Рассуждение о морфомеханике. 6.1.10 Взаимоотношение формы и функции кости

  

6.1.10 Взаимоотношение формы и функции кости

Нагрузка, воздействующая на кости, приводит не только к изменению их внутренней структуры, но и формы. Это подмечено значительным числом исследователей. Обращено внимание что, изменение формы кости может быть результатом повышения нагрузки. Вместе с тем формирование костной системы и в норме есть следствие воздействия механических сил.

«В.Н.Проценко (1872) на основании изучения распилов костей обосновал значение функционального фактора в костной структуре, показав, что балки и перекладины располагаются в костях соответственно силе сопротивления и растяжения». Как форма, так и структура костей зависит «…в значительной степени от рода и характера механических влияний на них, к которым, прежде всего, следует отнести направление и силу давления, направление и силу мышечного напряжения, давление смежных образований». «Если кость лишена нормальной нагрузки, то ее структура резко изменяется: компактное вещество, теряет свой плотный рисунок, становится более губчатым, губчатое вещество разрежается, сама кость уменьшается в толщине, атрофируется». Примеры влияния функции на развитие кости, на ее структуру позволило Roux, Wolf и другим «…создать теорию казуального гистогенеза кости, теорию превалирующего значения функционального фактора в развитии кости» (Дьяченко В.А., 1954).

Изучение напряжений в проксимальном конце бедренной кости с помощью фотоупругих моделей показывает, что плотность спонгиозного вещества грубо соответствует величинам эффективных напряжений. Имеется явная корреляция между количеством и геометрией спонгиозной кости с одной стороны и распределением напряжений с другой (Pauwels F., 1980).

«Средние силовые и временные характеристики выполняемой в течение суток физической работы определяют индивидуальный функциональный стереотип, по отношению к которому и устанавливается межорганное анатомо-функциональное соотношение». Отмечается тесная связь кровоснабжения и регенерации кости, а кровоснабжение координирует течение репарации (Омельяненко Н.П. и соавт., 1997).

Carter et al. (1987), Huiskes et al., (1987), Beaupre et al., (1990) предположили, что плотность костной ткани находится в зависимости от некого усредненного напряжения. Согласно их теории, значение имеет величина стимула ежедневного напряжения. Он определяется количеством циклов специфической нагрузки, для определенной области кости обуславливая «эффективное напряжение» (Martin R.B. et al., 1998).

Как известно «…кости, мышцы и связочный аппарат дополняют друг друга в функциональном отношении и противостоят деформирующему действию силы тяжести». На формирование костей оказывают влияние мышцы, фасции, апоневрозы, изменяя форму костей. Процессы созидания и разрушения в кости происходят в течение всей жизни (Рубашева А.Е., 1961).

Замечено, что, и размеры близлежащих костей находятся в определенной зависимости. Так Гафаров Х.З. и соавт. (1984) изучали таз и бедренную кость, их размеры, форму, положение. Было обнаружена пропорциональная зависимость развития проксимального отдела бедренной кости и размеров костей таза.

Возникает закономерный вопрос, имеется ли такая связь между другими смежными костями ОДС. Будет ли происходить изменение формы одной кости, если в онтогенезе, по какой-либо причине изменилась форма другой, или же часть ее была утрачена. Изменение кинематической схемы конечности, с нашей точки зрения, несомненно, приведут к изменению направлений и величин, воздействующих на кости сил, со всеми вытекающими из этого последствиями…

«Резкие нарушения условий распределения нагрузки в костях приводят к возникновению зон концентрации напряжений. На участках повышенного напряжения изменения в кости начинаются остро с возникновения репаративной реакции, которая проявляется периостальными наслоениями и склерозом. Развивается патологическая перестройка, спонгиозация компактной кости и надломы (Антипова А.А., 1978).

И.С.Рухман (1977) наблюдал искривление костей в участках с наибольшей нагрузкой. Обращено внимание на то, что «…переменное силовое воздействие оказывает более выраженное влияние на трансформацию формы растущей кости по сравнению с постоянными» (Омельчук В.П., Струтинский Я.И., 1993).

«Процесс адаптации вновь образованных отделов конечности к механическим нагрузкам происходит относительно медленно. Стимулом для перестройки тканей стопы являются нагрузка вызывающая, по Г.А.Илизарову «…генез тканей под воздействием возникающих в них механических напряжений» (Щуров В.А., 1986).

«Переменная нагрузка, и, прежде всего регулярная ходьба, совершенно необходимы для нормальной жизнедеятельности кости». Подвергаясь «…знакопеременному воздействию деформирующих напряжений, объем костных каналов меняется (кость деформируется – сжимается и растягивается)» (Плоткин Г.Л., 1993).

