УДК 611.71.+611.019.+591.4

КЛИНИКО-АНАТОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВЕРТЕБРОЛОГИИ

© 1999 г. В. И. Нечаев

"Прогрессивное развитие позвоночника

находится в явной связи со значением мускулатуры

и осевого скелета при локомоторных движениях тела"

И. И. Шмальгаузен [1]

Изложена и обоснована с анатомических и клинических позиций биомеханика позвоночного столба человека при ходьбе. Приведены результаты измерений фронтальных талий тел позвонков, которые отражают траектории и степени компенсации нагрузок в позвоночнике в норме и при патологии. Отмечена сопряженность процессов компенсации нагрузок с гемопоэзом и гемодинамикой.

Известно, что структурная эволюция кости последовательно проходит стадию генетического формирования и стадию развития с участием внешних механических факторов (гравитационные, динамические нагрузки, тракции мышц, связок) [2].

Окончательное формирование любой кости скелета совершается под действием внешних механических факторов. Самой древней механической функцией тела любого живого существа, имеющего осевой скелет, является функция перемещения, локомоции. Ходьба и бег - основные формообразующие функции осевого скелета человека. Именно с таких функциональных позиций рассмотрим анатомию и биомеханику позвоночного столба человека.

Сложилось представление о функции позвоночного столба, как о структуре, которая испытывает компрессионные нагрузки, возрастающие в направлении сверху вниз, и компенсирует их преимущественно за счет эластичности межпозвоночных дисков. Обсуждая вопросы биомеханики в позвоночном столбе называют статические нагрузки которые действуют на позвоночный столб в направлении сверху вниз, их величины связывают с массой тела и в норме равномерно распределяют по поверхностям межпозвоночных дисков [3].

Однако такая характеристика функции позвоночного столба не соответствует и даже входит в противоречие со сложившейся структурой позвоночно-двигательных сегментов. Мы считаем что статические нагрузки в чистом виде действуют на позвоночный столб человека, если он находится в вертикальном положении и одновременно в состоянии полной мышечной реляксации. Статические нагрузки в позвоночнике складываются из гравитационных воздействий и тонуса межпозвоночных связок в сочетании с отрицательным давлением в полостях дугоотростчатых суставов. Статическими эти нагрузки являются потому, что и гравитационные воздействия и тоническое напряжение связок являются относительно постоянными величинами. В реальной жизни все нагрузки в позвоночнике являются динамическими и не имеет значение лежит человек, сидит, стоит или движется. Любое участие скелетных мышц придает нагрузкам в позвоночнике динамический характер.

Рассмотрим форму позвоночного столба. Позвоночный столб имеет чередующиеся изгибы в сагиттальной (лордозы-кифозы) и фронтальной плоскостях (право- и левосторонние сколиозы). Линейная фигура, в которой чередующиеся изгибы располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях, есть СПИРАЛЬ [4, 5].

Радиусы изгибов позвоночного столба в сагиттальной плоскости значительно меньше радиусов изгибов во фронтальной, что придает позвоночному столбу форму СОГНУТОЙ СПИРАЛИ.

Абсолютные величины радиусов изгибов уточняют форму - ПОЛОГАЯ СОГНУТАЯ СПИРАЛЬ.

Вопрос: Могут ли в согнутой пологой спирали всем ее протяжении возникнуть стабильные компрессионные напряжения в ответ на продольные нагрузки?

Ответ: Не могут.

Рассматривая траектории напряжений, возникающих в позвоночнике при ходьбе и беге, следует иметь в виду, что всегда первично на позвоночник действуют напряжения, имеющие поперечную траекторию.

Это объясняется тем, что:

1. Напряжения возникают сбоку от позвоночного столба в области вертлужной впадины.
2. При прыжках и приземлении на обе ноги невозможна одновременная опора на две точки из-за неодинаковой длины конечностей, неровностей грунта, различных углов сгибания в суставах.
3. Вес правой половины тела не равен весу левой ее половины.
4. Ось туловища при приземлении всегда имеет отклонение от перпендикулярной плоскости.
5. Предметы, которые мы поднимаем и перемещаем, расположены асимметрично относительно позвоночного столба.

Смежные позвонки контактируют друг с другом через три ограниченно подвижные точки: опоры непарное студенистое ядро и парные дугоотростчатые суставы. Такая система взаимодействия с позиции биомеханики является оптимальной, т.к. три точки всегда лежат в одной плоскости.

