и векторные характеристики. Действия этих сил синхронизированы и реализуется каждым сегментом в определенной последовательности.
Непосредственная передача внутренних сил механической энергии с позвонка на позвонок совершается через межпозвоночные синдесмозы (функция эластичной муфты). Это в первую очередь синдесмозы, соединяющие остистые и поперечные отростки, во вторую очередь, это - синдесмозы между дугами и телами позвонков. Первоочередная роль в передаче механических сил с позвонка на позвонок отводится межостистым и межпоперечным связкам потому, что они наиболее удалены от тел и дуг позвонков (точнее от дуго - отростчатых суставов).
Волокнистые макроструктуры фиброзного кольца имеют линейную форму, расширены у оснований и сужены на верхушках, крестообразно пересекаются и своими концами (шарпеевскими волокнами) проникают в костное вещество по краям тел позвонков, прочно с ними срастаясь. Волокна фиброзного кольца, начинающиеся латерально, отклоняются в медиальную сторону краёв тел позвонков и, начинающиеся медиально, отклоняются в латеральную сторону краев тел позвонков (Рис. 7).
Все связки в теле человека и животных работают только на растяжение. Направление волокон желтых связок и фиброзного кольца, как и всех других синдесмозов тела человека, соответствует и отображает векторы действия сил механической энергии. Линии действия сил следуют от их широких оснований к суженным верхушкам, минуют точки фиксации волокон и далее через тела позвонков направляются к точкам крепления волокнистых структур на соответствующих поверхностях тел смежных позвонков. Если продолжить направления волокнистых структур фиброзного кольца вверх и вниз, то эти направления окажутся ориентированными на студенистые ядра смежных позвоночных двигательных сегментов. Краевая каёмка тел позвонков, где крепятся волокна фиброзного кольца, а так же все другие места крепления фиброзных волокон, являются совокупностью множества точек приложения сил механической энергии.
Губчатое вещество тел позвонков имеет неоднородную структуру: костные трабекулы, костный мозг, сосуды. Кроме того, неоднородные структуры губчатого вещества изменяют своё функциональное состояние: находятся костные трабекулы в данный момент под действием сил механической энергии или нет, колеблется гидростатическое давление костного мозга и давление в кровеносных сосудах и т. д. (Аникин Ю. М., Колесников Л. Л. 1993). Процесс уменьшения работы сил механической энергии в губчатом веществе происходит вследствие поглощения энергии, рассеяния на границах сред и преобразования в другие, немеханические формы энергии (диссипация механической энергии). Часть сил механической энергии, которая распространяется в тонком компактном слое по периферии поверхностей тел позвонков. Компактный слой костной ткани на боковых поверхностях тел позвонков можно считать монолитом. Силы механической энергии в этой зоне имеют меньшие потери, чем в губчатом веществе, большую скорость распространения и относительно превалируют над силами механической энергии в губчатом веществе тел позвонков. Векторы действия внутренних сил механической энергии в монолитном компактном костном слое боковых поверхностей тел позвонков и в губчатом веществе имеют вид наклонных прямых, аналогичных образующим прямым однополостного гиперболоида вращения и оказывают влияние на форму тел позвонков.
Удаление точек фиксации волокнистых структур в соответствии с законом прямолинейности распространения векторов действия сил механической энергии вызывает изменение углов силовых линий на участке волокно - костная ткань, что трансформирует архитектонику костной ткани и изменяет форму тела позвонка. Перестройка архитектоники костной ткани в связи с изменениями её функции, т. е. изменением направлений и величин внутренних сил механической энергии, происходит сравнительно быстро. Крупные многоядерные остеокласты в течение 2 - 3 недель резорбируют костную ткань, растворяют кальций и другие минеральные вещества. Образование новой костной ткани остеобластами протекает в течение 2 - 3 месяцев (Рейнберг С.А. 1964). Работая в динамическом равновесии, остеобласты и остеокласты постоянно обновляют костную ткань в соответствии с влиянием сил механической энергии.
Точки опоры и оси позвоночных двигательных сегментов
Смежные позвонки контактируют друг с другом тремя ограниченно подвижными точками: студенистым ядром и парными межпозвоночными (дуго-отростчатыми) суставами. Три точки опоры всегда лежат в одной плоскости и опора на три точки оптимально устойчива.
Исходя из наличия трёх точек опоры, все движения позвонков могут совершаться только вокруг и вдоль осей, проходящих через эти три опорные точки. Парные оси, проходящие через студенистые ядра и межпозвоночные суставы, мы обозначаем, как правую и левую ядерно-суставные оси. Непарную ось между межпозвоночными суставами суставы, мы называем межсуставной осью позвоночных сегментов. Межсуставная ось проходит дорзальнее тел позвонков (Рис.8).