«Функциональная нагрузка является, по сути, единственным формообразующим фактором, приводящим к органной перестройке костного регенерата, так как кость создана движением и живет для движения» (Девятов А.А., 1990).

С.М.Кутепов и соавт. (1996) отмечали, что «…осевая нагрузка формирует костные балки в тазовых костях в зависимости от сил напряжения и сжатия».

«Форма, размеры, внутренняя структура, рельеф костей взрослых в основном обусловлена функциональной деятельностью». Физиологическая перестройка протекает на протяжении всей жизни организма и включает физиологическое развитие, в основе которого лежат резорбция и аппозиция (созидание). Отмечено, что повышенная функциональная нагрузка приводит к нарушению биохимических, биофизических процессов в кости, изменение систем сбора и передачи информации, управления, реализации, направленные на устранение возникшего или развивающегося патологического состояния. Это приводит к нарушению обмена, при этом может нарушаться и кровообращение (Богоявленский И.Ф., 1976).

При моделировании перегрузки А.Т.Бруско (1990) установил, «…что функциональное перенапряжение кости вызывает периостальное и эндостальное костеобразование…» приводящее к локальному утолщению диафиза.

У В.П.Логина (1990) читаем «как известно, интенсивная физическая нагрузка вызывает качественные и количественные изменения спонгиозной костной ткани позвонков – образование оптимальной структуры, увеличение массы и минерализации».

Общеизвестны изменения в костях под влиянием функциональной перегрузки. Они выражаются в неравномерном утолщении кортикального слоя трубчатых костей на ограниченном участке за счет эндостальных и периостальных наслоений. Спонгиозирование кортикального слоя в зоне репаративной реакции может сопровождаться надломом кости. Подобные репаративные реакции начинаются в зонах концентрации напряжений вследствие местных нарушений кровообращения (Стецула В.И. и соавт., 1974).

Вместе с тем условия гиподинамии задерживают рост трубчатых и плоских костей, они становятся легче, уже, короче. Нарушается процесс оссификации, расширяется костномозговой канал. Условия гипердинамии наоборот стимулируют рост, кости становятся толще длиннее шире (Никитюк Б.А., Коган Б.И., 1974).

Экспериментальное исследование свойств кости показало, что при гиподинамии уменьшается ее плотность, зольность и минеральная насыщенность, снижается ее прочность. Несмотря на снижение прочности костной ткани, ее упругие свойства не изменяются. Функция противодействия земной гравитации обеспечивает сохранение кости как достаточно полноценной механической системы даже при ограничении двигательной активности. Ликвидация данной функции приводит к развитию остеопороза и снижению прочностных характеристик (Ступаков Г.П. и соавт., 1979).

Продолжительная динамическая нагрузка способствует увеличению абсолютной массы костей, статическая же нагрузка не оказывает отчетливого стимулирующего влияния (Антонов С.Г., 1977). Вместе с тем физические нагрузки не вызывают изменений качественного состава костной ткани. Под влиянием физических нагрузок увеличивается минеральная насыщенность кости, а размер кристаллов уменьшается, что обуславливает большую прочность. При статической нагрузке наблюдается более направленная ориентация кристаллов кости (Антонов С.Г., Смородин Т.П., 1978).

«Функциональная нагрузка, с одной стороны, стимулирует костеобразование…, а с другой стороны, будучи чрезмерной или, превышая физиологический уровень, может и угнетать остеогенез и задерживать развитие кости» (Илизаров Г.А. и соавт., 1982).

Многочисленные исследования показывают, что у лиц, занимающихся спортом, костная масса превышает средние показатели. Это приводит к выводу о том, что физическая нагрузка приводит к увеличению массы костной ткани, как локально, так и генерализованно. И, наоборот, при иммобилизации, параличах, уменьшении мышечной массы, и силы мышц наблюдаются явления остеопении (Ревелл П.А., 1993).

У В.А.Богданова (1976) находим - «…формообразование скелета человека также как формы опорных структур у других земных организмов, связана с их функциональным назначением (у человека в основном с прямохождением и приспособлением к трудовой деятельности), причем рост и количество костной ткани зависит от величины среднего напряжения в кости – принцип Вольфа (1892) … а форма, размеры, и местоположение костей в скелете таковы, что они наиболее эффективно противодействуют нагрузкам… (Frost 1964, 1967)». Автором отмечено, что костные пластинки в кости направлены по линиям действия главных нагрузок, причем костные пластинки двух смежных костей как бы продолжают друг друга через сустав.

Если в двух смежных костях, разделенных между собой синовией и хрящами костные пластинки сонаправлены можно предположить, что существует некий фактор, ориентирующий костные балки проникающий через суставную щель. На эту роль более всего подходит механический фактор. Однако остается неясным, какие силы статические или динамические имеют большее значение для формирования кости.