Исходя из наличия трех точек опоры между смежными позвонками, логично считать,что все движения между позвонками могут совершаться только вокруг и вдоль осей, проходящих между и через эти три точки.Такими осями являются парные оси, проходящие между студенистым ядром и дугоотростчатыми суставами (ядерно-суставные оси) и непарная ось, проходящая через дугоотростчатые суставы (межсуставная ось).

Вследствии того, что суставные поверхности в дугоотростчатых суставах располагаются наклонно, ядерно-суставные оси тоже наклонены и проходят через дугоотростчатые суставы нижележащих позвонков к студенистым ядрам вышележащих.

В поясничном отделе (точнее на уровне L_V-Th_XI) прослеживаются последовательные плавные перемещения по спирали положения суставных поверхностей в направлении изнутри - кнуружи на 35-40. Следовательно, так же последовательно меняют свои положения ядерно-суставные оси.

Конечно, и студенистые ядра и дугоотростчатые суставы точками можно считать условно, т. к. студенистые ядра имеют слегка уплощенные верхние и нижние поверхности и дугоотростчатые суставы имеют некоторый диапазон движений. Поэтому правильнее говорить, что в каждом позвоночно-двигательном сегменте имеются системы парных ядерно-суставных и непарных межсуставных осей.

Движения позвонков вокруг ядерно-суставных осей подтверждается многими клиническими данными:

1. Усилением костно-пластических процессов под передней продольной связкой [3], что связано с наибольшей амплитудой движения в области передней поверхности тел позвонков.
2. Наличием при патологических фиксированных сколиозах ротированных позвонков [6].
3. Формированием лимбусов тел позвонков в местах крепления фиброзных колец вследствии тракций связок.
4. Травматическим внедрением студенистого ядра чаще у заднего края тела позвонка и пролабированием студенистого ядра через разрыв фиброзного кольца чаще в сторону позвоночного канала.
5. Приближением формы тел позвонков к цилиндрической при анкилозировании.

Такое расположение точек опоры и осей движения при действии на позвоночник напряжения с поперечной относительно позвоночника траекторией при участии расположенных по спирали мышц туловища (мышцы медиального тракта спины - мышцы стенок живота) формирует скручивание, ТОРЗИЮ позвоночного столба.

Торзионные напряжения вызывают растяжение межпозвоночных синдесмозов, в первую очередь связок между дугами, а также отростками позвонков, у которых направление волокон совпадает с траекторией торзии. Растяжение межпозвоночных синдесмозов гасит, компенсирует часть действующих напряжений.

Синхронно с растяжением синдесмозов и по мере исчерпывания их эластических свойств, происходит сближение, притягивание друг к другу позвонков, т. е. возникают и постепенно нарастают продольные (компрессионные) нагрузки. Таким образом, компрессионные нагрузки на тела позвонков развиваются вторично вслед за первичными поперечными траекториями. Перевод поперечных траекторий напряжения на продольные реализуется через торзию и анатомически межпозвоночные соединения полностью адаптированы к выполнению этой функции.

Таким образом, при ходьбе и беге в позвоночном столбе человека возникают торзионные движения как результат суммирования движений вокруг систем ядерно-суставных осей. Торзионные движения после их частичной компенсации за счет растяжения межпозвоночных связок вызывают продольные компрессионные напряжения, часть которых компенсируется сжатием межпозвоночных дисков.

Растяжение связок сопровождается притяжением друг к другу позвонков и, по мере сжатия позвонков, возрастает жесткость, прочность, уменьшается подвижность позвоночного столба.

В многозвенной стуктуре, которой является позвоночный столб, торзия идет последовательно снизу вверх и, за счет компенсации части напряжения нижележащими позвоночными двигательными сегментами, вышележащие испытывают меньшие напряжения.

Такой трактовке биомеханики позвоночника имеется ряд анатомических подтверждений:

1. Наличие сужения, талии на телах позвонков.
2. Косое расположение костных трабекул тел позвонков
3. Губчатое строение тел позвонков
4. Тонкий кортикальный слой тел позвонков
5. Оттянутые края тел позвонков
6. Вытянутые, уплощенные дуги позвонков
7. Вхождение сосудов в тела позвонков на их задней поверхности, вблизи срединной плоскости, где амплитуды смещения наименьшие.
8. Косое расположение волокон межпозвоночных связок.
9. Направление мышечных волокон в мышцах спины и живота.

