УДК 611.71.+611.019.+591.4

ГЕОМЕТРИЯ СКЕЛЕТА, БИОМЕХАНИКА ХОДЬБЫ, КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

© 2000 г. В. И. Нечаев

"...геометрические формы суставных поверхностей так логически связаны с отправлениями суставов, что по анализу формы можно определить все существующие в суставе движения и, обратно, по движениям, наблюдаемым у живого, можно с математической точностью определить форму, лежащую в основании этого движения"

П. Ф. Лесгафт

Теория простых суставов. Избранные труды по анатомии. - М., 1968. - С. 147 [11]

Основной формообразующей функцией скелета человека является ходьба (в большей степени) и бег (в меньшей степени). В наших прежних публикациях [1, 2, 3, 4] мы рассматривали траектории нагрузок, возникающие при ходьбе, которые определенным образом оказывали свое влияние на позвоночный столб в целом, позвоночные сегменты и позвонки в частности. Используя системно-структурный подход, опираясь на известные механические, функционально-анатомические, физиологические и клинические факты, мы старались уйти от предположений к объективным выводам, положа в основу прошедшие проверку временем и практикой постулаты: "механические напряжения полностью определяют все детали структуры" и "кость разрастается преимущественно по направлению тяги и перпендикулярно плоскости давления" [5]. В описании этапов механического движения, наряду с общепринятой медицинской терминологией, мы использовали термины классической механики, полагая, что такой терминологический симбиоз будет способствовать лучшему пониманию сути излагаемых проблем. В помощь читателю толкование технических терминов приводится в конце статьи.

Движения в позвоночных сегментах и позвоночном столбе при ходьбе совершаются под влиянием движений тазового пояса. В свою очередь тазовый пояс приводят в движение тазобедренные суставы. Рассмотрим биомеханику нижних конечностей человека с позиции соответствия структуры и функции.

Период опоры ноги по динамическим признакам делится на фазы амортизации и отталкивания [6].

Началом фазы амортизации в стопе является момент соприкосновения бугра пяточной кости с опорой, затем следует опора на всю стопу. В голеностопном суставе совершается подошвенное сгибание. Плечо рычага: бугор пяточной кости - блок таранной кости опускается, также вниз смещается голень. В фазе отталкивания от опоры голень смещается вверх на плече рычага: головки плюсневых костей - блок таранной кости.

Таким образом, в период опоры голень под активным влиянием стопы совершает пассивные движения вверх и вниз. Стопа, как целое, в этой кинематической паре является приводом, активной частью звена, передающей возвратно-поступательные движения (вверх-вниз) голени, пассивной части звена и с позиции механики стопа - есть ползун, а голень - шатун ползуна.

Анализируя функции мышц (рис. 1), которые принимают участие в движениях тазобедренных суставов, мы обратили внимание, что из 20 мышц различных групп, участвующих в движениях тазобедренных суставов, 12 супинируют бедро и 6 из этих 12 реализуют только эту функцию. Учитывая количество мышц-супинаторов, их топографию, массу мышечных волокон, можно констатировать, что суммарная сила мышц-супинаторов превалирует над суммарной силой мышц, обеспечивающих все другие движения. Даже мощные мышцы-антагонисты, обеспечивающие функцию равновесия, - пояснично-подвздошная и большая ягодичная, являются синергистами - супинаторами бедра.

Рис. 1

Анатомическим и клиническим подтверждением превалирования силы мышц - супинаторов бедра над силой мышц, выполняющих другие функции в тазобедренных суставах являются:

1. Угол 20-30 между осью шейки бедра и поперечной осью мыщелков бедра (torsio femoris). Ось шейки бедра смещена кпереди (рис.2). Этот известный факт, кстати, является характерным признаком бедренной кости человека [7].

Рис. 2.

Эпифизы левого бедра. А - ось шейки бедра. Б - ось мыщелков бедра. - угол скручивания бедра (супинационная деформация).