Каждый позвонок принадлежит одновременно двум позвоночным двигательным сегментам, является верхним для нижнего сегмента и нижним для верхнего сегмента и каждый нижний позвонок является приводом для каждого верхнего. Ядерно-суставные оси позволяют позвонкам совершать сложные движения, которые можно представить как результат сложения простых движений. Такими простыми движениями являются движения вокруг трех взаимно - перпендикулярных осей, - вертикальной, сагиттальной и фронтальной и в плоскостях, - горизонтальной для вертикальной оси, фронтальной для сагиттальной оси и фронтальной для сагиттальной оси. Эластические свойства межпозвоночных непрерывных соединений в определенных условиях и в очень ограниченной степени позволяют позвонкам совершать движения, которые можно обозначить техническим термином «люфт». В свою очередь, суммарные движения отдельных позвонков обеспечивают сложные движения позвоночного столба в целом. Рассмотрим простые движения позвонков. Каждый позвонок в сегменте является рычагом равновесия (1 рода). Стержнем рычага, монолитной пространственной структурой, является костный позвонок в целом. Точками приложения сил являются поперечные и остистые отростки, а точками опоры - дугоотростчатые (межпозвоночные суставы) и их связочный аппарат, удерживающий суставные поверхности друг возле друга (Рис. 9). Точки опоры позвонков (дуго-отростчатые суставы) являются направляющими плоскостями для движения позвонков. Наличие двух направляющих плоскостей исключает возможность прохождения оси вращения рычага через точку опоры. Ось вращения рычага равновесия - позвонка не совпадает с его точкой опоры. В этом отличие позвонка - рычага от описания классического рычага, в котором ось вращения рычага всегда проходит через его точку опоры. Проведя окружности через направляющие плоскости, получим точки прохождения оси вращения позвонка - рычага. В грудных позвонках эта ось проходит через точку, лежащую в сагиттальной плоскости позади тела позвонка, в поясничных позвонках ось вращения рычага проходит через точку, лежащую в сагиттальной плоскости на остистом отростке вблизи его верхушки.
Рис.8 Проекции осей позвоночных двигательных сегментов. I -Проекция осей позвоночных двигательных сегментов в горизонтальной плоскости. II - Фасная проекция осей позвоночных двигательных сегментов. III - Профильная проекция позвоночных двигательных сегментов. 1. Ядерно-суставные оси. 2. Дуго-отростчатые суставы. 3. Межсуставные оси. 4. Студенистые ядра. 5. Поперечно-остистые мышцы. 6. Поперечные отростки.
Рис. 9. Схемы рычагов равновесия грудных (А) и поясничных (В) позвонков. 1 - поперечные отростки нижележащих позвонков. 2 - верхние суставные отростки нижележащих позвонков. 3 - нижние суставные отростки вышележащих позвонков. 4 - остистые отростки. 5 - поперечно - остистые мышцы. 6 - верхние суставные отростки нижележащих позвонков, точки опоры и направляющие для верхнего позвонка. 7 - ось вращения позвонка.
Активными носителями сил механической энергии, которая передается с позвонка на позвонок, являются как мышцы, в основном поперечно - остистые, так и межпозвоночные синдесмозы.
Полисегментарная иннервация поперечно-остистых мышц, их расположение по слоям (поверхностный, средний, глубокий), общие точки начала и прикрепления полуостистых, многораздельных мышц и мышц вращателей не позволяют этим мышцам производить тяговые влияния на отдельные позвонки. Работа поперечно-остистых мышц не может привести к изолированным движениям отдельных позвонков, но только групп позвонков. Для выполнения работы, направленной на смещение отдельных позвонков, поперечно-остистые мышцы недостаточно дифференцированы. Межпозвоночные синдесмозы, в свою очередь, непосредственно связывают позвонки друг с другом, и движение S1 через синдесмозы сразу вызывает ответные последовательные смещения вышележащих позвонков. А вот изменение формы позвоночного столба и стабилизация этой формы - это уже непосредственная работа поперечно-остистых мышц, выполняющих преодолевающую, уступающую и удерживающую работу.
Восходящие векторы действия механических сил в нижних конечностях, наличие выпуклых суставных поверхностей на верхних суставных отростках нижележащих позвонков и, сочлененных с ними, вогнутых поверхностей на нижних суставных отростках вышележащих поясничных и нижних грудных позвонках свидетельствуют о преимущественном движении снизу вверх сил механической энергии по этим отделам позвоночного столба. Каждый нижележащий позвонок является приводом для вышележащего позвонка. Грудной отдел позвоночника (TI-XI) относительно сегментов уровня LV-TXI функционирует при ходьбе как противодействующий, противонаправленный, сегментированный монолит.