10. Приближение формы горизонтальных площадок тел позвонков к фигуре улитка Паскаля [4].

При опоре на правую ногу в поясничном отделе формируется левосторонний сколиоз, позвоночный столб приобретает форму согнутой пологой спирали с левым направлением, а при опоре на левую ногу соответственно формируется правосторонний сколиоз, и позвоночный столб меняет форму, преобразуясь в согнутую пологую спираль с правым направлением витков.

Следовательно, позвоночный столб есть согнутая пологая спираль которая меняет направлегние своих витков под влиянием попеременных право- и левосторонних торзионных напряжений возникающих при перемене опоры с одной ноги на другую.

Такая характеристика формы и функции распространяется на позвоночный столб уровней L_V-Th_XI. Выше Th_XI на структуре позвоночного столба проявляется влияние функция плечевого пояса.

Торзионные движения в позвоночном столбе при опоре на одну ногу, пройдя последовательно снизу вверх поясничные позвонки, встречаются с противонаправленной торзией грудных позвонков, которая возникает как следствие противонаправленного движения плечевого пояса. Встреча и взаимная компенсация этих разнонаправленных торзий происходит на одиннадцатом грудном позвонке.

Структурным подтверждением такой динамики и такой роли одиннадцатого грудного позвонка является факт взаимно-перпендикулярного расположения суставных поверхностей на верхних и нижних суставных отростках только у Th_XI. Th_XI является единственным носителем этого признака. У Th_XI суставные поверхности на суставных отростках стоят в одном ряду с поясичными позвонками. Поэтому считаем целесообразным с функциональных позиций относить Th_XI-XII к поясничному отделу позвоночного столба.

Возникающие компрессионные нагрузки тел позвонков сопровождаются напряжением и эластической деформацией костных трабекул, попеременным повышением давления в полостях между костными трабекулами, заполненными красным костным мозгом [4]. Учитывая сходящиеся направления ядерно-суставных осей в каждом позвоночном двигательном сегменте, повышения давления попеременно возникают в передне-правой половине тела позвонка при его одновременном снижении в передне-левой половине и наоборот, что сопровождается соответствующим перемещением красного костного мозга из зоны большего давления в зону меньшего давления. Это позволяет считать тела позвонков своеобразными биологическими гидравлическими амортизаторами.

В свою очередь колебания гидродинамического давления в полостях губчатого вещества тел позвонков способствуют проникновению молодых форменных элементов крови в синусные капилляры и оттоку венозной крови из губчатого вещества во внутреннее позвоночное сплетение и далее [12].

Подтверждением этого является:

1. Развитие в продуцирущем отделе эритрона торможения синтеза новых ядерных предшественников и увеличение количества погибших клеток в пределах костного мозга у больных при торакальных операциях и механических травмах, соблюдающих строгий постельный режим [7].
2. Развитие анемий у лиц, прикованных к больничной койке даже при полноценном сбалансированном питании и при отсутствии кровопотери.
3. Отсутствие точных данных о генезе анемий после операций и травм и малая эффективность применяемых средств профилактики и лечения таких анемий [7].
4. Увеличение давления в нижней полой вене в 2-4 раза при переводе человека из вертикального положения в горизонтальное, что приводит к затруднению оттока крови из тел позвонков и большим кровопотерям при операциях на позвоночнике [8].
5. Повышение числа ретикулоцитов при одновременном снижении количества эритроцитов при повышении давления ликвора в спинномозговом канале [9].
6. Четко прослеживаемые корреляции между локомоциями и характером кроветворения в эмбриогенезе [2].
7. Установленный факт детерминации гидродинамического фактора с конфигурацией и морфогенезом микрососудистых сетей [10].
8. Совпадение восходящей траектории движения динамических нагрузок в позвоночном столбе с движением снизу вверх венозной крови по внутреннему позвоночному сплетению, что следует из наблюдаемых Э. В. Ульрихом (1995) картин застойного расширения сети сосудов позвоночного канала ниже уровня блока эпидурального пространства [11].

Онтогенетические, морфологические, экспериментальные и клинические подтверждения роли локомоций и изложенной биомеханики позвоночного столба в генезе анемий позволяет нам обоснованно рекомендовать выделить в классификации анемий группу под названием гипокинетические анамии [12].