2. Пяточно-затылочная поза человека при опистотонусе, когда таз поднимается над плоскостью опоры, что возможно только при сочетании разгибания в тазобедренных суставах и супинации бедренных костей с двух сторон.

Очевидно, что функционирование мощной группы мышц-супинаторов и супинационные деформации бедренных костей находятся между собой в причинно-следственных отношениях и при ходьбе бедренные кости испытывают стабильные и значительные супинационные нагрузки, без которых не могут возникнуть супинационные деформации костей.

В руководствах по анатомии и биомеханике супинация бедренной кости обычно синонимируется с супинацией всей нижней конечности, или с пронацией голени. Мы доказываем наличие новой постоянной функции бедренной кости при ходьбе - функции ее изолированной от таза и голени супинации при опоре на конечность.

Изолированная супинация бедренной кости совершается вокруг оси, проходящей через головку и латеральный мыщелок бедренной кости. Это не механическая ось бедра, которая "соответствует отвесной линии, опущенной из центра тазобедренного сустава" [7] и вокруг которой совершается ротация нижней конечности.

Возможность совершения изолированной супинации бедренной кости обеспечивается шеечно-диафизарным углом, когда появляется шейка бедра - плечо рычага. Длина шейки бедра и сила мышечной тяги определяют величину супинационной нагрузки.

На дистальном эпифизе бедра со стороны коленного сустава возможность изолированной супинации бедренной кости обеспечивается геометрией мыщелков, строением крестообразных и боковых связок. Топография крестообразных связок соответствует супинационной траектории смещения дистального эпифиза бедра. Растягиваясь, крестообразные связки амортизируют нагрузки и ограничивают супинационное смещение бедренной кости. Расположенная более полого, конической формы, передняя крестообразная связка, удерживает латеральный мыщелок в углублении латерального мениска, а, лежащая более отвесно, толстая задняя крестовидная связка, определяет амплитуду смещения медиального мыщелка.

Структурной иллюстрацией факта вращения медиального мыщелка вокруг латерального служит конфигурация дистального эпифиза бедра. Боковые контуры латерального мыщелка относительно прямолинейны, а наружный край медиального мыщелка всегда дугообразно изогнут (рис. 3).

Рис. 3. Левая бедренная кость.

R - радиус вращения (супинации) медиального мыщелка относительно латерального. А - латеральный мыщелок (сбоку). B - дистальный эпифиз (снизу). С - медиальный мыщелок (сбоку).

Коленный сустав, как пространственная кинематическая пара, обладает верхними и нижними двойными геометрическими элементами. Верхние двойные геометрические элементы состоят из сферического латерального мыщелка и спаренного с ним медиального мыщелка в форме гиперболической спирали, причем геометрические элементы мыщелков обращены друг к другу, образуя желоб блока (рис. 4).

Нижние двойные геометрические элементы - это верхние суставные поверхности мыщелков большеберцовой кости, из которых медиальная более вогнута и имеет эллипсоидную форму [7].

Межмыщелковое возвышение на верхней суставной поверхности большеберцовой кости, которое входит в желоб блока и определяет траекторию смещения бедра, стоит косо, отклоняется вперед и латерально.

В период опоры, на фазе амортизации, происходит сгибание тазобедренного и коленного суставов с одновременной супинацией бедренной кости. Медиальный мыщелок смещается вперед и вниз по нисходящей спирали и вращательный компонент является дополнительным амортизирующим фактором. Когда фаза амортизации сменяется фазой отталкивания, происходит разгибание в тазобедренном и коленном суставах с одновременной пронацией бедра. Медиальный мыщелок смещается по восходящей спирали и этот вращательный компонент усиливает отталкивание. Действует одноплечий рычаг с точкой опоры на латеральный мыщелок, вектор силы на фазах амортизации и отталкивания меняет свое направление на 180.

