6.2.4 Средние
напряжения в костной ткани
В процессе функционирования живой
системы на ее органы и ткани могут воздействовать внешние силы всевозможных
направлений, величин и с разной продолжительности. Вектора порождаемых ими
потоков внутренних сил столь же многообразны по своим характеристикам. Строение
человека, особенности его функционирования как механической системы, социальная
активность, условия жизни, область обитания приблизительно постоянны.
Соответственно примерно постоянны и потоки внутренних сил в его теле, по
величине, продолжительности и времени действия.
Жестко определенное расположение
суставов, связок и мышц обеспечивают известное разнообразие движений, отдельные
из которых совершаются чаще других. К таковым можно отнести движения звеньев
человеческого тела, формирующие локомоторные акты. Первыми следует назвать движения,
связанные с ходьбой, как наиболее часто встречающимся видом локомоций. Во время
ходьбы на тело человека действует целый комплекс внешних сил. Это сила
гравитации, ускорения подвижных элементов, силы реакции опоры, силы
сокращающихся мышц, реакции связок, суставных поверхностей, аэродинамические
силы и ряд других. При обычной ходьбе указанные силы приблизительно постоянны.
Вследствие этого они порождают однотипные потоки внутренних сил. Так как ходьба
процесс динамический, возникающие при этом в тканях напряжения переменны во
времени, по величине и направлениям векторов. Тщательно анализируя механику
ходьбы, можно с достаточной точностью сказать, где и какие потоки внутренних
сил возникают, и какое они имеют направление.
Вместе с тем известно, что
напряжение в костях повышается в фазу опоры на конечность во время
передвижения. Когда же конечность зависает в воздухе, напряжения в кости
оказываются почти* равными нулю (Schatzker J.
et al., 1980).
Присутствие в кости напряжений даже в не опорную фазу, можно объяснить тем, что
некий их уровень поддерживается тонусом мышц.
В начале одноопорного периода
ходьбы основная нагрузка приходится на верхний сектор ГБК. При этом в
проксимальном конце бедра возникает поток внутренних сил, имеющий ориентацию
вниз-кнаружи-вперед. Этот же поток внутренних сил присутствует в конце
одноопорного периода и весь двуопорный период. Несмотря на то, что указанный
поток внутренних сил непостоянен (наблюдается не весь период двойного шага)
средние напряжения, возникающие при этом в проксимальном конце бедра,
наибольшие по величине. Сопоставляя строение проксимального конца бедра и
ориентацию рассматриваемого потока внутренних сил, можно отметить, что
анатомически ему соответствует первая система костных трабекул. Нагрузка на
верхний сектор ГБК непостоянна, она отсутствует в переносном периоде шага, а также
при некоторых других локомоциях и движениях. Следовательно, вполне логично
заключить, что первая система трабекул проксимального конца бедра результат
реакции кости именно на определенную величину средних напряжений конкретной
ориентации. Первую систему трабекул, на всем протяжении, практически под прямым
углом, пересекают менее тонкие трабекулы. Это объясняется тем, что величины
нормальных напряжений в данном потоке внутренних сил превалируют над
касательными и, вместе с тем, демонстрирует, что не только нормальные, но и
касательные напряжения значимы для тканей. Как можно заметить, живая система, в
данном случае кость, учитывает и ту, и другую составляющую полного среднего
напряжения, реагируя на обе.
Влияет ли отсутствие напряжений в
кости на ее внутреннее строение, ответ однозначен - да. Как известно в костной
ткани, в этом случае, наблюдаются процессы атрофии, остеопороза. Соответственно
при снижении напряжений должны запускаться процессы резорбции кости, а при их
повышении процессы созидания, в результате чего масса костного вещества
локально возрастает. Таким образом, возникновение трабекулярных систем
губчатого вещества или же компактного вещества, есть результат этих
разнонаправленных процессов, а сами трабекулы как опорные элементы,
адаптированы к средним напряжениям, их векторам и величинам.
Менее выражена вторая система
трабекул проксимального конца бедра, особенно ее медиальная часть. Она
начинается от нижневнутреннего сектора ГБК и, пересекая первую систему, следует
по дуге кнаружи - вверх входя в ШБК. Аналогичное направление имеет другой,
достаточно постоянный поток внутренних сил в ГБК, возникающий во время ходьбы.
В середине одноопорного периода шага, при активном участии СГБ, ТБС
преобразуется в рычаг второго рода. В этот момент ВВ опирается, как это ни
парадоксально, на нижнюю поверхность ГБК. Таз, воздействуя на ГБК, порождает в
ней поток внутренних сил с ориентацией вверх-кнаружи и переменным направлением
в горизонтальной плоскости. Общее время существования указанного потока
непродолжительно, только часть одноопорного периода шага. Следует отметить, что
нагрузка на нижний сектор ГБК падает только при специфических движениях и в
отдельных позах. Это особые виды одноопорного ортостатического положения,
кратковременные периоды шага, бега и некоторых прыжках. Соответственно величины
средних напряжений в этой области значительно меньше тех, что порождают первую
систему трабекул.