Особенности биомеханики и анатомии в позвоночном столбе позволяют нам рекомендовать внести коррекции в технику выполнения операции спондилодеза.

Рекомендации сводятся к следующему:

1. Элементы фиксирующие позвонки в составе позвоночно-двигательных сегментов должны быть парными и симметричными.
2. Фиксирующие элементы должны быть ориентированными под углом к продольной оси позвоночника.
3. Фиксирующие элементы должны стабилизировать все три точки опоры позвонков.
4. Фиксирующие элементы должны стабилизировать или Th_XI с вышележащими. или Th_XI с нижележащими позвонками.
5. Следствием любого спондилодеза является повышение компрессионных нагрузок на вышележащие позвоночные сегменты.

Кроме этого, считаю, что ламинэктомия не является корректной с анатомических позиций операцией, т. к. ликвидируется костная основа для фиксации межпозвоночных связок - основных компенсаторов, действующих на позвоночник нагрузок. Вместо ламинэктомии должна выполняться костно пластическая операция.

Изложенная трактовка биомеханики позвоночного столба реализована в виде разработанного "Способа определения прижизненных деформаций тел позвонков на рентгенограммах" [13]. Способ позволяет количественно характеризовать контур талии тела любого позвонка и делать на этом основании заключение о величинах и траекториях действующих на любой конкретный позвонок нагрузках и степени компенсации нагрузок дифференцировано справа и слева.

На фиг. 1 представлены усредненные результаты измерений контуров фронтальных талий тел позвонков L_I-IV справа и слева у мужчин 25-50 лет, не имеющих неврологических жалоб. Это условная контрольная группа, на графике не окрашена.

Фиг. 1

Опытная группа, тоже мужчины аналогичного возраста, которые направлялись на рентгенографию позвоночника врачем-невропатологом и у которых тоже измерены характеристики контуров фронтальных талий (на графике - окрашено).

Сравнение показывает корреляцию состояния тел позвонков с наличием неврологической патологии и подтверждают нашу трактовку биомеханики позвоночника и информативность разработанного способа диагностики.

Общее симметричное уменьшение характеристик кривизны контуров фронтальных талий поясничных позвонков (L_I-IV) на 22-44% означает соответствующее увеличение компрессионных нагрузок очевидно вследствии снижения эластичности межпозвоночных связок и тонуса мышц что и послужило причиной или было одной из причин появления неврологической симптоматики.

Случай 1. У больного М., находящегося на амбулаторном лечении по поводу пояснично-кресцового радикулита на рентгенограмме поясничного отдела выявляется увеличение компрессионных нагрузок на правую половину первого поясничного позвонка на 36%, обе половины второго поясничного справа на 19%, слева на 63%, правую половину третьего поясничного на 21%, левую половину четвертого на 29% (Фиг. 2).

Фиг. 2

Сохранность процессов компенсации на левой половине первого поясничного, левой половине четвертого, близкие к норме показатели на левой половине четвертого, в сочетании с высокой степенью компенсации слева у второго поясничного позвонка, свидетельствуют о наличии очаговой и отсутствии системной патологии при сохранности компенсаторных возможностей.

Случай 2. У больного Н. (контрольная группа), несмотря на отсутствие жалоб и патологической неврологической симтоматики на рентгенограммах поясничных позвонков выявляется увеличение компрессионных нагрузок на левую половину третьего поясничного на 30% и симметричное увеличение компрессии на первый поясничный на 14% и 28% (Фиг. 3).

Фиг. 3

Разработанный способ позволяет объективизировать оценку функционального состояния позвоночного столба, определять допустимые нагрузки ,контролировать динамику и эффективность лечения.

С возрастом наблюдается рост компрессионных деформаций тел позвонков, который следует рассматривать в совокупности с возрастной инволюцией красного костного мозга и стуктурной перестройкой капиллярного звена микроциркуляторного русла.

Уменьшение объема красного костного мозга, регрессивные изменения капилляров и близких к ним звеньев сопровождается увеличением компрессионных нагрузок на тела позвонков т. е. ростом колебаний гидродинамического давления в ячейках губчатого вещества, что свидетельствует о сопряженности этих процессов.