Рис. 4. Дистальный эпифиз левого бедра (вид сзади)

Таким образом, наличие мощной группы мышц супинаторов бедра, наличие шейки бедренной кости и шеечно-диафизарного угла, конфигурация дистального эпифиза бедра, топография связочного аппарата коленного сустава являются структурными компонентами, реализующими и отображающими процесс изолированной супинации бедренной кости при опоре на нижнюю конечность.

Еще одним подтверждением активного смещения бедренной кости относительно таза и голени является факт наличия выпуклых суставных поверхностей на проксимальном и дистальном эпифизах. По данным Б. А. Артеменко (1949) [8] кости, лежащие в основе подвижных и активно смещающихся звеньев, имеют выпуклую суставную поверхность, а кости, образующие основу звеньев неподвижных или смещающихся пассивно - суставную поверхность вогнутой формы.

Супинация бедренной кости через шейку бедра смещает вперед опорную сторону таза. При этом бедренная кость функционирует как спаренный двойной рычаг. Одно плечо этого рычага - диафиз бедра, второе - шейка бедра. В результате смещения вперед опорной стороны таза и смещения назад не опорной его стороны совершается вращение таза вокруг вертикальной оси, проходящей через точку на середине расстояния между центрами головок бедренных костей, которая, с учетом формы таза, его наклона, супинационной деформации бедра, совпадает с общим центром тяжести человека. Ось вращения таза при опоре на нижнюю конечность совпадает с осью позвоночного столба (рис. 5).

Рис. 5.

Смещение тазовых колец и шеек бедренных костей

(вид сверху) при ходьбе.

А - опора на левую ногу, B - опора на правую ногу, 1 - тазовые кольца, 2 - шейки левых бедренных костей, 3 - шейки правых бедренных костей.

Изолированное вращение бедренной кости вокруг вертикальной оси между головкой и латеральным мыщелком бедра, как и все вращения в других суставах, ограничено по амплитуде (центральному углу) и имеет возвратно-вращательный, колебательный характер (супинация-пронация). В соответствии с возвратно-вращательными движениями бедренной кости, вращения таза вокруг вертикальной оси в горизонтальной плоскости также имеют возвратно-вращательный характер (вращение вправо - влево).

Следует отличать эти движения от известных движений таза тоже в горизонтальной плоскости при выносе вперед нижней конечности [9]. Это движение совершается вокруг механической оси бедра. Очевидно при ходьбе реализуются оба вида движения таза синхронно.

Кроме движений в горизонтальной плоскости при ходьбе реализуется движение таза во фронтальной плоскости вокруг сагиттальной оси, проходящей через центры головок бедренных костей. Эти движения таза совершаются при опускании таза на не опорной стороне [9], а также за счет возвратно-поступательных движений бедренной кости (вверх-вниз) при сгибании-разгибании коленных суставов. Сочетание таких движений головок бедренных костей и соответствующих сторон таза при ходьбе можно характеризовать, как периодические движения по дугам окружности, причем дуги окружности изогнуты в горизонтальной плоскости (рис. 6).

Если применительно к тазобедренному суставу использовать терминологию классической механики тазобедренный сустав представляет собой низшую кинематическую пару в виде пространственного кулачкового механизма, в котором ведущим звеном (кулачком) является головка бедра, а ведомым (коромыслом) является таз. При этом бедренную кость в целом, коленный и тазобедренные суставы можно классифицировать как кривошипный механизм.

Рис. 6.

Траектории движений головок бедренных костей при ходьбе

Функциональное обозначение таза, как "коромысло кулачкового механизма", следует потому, что таз при ходьбе совершает пассивные сложные колебательные движения, а именно периодические возвратно-вращательные движения по дугам окружности.

Анатомически это "коромысло" есть ни что иное, как свод таза, плоскость которого проходит через центры ямок тазобедренных суставов, основание крестца, суставные отростки пятого поясничного позвонка.