Различие в величинах средних
напряжений в нижнем и верхнем секторах ГБК как раз и объясняет то, что балочная
система более выражена во втором, чем в первом. Таким образом, можно
констатировать факт наличия зависимости количества костных пластинок от
величины среднего напряжения. Кость, изменяя количественные свои
характеристики, в том числе и таким путем, адаптируется к нагрузке. Также как и
первую систему трабекул проксимального конца бедра, вторую систему, под прямым
углом пересекают более тонкие костные балки. Что подтверждает сделанный вывод о
значимости не только нормальных, но и касательных напряжений, составляющих
полное напряжение.
Взаимодействие суставных
поверхностей в ТБС при опоре обуславливает нагрузку, как бедра, так и таза.
Сила реакции, с которой ГБК действует на ВВ, по закону Ньютона равна той, что
действует на ГБК со стороны ВВ. Соответственно при опоре на верхний сектор ГБК
в верхнем секторе ВВ возникает поток внутренних сил направленный
вверх-назад-внутрь. Его существование связано с потоком внутренних сил первой
системы трабекул. Оба появляются одновременно, существуют одинаковое время,
имеют одинаковую интенсивность. В связи с этим среднее напряжение в верхнем
секторе ВВ достаточно велико. Однако форма тазовой кости в этой зоне такова,
что площадь ее сечения увеличивается по мере удаления от суставной поверхности.
Закономерно, уменьшаются и величины действующих и средних напряжений. Также по
мере увеличения расстояния от сустава уменьшается выраженность трабекулярного
строения спонгиозной кости.
В предыдущих главах нами обращалось
внимание на зеркальное расположение первой системы трабекул проксимального
конца бедра и верхнего сектора ВВ.** Однозначно,
радиально ориентированные трабекулы верхнего сектора ВВ результат существования
подобно направленного потока внутренних сил. Именно он и является причиной
появления указанной системы трабекул, а уменьшение их толщины в направлении от
суставной щели связано с уменьшением величин средних напряжений. По мере
удаления от сустава менее выражены и концентрические трабекулы, пересекающие
те, что совпадают по направлению с векторами нормальных напряжений. Связано это
с тем, касательные напряжения их формирующие, также уменьшаются по величине.
Следует обратить внимание на то, что указанную систему трабекул формирует сила
реакции опоры. Уместно сделать еще один вывод, причина, породившая
воздействующую на биосистему механическую силу, не имеет принципиального
значения для возникновения изменений в ней.
В качестве доказательств
всеобъемлющего характера сделанного вывода, в качестве примеров можно привести
расположение трабекул нижнего сектора ГБК и тела и верхней ветви лонной кости,
вертикально ориентированных трабекул дистального конца бедра и проксимального
конца большеберцовой кости, дистального конца большеберцовой кости и блока
таранной кости… Перечень, который можно было бы составить достаточно велик.
Подтверждения сделанных выводов мы также находим в строении других органов и
тканей. Зеркальность расположения гиалиновых призм сопряженных суставных
поверхностей, сонаправленность волокон сухожилий, связок и трабекул участка
кости, к которой они прикрепляются…
Третья система трабекул
проксимального конца бедренной кости имеет вид расходящегося пучка, следующего
от основания малого вертела к основанию большого. Как уже ранее отмечалось,
третья система трабекул есть результат давления на большой ветрел
подвздошно-большеберцового тракта. Он огибает большой вертел сверху-снаружи,
контактируя с его латеральной поверхностью. При сокращении большой ягодичной
мышцы и мышцы, напрягающей широкую фасцию бедра, подвздошно-большеберцовый
тракт стремится выпрямиться, порождая давление на большой вертел. Данная сила
направлена сверху-вниз, снаружи-внутрь. Возникающий при этом поток внутренних
сил имеет аналогичное направление и сонаправлен третьей системе трабекул
проксимального конца бедренной кости. В соответствии с векторами нормальных напряжений,
возникающих здесь, и ориентируются трабекулы третьей системы. Однако, как и в
отношении обсужденных ранее первой и второй систем трабекул, рассматриваемый
поток внутренних сил непостоянен. Он возникает в начале и конце одноопорного
периода шага, а также присутствует в двуопорном периоде, но величина действующих
при этом напряжений существенно ниже. Напряжения в зоне третьей системы
трабекул существенно уменьшаются в середине одноопорного периода, а также при
переносе конечности. Существование третьей системы трабекул, также доказывает
то, что внутреннее строение кости есть результат приспособления именно к
средним напряжениям, а не к их максимумам или минимумам.