Анализируя геометрию шейных позвонков (С_II-VII) и сопоставляя результаты анализа с функцией, мы пришли к заключению о практической невозможности ротационных движений между С_II-VII. Обращенные друг к другу поверхности тел позвонков С_II-VII изогнуты во фронтальной плоскости таким образом, что верхняя поверхность нижележащего позвонка вогнута ее боковые участки приподняты вверх, образуя т. н. крючки тел шейных позвонков. Нижние поверхности вышележащих позвонков имеют выпуклую форму в соответствии с вогнутостью нижележащего. Передние края тел вышележащих позвонков оттянут вниз. Полости симметричных дугоотростчатых суставов С_II-VII лежат наклонно и в одной плоскости.

В результате моделирования ротационных движений между С_II-VII мы получили скользящие движения между суставными поверхностями дугоотростчатых суставов при которых позвонки отдаляются друг от друга вплоть до вывиха, который достигается сравнительно легко.

Сопоставляя эти данные с клиникой, мы пришли к трактовке механизма развития синдрома вестибулярной атаксии в ответ на резкий поворот головы (синдром Барре-Льеу).

Известно, что указанный синдром обычно развивается на фоне артроза шейного отдела позвоночника и в частности артроза атланто-аксиального сустава, когда амплитуда всех движений ограничена. Резкий поворот головы приводит к выполнению максимально возможной ротации в атланто-аксиальном суставе, возникают ротационные нагрузки на дугооторостчатые суставы С_II-VII, которые ведут к отдалению друг от друга С_II-VII, что, в свою очередь, вызывает натяжение позвоночного сосудисто-нервного пучка, проходящего через отверстия поперечных отростков шейных позвонков. Раздражение симпатического позвоночного нерва вызывает спазм артерий вертебрально-базилярного бассейна, что и регистрируется как синдром Барре-Льеу. Если при этом развивается спазм передних и боковых спинальных артерий, потеря сознания сопровождается парезами конечностей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шмальгаузен И. И. Основы сравнительной анатомии. - М.: Гос. изд-во биол. и мед. лит., 1935.- С. 177.
2. Пэттэн Б. М. Эмбриология человека. - М.: Медицина, 1957.
3. Жарков П. Л. Остеохондроз и другие дистрофические изменения позвоночника у взрослых и детей. - М.: Медицина, 1994.
4. Аникин Ю. М., Колесников Л. Л. Построение и свойства костных структур. - М.: ММСИ, 1993. - С. 18.
5. Делов В. И., Макаров В. Н., Аникин Ю. М. Геометрия тел позвонков. //Труды V ЦНИПП. - М., 1978. - № 44.
6. Казьмин А. А., Жарков П. Л., Каптелин А. Ф. Сколиоз. - БМЭ. - Т.23. - С. 288.
7. Петров Н. С., Шелухин В. А., Малахов С. Ф. Кинетика эритроцитарного ростка костного мозга при торакальных операциях и механических травмах. - Проблемы гематологии и перилавания крови. - 1980. - Т. 25. - № 5. - С. 28-36.
8. Снижение кровопотери в хирургии позвоночника. Методические рекомендации. Под ред. М. К. Олиговой. - Новосибирск: НИИТО, 1976.
9. Истаманова Т. С. К вопросу о влиянии нервной системы на эритропоэз. - Клиническая медицина. - 1939. - Т.17. - № 8. - С. 57.
10. Глотов В. А. Структурный анализ микрососудистых бифуркаций (Микрососудистый узел и гемодинамический фактор). - Смоленск: АО "Амипресс", 1995. - 251 с.
11. Ульрих Э. В. Аномалии позвоночника у детей. - С.- П.: Сотис, 1995. - С.111.
12. Нечаев В. И. Механический фактор и функциональная анатомия комплекса губчатое вещество-красный костный мозг-периферическая кровь. - Математическая морфология. - 1997. - Т. 2. - С. 151-154.
13. Нечаев В. И. Способ определения прижизненных деформаций тел позвонков на рентгенограммах. - Заявка на изобретение №99113861 (014763) от 29.06.99.

Clinico-anatomical aspects of vertebrology

V. I. Nechaev

Biomechanics of human spine is stated from anatomic and clinical positions of walking. The results of measurements of the frontal waists of vetrtebral bodies which reflect trajectories are degrees of compensation of loadings in the spine in the norm and at a pathology. Interaction of the processes compensation of loadings with haemopoiesis and haemodynamics is noted.

Кафедра анатомии человека

Смоленская государственная медицинская академия

Поступила в редакцию 29.11.99.