Позвоночник как биокинематическая цепь

Позвоночник представляет собой эластичную, вертикально расположенную опору, состоящую из отдельных функциональных единиц - позвоночно-двигательных сегментов (ПДС), прочно связанных между собой межпозвонковыми дисками и мощным связочно-мышечным аппаратом. В течение всей жизни человек подвергается различного рода нагрузкам и другим силовым факторам, действующим в самых различных плоскостях опорно-двигательного аппарата. Опровергая общие физико-механические закономерности, отдельные составные части позвоночного столба по-разному реагируют на прилагаемые к ним силы. Так силы, по интенсивности, не превышающие порогов прочности отдельных его структур, не могут причинять каких-либо повреждений позвонкам, а наоборот, вызывать их гипертрофию и укрепление структуры.

Аналогично происходит со связками и мышцами. С точки зрения механики, основное значение приобретает понятие о пределе прочности позвоночника в условиях действия сил давления вдоль его вертикальной оси. Этот предел определяется прежде всего величиной и формой позвонков, а также системой физиологических изгибов позвоночного столба. На горизонтальном срезе позвонок напоминает форму буквы Т, то есть известный в технике своей прочностью тавровый профиль (рис. 3.24). Адаптация к силам давления по оси позвоночника достигается главным образом физиологическими изгибами, что согласуется с известной в технике характеристикой Т-образной балки, предел прочности которой в 17 раз выше, чем у простой. Средний предел прочности (подъемная сила) позвоночника у взрослого человека составляет 350 кг. Но и данный предел является различным в зависимости от отдела позвоночного столба. Так, на уровне шейного отдела он составляет около 113 кг, грудного - 210 кг и поясничного - приблизительно около 400 кг. Нормальная нагрузка на позвоночник, обусловленная тяжестью тела, в прямом вертикальном положении туловища гораздо ниже ее максимального уровня и составляет в шейном отделе 50 кг, в грудном - 75 кг и в поясничном - около 125 кг. Предел прочности отдельных позвонков к нагрузкам весьма высок и для поясничного отдела может достигать 900 кг и более. Прочность связок позвоночника также достаточно велика. Разрыв передней продольной связки, например, происходит при приложении силы в 2,12 кг, а задней продольной связки - 1,58 кг на 1 мм² поперечного сечения. Прочность связок у молодых людей, возраст которых не превышает 20 лет, приблизительно на 30% выше, чем у лиц старше 50 лет. При удалении одного из взаимно перпендикулярных элементов остистых отростков - предел прочности позвоночника уменьшается приблизительно в шесть раз.

Позвоночник еще рассматривают как эластичную колонну, опирающуюся на мышцы и две камеры - брюшную и грудную клетки. По мере повышения давления в последних и сокращения соответствующих групп мышц происходит стабилизация позвоночника, он получает при этом как бы прочную дополнительную опору в результате своеобразного эффекта «шинирования» (рис.3.25). Давление в грудной клетке в результате глубокого предварительного входа и последующей нагрузки значительно повышается. Этому способствуют также сокращения межреберных мышц, мышц плече-вого пояса и диафрагмы. Давление же в брюшной полости в этот момент повышается незначительно. Затем, по мере истощения воздуха в легких, давление в грудной клетке снижается, в брюшной полости возрастает и сдерживается в течение продолжительного времени - до очередного вдоха. Напряжение межреберных мышц, мышц плечевого пояса и диафрагмы придают жесткость грудной клетке, которая принимает на себя половину силы давления, действующей на грудной отдел позвоночника. Подобным образом брюшная полость разгружает поясничный отдел и уменьшает давление, приходящееся на каждый люмбальный диск, почти на 30%. В известной мере внутрибрюшное давление может быть повышено искусственно с помощью поясов и корсетов, что используется в клинической практике. Ношение таких поясов и корсетов снижает давление в межпозвонковых дисках на 24%. Силы, действующие на позвоночник, были измерены на добровольцах путем введения в межпозвонковый диск специальной иглы с манометром. Измерения показали, что давление внутри диска является максимальным в положении сидя, в положении стоя оно уменьшается на 30%, а лежа - на 50%. Так, в положении сидя давление в дисках колеблется в пределах 99-171 кг, а в положении стоя 85-119 кг. По-видимому, это связано с эффектом «шинирования» - понижением давления в брюшной полости.