Согласно П. Ф. Лесгафту [10] таз представляет эллиптический (чаще) или сферический свод. При нормальном вертикальном положении человека свод таза расположен во фронтальной плоскости, в которой лежат и центры ямок тазобедренных суставов и основание крестца и суставные отростки пятого поясничного позвонка.

Движениям головок бедренных костей сопутствуют аналогичные движения тел и верхних суставных отростков S-v, через которые эти движения передаются на поясничный отдел позвоночного столба. Морфологической иллюстрацией наличия таких траекторий движений являются формы суставных поверхностей пояснично-крестцовых и поясничных дугоотростчатых суставов, которые соответствуют торсионным траекториям движений между позвонками (рис. 7).

Кинематическую цепь нижней конечности следует обозначить, как кривошипно-ползунный механизм, переводящий возвратно-поступательные движения стопы через голень в возвратно-вращательные таза через бедро, которые, в свою очередь, переходят в восходящие попеременные разнонаправленные торсионные движения согнутой пологой спирали позвоночного столба.

Позвоночный столб человека, его подвижный отдел, в норме имеет вид согнутой пологой спирали с изменяющимися в зависимости от стороны опоры направлением витков. При ходьбе движения между позвонками совершаются вокруг осей, проходящих через студенистые ядра и дугоотростчатые суставы (ядерно-суставные оси) и между дугоотростчатыми суставами (межсуставные оси). Позвоночный столб испытывает попеременные разнонаправленные торсионные напряжения, имеющие восходящее направление. Торсионные нагрузки формируют талии тел позвонков, вызывают растяжения межпозвоночных синдесмозов. По мере растяжения межпозвоночных связок возрастают компрессионные нагрузки, которые компенсируются межпозвоночными дисками, а также гидродинамическими свойствами красного костного мозга в телах позвонков [1, 2, 3].

Рис. 7.

Траектории движения головок бедренных костей (1). Формы суставных поверхностей нижних суставных отростков поясничных позвонков (2)

Позвоночный столб находится на вершине правой и левой кинематических цепей нижних конечностей и при ходьбе ему передаются снизу вверх восходящие нагрузки. В направлении сверху вниз по позвоночному столбу следуют компенсирующие противонаправленные торсионные нагрузки плечевого пояса. Местом встречи этих противонаправленных нагрузок является, как правило, XI грудной позвонок. Доказательством этому является расположенные почти под прямым углом его верхние и нижние суставные отростки [1, 2]. Осевое положение позвоночного столба делает его мишенью восходящих воздействий правой и левой кинематических цепей нижних конечностей, таза и нисходящих воздействий плечевого пояса. В прослеживаемой единой структурно-функциональной кинематической цепи нижняя конечность-таз позвоночный столб структура и функция нижележащих звеньев определяет структуру и функцию вышележащих. В соответствии с этим форма тел позвонков формируется во-первых под влиянием прижизненных нагрузок, их величин и траекторий и во-вторых зависит от пластических свойств костной ткани тел позвонков, отражающих ее химический состав, соотношения органического и неорганического компонентов. Следовательно причины пластических деформаций тел позвонков зачастую следует искать вне позвоночника, в нижележащих звеньях кинематических цепей.

Выводы

1. При ходьбе бедренная кость изолированно от голени и таза производит возвратно-вращательные движения (супинация-пронация) вокруг оси, проходящей через середину головки бедра и латеральный мыщелок бедра и сообщает своду таза возвратно-вращательные движения.

2. Позвоночный столб при ходьбе меняет свою форму. Форма согнутой пологой спирали с правым направлением витков чередуется с формой согнутой пологой спирали с левым направлением витков в зависимости от опоры на левую и правую нижние конечности.

3. Находясь на вершине кинематических цепей нижних конечностей, позвоночный столб концентрирует на себе относительно симметричные или асимметричные нагрузки, частично их компенсируя.

4. Форма тел позвонков отображает пластичность костной ткани (гистологическую и гистохимическую структуру в целом) на фоне величин и траекторий прижизненных нагрузок.