В.П.Омельчук, Я.И.Струтинский (1993) отмечали «…что переменные силовые воздействия оказывают более выраженное влияние на трансформацию формы растущей кости по сравнению с постоянными».

С точки зрения Х.З.Гафарова (1984) процесс физиологического торсионного развития сегментов нижней конечности зависит только от деятельности мускулатуры в динамике и статики.

Экспериментально установлено, что морфогенетическое значение в процессе роста кости имеют статическое и динамическое функциональное напряжение, энергия роста кости, биомеханическое взаимодействие между костями и окружающими мягкими тканями. Отмечено, что наличие противодействующих сил приводит к замедлению роста кости (Koster D., 1986).

В то же время отдельные авторы считают, что рост есть результат влияния нервной и эндокринной системы. Так М.Г.Дудин (1993) пишет по отношению к костной части позвоночника, что его рост «…находится под влиянием двух директивных систем: нервной и эндокринной».

При исключении нагрузки, в костной ткани конечностей отмечаются признаки остеопороза с постепенным исчезновением мелких балок спонгиозной кости и общего ее количества в метафизарном отделе, истончением компактного слоя, а также расширение медулярной полости и уменьшение поперечника кости. Повышенная функциональная нагрузка также приводит к резорбции костной ткани и ее очаговой перестройки. При моделировании перегрузки кости отмечено утолщение кортикального слоя и поперечника кости, вместе с тем в ряде случаев «…наступал усталостный перелом … в зоне концентрации чрезмерной механической нагрузки» (Оноприенко Г.А., 1993).

«При длительном обездвиживании, особенно конечностей, явления остеопороза становятся практически необратимыми, наступает регрессивная трансформация кости» (Минеев К.П., 1993). Моделирование гиподинамического состояния оптимально в космосе. С.А.Гозулов, Н.И.Фролов (1969) отмечали, что в условиях невесомости при космических полетах происходит декальцинация костей (Слуцкий Л.И., 1971). Минерализация костной ткани снижается после пребывания в космосе так, как и при гиподинамии «…в условиях невесомости процесс деминерализации начинается рано и быстро прогрессирует» (Красных И.Г., 1974).

Согласно данным Vogel et al., (1977), Morey, Baylink (1978) состояние невесомости приводит к уменьшению массы кости и замедлению ее роста. Кроме этого, Spengler et al., (1979) отметили, что после пребывания в невесомости уменьшается прочность кости, и ее способность поглощать энергию (Currey J., 1984).

Так при изучении костной массы космонавтов Gemini-Titan® IV и V было отмечено, что происходит ее потеря от 20 до 25% после 8 и 14 дней пребывания в космосе. Это было приписано снижению мышечного тонуса при отсутствии гравитации. При выполнении изометрических и изотонических упражнений в последующих полетах потеря костной массы фактически предотвращалась. Восстановление прочности кости после возвращения к нормальному функционированию - более медленный процесс, чем ее резорбция. Это указывает на то, что реакция кости на механическое напряжение связана с электромеханическими свойствами костной ткани. Подобные явления наблюдаются и при иммобилизации конечности внешними устройствами (Williams D.F., 1982).

Нагрузка влияет не только на кости присутствующие в норме, но и оссификаты возникающие при патологии. «При внесуставных анкилозах костная перемычка между двумя костными сегментами испытывает напряжения силовых полей динамической нагрузки, приобретает строение, приближающееся к строению скелетной кости. В большинстве же случаев оссификаты, находясь вне функциональной нагрузки, претерпевают более или менее значительные дистрофические изменения» (Корж А.А., 1963).

 

««назад || СОДЕРЖАНИЕ КНИГИ || вперед»»

                                                                     

Автор:

Архипов С.В. – С.В. Архипов-Балтийский является псевдонимом, который использовался до начала 2006 года с целью более точной дифференцировки на научном поле.

Цитирование:

Архипов-Балтийский СВ. Рассуждение о морфомеханике. Норма. В 2 т. Т. 1. Гл. 1-4. - Испр. и доп. изд. Калининград, 2004. [aleph.rsl.ru]

Архипов-Балтийский СВ. Рассуждение о морфомеханике. Норма. В 2 т. Т. 2. Гл. 5-6. - Испр. и доп. изд. Калининград, 2004. [aleph.rsl.ru]

Примечания:

Первая крупная публикация автора, посвященная морфомеханике живых систем, биомеханике пояса нижних конечностей и связки головки бедра, ligamentum capitis femoris (LCF).

Ключевые слова

ligamentum capitis femoris, ligamentum teres, связка головки бедра, анатомия, морфомеханика, биомеханика

СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Биомеханика и морфомеханика