Нагрузка на межпозвоночные диски значительно увеличивается при подъеме тяжести. Например, при подъеме тяжести на вытянутых руках нагрузка на поясничные диски повышается в 22 раза по сравнению с поднимаемой массой груза, что убедительно иллюстрирует «схема рычажных весов» по Армстронгу (рис. 3.26). Если человек поднимает какие-нибудь предметы на вытянутых руках, то туловище и вытянутые руки образуют рычажные весы, вертикальная ось которых приходится на пульпозное ядро. Соотношение между этими двумя рычагами по Армстронгу составляет 15:1. Другими словами, если поднимают груз весом 50 кг, то это должно уравновешиваться силой сокращения мышц - 50х15, и конечная нагрузка на поясничные диски будет составлять 750+50 кг (масса верхнего отдела туловища). К этому же следует добавить дополнительную нагрузку за счет скорости поднятия груза.

В биомеханике суставов различают две оси - вертикальную и горизонтальную, вокруг которых совершаются движения в трех плоскостях: сагиттальной, фронтальной и горизонтальной. По числу осей, определяющих функцию сустава, различают одноосные, двуосные и многоосные суставы. К одноосным относят блоковидные суставы: межфаланговые кисти и стопы, а также атлантоосевой сустав; в первых возможны движения вокруг фронтальной оси (сгибание, разгибание), во втором - вращение головы вокруг вертикальной оси. Примером двуосного сустава является эллипсовидный лучезапястный сустав, в котором возможно сгибание и разгибание вокруг фронтальной оси, отведение и приведение вокруг сагиттальной оси. К многоосным суставам можно отнести межпозвонковые суставы шейного, за исключение ПДС C_I-II, и поясничного отделов позвоночника. Схема движения в одноосных суставах отражена на рис. 3.27.

Амплитуда движений ПДС позвоночника (табл.3.3) зависит от пространственного расположения плоскостей суставов, бразованных отростками дужек позвонков, а также от высоты и эластичности межпозвонковых дисков. Величина наклона тел позвонков прямо пропорциональна квадрату высоты межпозвонкового диска и обратно пропорциональна квадрату площади поперечного сечения тела позвонка (правило Дурхшмессера). Высота межпозвонковых дисков является переменной величиной и зависит от состояния студенистого ядра. Что касается площади поперечного сечения тел позвонков, то в численном выражении (в квадратных миллиметрах) в шейном, грудном и поясничном отделах она составляет соответственно 225:640:784. Шейные позвонки, имея большую высоту дисков и сравнительно малую площадь поперечного сечения тел, обладают значительным углом наклона относительно друг друга. Это обстоятельство, а также выгодная своеобразная конфигурация межпозвонковых суставов обеспечивают большую подвижность шейного отдела позвоночника как в сагиттальной (сгибание, разгибание - 70°), фронтальной (наклоны в стороны - 35°), так и в горизонтальной (вращательные движения -80°) плоскостях. В функциональном отношении шейный отдел позвоночника делится на три части: верхнюю, среднюю и нижнюю.

При легком наклоне головы вперед участвуют сегменты С_III-С_VII, а при максимальном - C_I-С_II (нормальная амплитуда движения в этом положении составляет 20-25°). При отклонении назад из вращательного движения исключается краниовертебральное сочленение и в движении участвуют преимущественно C_V-C_VII сегменты. В нейтральном положении головы биомеханика движений такова, что поворот головы начинается с сегмента C_I-C_II. Лишь после поворота головы на 30° включаются суставы нижележащих сегментов. В грудном отделе соотношение высоты межпозвонкового диска и площади поперечного сечения тел позвонков выглядит гораздо менее выгодно и поверхности тел позвонков плоские, что ограничивает их подвижность относительно друг друга. Кроме того, вертикальное расположение суставных поверхностей отростков дужек во фронтальной плоскости значительно ограничивает вращательные движения. В грудопоясничном отделе позвоночника суставные отростки изменяют свое положение: они переходят из фронтальной плоскости в сагиттальную. В связи с тем, что здесь суставные поверхности дужек, как и в шейном отделе, устанавливаются в плоскости, представляющей сегмент круга, в поясничном отделе обеспечивается относительно большой объем движений во всех направлениях (сгибание, наклоны в стороны и ротации).

Табл.3.3