5. Кинематическую цепь нижней конечности с позиции механики следует понимать, как ползунно-кривошипный механизм, где функцию активного ползуна выполняет стопа, функцию штока выполняет пассивная голень, бедренная кость выполняет функцию активного кривошипа, который через кулачковую пару - тазобедренный сустав сообщает пассивному тазу - коромыслу колебательные возвратно-вращательные движения.

Толкование терминов [12, 13]

1. Кинематическая пара - есть подвижное соединение двух звеньев с определенным видом их относительного движения.

2. Кинематическая цепь - есть связанная система звеньев, образующих между собой кинематические пары.

3. Низшая пара - есть кулачковый механизм, в котором соприкосновение геометрических элементов совершается по поверхностям.

4. Пространственным кулачковый механизм (в отличие от плоского) называется потому, что его ведомое звено движется в плоскости, не параллельной плоскости движения кулачка.

5. Кулачковым называется механизм, состоящий из двух подвижно сопряженных звеньев (ведущего и ведомого), служащий для воспроизведения заданного периодического движения ведомого звена.

6. Кулачком в кулачковом механизме называется звено кинематической пары, форма геометрического элемента которого определяет воспроизведение заданного относительного движения звеньев.

7. Геометрические элементы кинематической пары - это поверхности каждого звена, входящие в соприкосновение.

8. Коромысло - это ведомое звено кулачковой пары, которое совершает качательные движения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нечаев В. И. Механический фактор и функциональная анатомия комплекса губчатое вещество - красный костный мозг - периферическая кровь. - Математическая морфология. - 1997. - Т. 2. - С.151-154.
2. Нечаев В. И. Клинико - анатомические аспекты вертебрологии.-Математическая морфология. - 1997. - Т. 3. - С.109-119.
3. Нечаев В. И. Способ определения прижизненных деформаций тел позвонков на рентгенограммах. Патент РФ № 2159079. - 1999.
4. Юдельсон Я. Б., Нечаев В. И. Морфо-функциональные аспекты вертеброневрологии. - Неврологический журнал. - 2000. - Т.5. - №6. - С. 33-35.
5. Бунак В. В. Значение механического фактора для дифференцировки строения в постнатальном онтогенезе. //Труды Пятого Всесоюзного съезда АГиЭ. Ленинград 5-11 июля 1949 г. - Л.: Медгиз, 1951. - С. 120 - 124.
6. Донской Д. Д. Биомеханика с основами спортивной техники. - М.: Физкультура и спорт.- 1971. - С. 234-235.
7. Иванов Г. Ф. Основы нормальной анатомии человека. - М.: Медгиз, 1949. - Т. 1. - С. 318.
8. Артеменко Б. А. Кинематический принцип строения конечностей наземных животных //Труды Пятого Всесоюзного съезда АГиЭ. Ленинград 5 - 11 июля 1949.- Л.: Медгиз, 1951. - С.107 - 108.
9. Иваницкий М.Ф. Анатомия человека. - М.: Физкультура и спорт, 1956. - Т. 1. - С. 458.
10. Лесгафт П. Ф. Архитектура таза. Избранные труды по анатомии.-М.: Медицина, 1968. - С.52.
11. Лесгафт П. Ф. Теория простых суставов. Избранные труды по анатомии. - М.: Медицина, 1968. - С.147.
12. Попов Н. Н. Расчет и проектирование кулачковых механизмов.- М.: Машиностроение, 1965. - С. 5 - 9.
13. Артоболевский И. И. Механизмы в современной технике. //Рычажные механизмы. - М.: Наука, 1970. - Т.1. - С. 101.

Resume

The structure and movement of lower limbs and vertebral column are considered from the anatomic, clinical, mechanic points of view.

The new function of the thigh-bone: the rotation of isolated, active thigh-bone laterelly are described.

Кафедра анатомии человека

Смоленская государственная медицинская академия

Поступила в редакцию 15.12.2000.