Как известно в области большого
вертела присутствует наименее выраженная четвертая система трабекул
проксимального конца бедренной кости. Она представляет собой параллельные пучки
костных балок, следующих от основания, вертела к вершине в направлении
снизу-вверх, снаружи-внутрь. К вершине и латеральной поверхности большого
вертела прикрепляется ягодичная группа мышц. Их сокращение вызывает растяжение
костной ткани вертела. Думается, что само появление большого вертела, как
костного выступа, в первую очередь обусловлено действием средней и малой
ягодичных мышц. Напряжение данных мышц обуславливает возникновение в большом
вертеле потока внутренних сил параллельного вектору действия мышц. Вектора
нормальных напряжений при подобном растяжении большого вертела совпадают с
ориентацией четвертой системы трабекул. Таким образом, не только напряжения,
возникающие при сжатии, формируют внутреннее устройство кости, но и те, что
возникают при растяжении. Действие их на кость приблизительно одинаково, и
принципиально не отличается в тех случаях, когда направление потока внутренних
сил не изменяется во времени, или изменяется незначительно. Ориентация
трабекул кости происходит в соответствии с направлением потока внутренних сил,
при этом их знак (растяжение это или сжатие) не имеет принципиального значения.
Ягодичная группа мышц включается в работу в начале и конце одноопорного периода.
Менее выражено ее действие в двуопорном периоде, и не наблюдается в периоде
переноса ноги. Как видно данный поток внутренних сил непостоянен во времени, а
возникающие напряжения также переменны, как и другие потоки внутренних сил в
проксимальном конце бедра. Вследствие того, что ягодичная группа мышц
функционирует ограниченное время, порождаемые ею средние напряжения не велики,
и это можно считать объяснением слабой выраженности на рентгенограммах
четвертой системы трабекул.
Трабекулярная структура губчатой
кости под влиянием растягивающих сил формируется и в других областях костной
системы. В частности, латеральную часть второй системы трабекул проксимального
конца бедренной кости, можно рассматривать как результат действия средних
напряжений, появляющихся здесь при изгибающей нагрузке, действующей на ШБК.
Таковая растягивающая сила возникает при давлении на ГБК и присутствует во все
периоды шага, за исключением переносного.
Другой пример – продольные
трабекулы надколенника, хорошо заметны при его рентгенографии в боковой
проекции. Эта же проекция выявляет наличие вертикально ориентированных трабекул
в области бугристости большеберцовой кости. Их оси совпадают с направлением оси
связки надколенника, а значит и действием силы ее реакции, растягивающей
костную ткань в данной зоне и обуславливающей появление костного выступа.
Ранее отмечалось, что в области
проксимального конца бедренной кости, периодически напряжения падают
практически до нуля. Это наблюдается не только в покое, но даже при локомоциях.
Ткани живых систем способны реагировать на наличие напряжений, в частности,
наблюдается формирование трабекулярной системы спонгиозной кости в соответствии
с направлениями потоков внутренних сил и их величиной. Если ткани реагируют на
повышение напряжений в них, то неизбежна их реакция и на снижение напряжений.
Замечено, что в норме кости лишены
острых углов в области, которых возможна была бы концентрация напряжений.*** Наличие ячеек в
спонгиозной кости, с нашей точки зрения, приспособление, направленное не только
на уменьшение массы кости. Оно позволяет уменьшить, масштабные разрушения кости
при появлении микротрещин. Ибо в области костных ячеек концентрация напряжений
на конце возникшей микротрещины будет нивелирована.****
В проксимальном конце бедренной
кости, прежде всего, рентгенологически, выявляется две зоны, в которых
концентрация трабекул снижена. Это так называемые «слабые места» ШБК –
треугольник Уорда (Ward) и участок Вольфа (Wolff) (Мирзоева И.И. и соавт., 1976).
Данные зоны ограничиваются системами трабекул проксимального конца бедренной
кости. В этих «слабых местах» присутствует относительно разряженная спонгиозная
костная ткань, не имеющая четко определенной структуры. Костные балки там
ориентированы хаотично, а их количество меньше, чем в области трабекулярных
систем. «Слабые места» проксимального конца бедренной кости есть не что иное,
как области, которые минуют основные потоки внутренних сил, возникающие в ней.
Поэтому в этих зонах средние напряжения существенно ниже, чем в окружающей
костной ткани. Однако говорить, что какие-либо средние напряжения в
треугольнике Уорда и участке Вольфа отсутствуют неправомерно. Проходящие рядом
основные потоки внутренних сил, несомненно, вызывают в них некоторое повышение
уровня напряжений. Отдельные статические положения, а также некоторые
локомоторные акты порождают потоки внутренних сил, непосредственно проходящие
через означенные области бедренной кости. Так в позе «лежа на боку» опора тела
осуществляется, в том числе и на большой вертел. Вследствие чего в
проксимальном конце бедренной кости появляется поток внутренних сил,
направленный по оси ШБК, обусловленный силой сжатия костного вещества.
Аналогичный поток внутренних сил возникает при одновременном напряжении мышц антагонистов,
обеспечивающих прижатие ГБК к ВВ, например, отводящих и приводящих, или
супинаторов и пронаторов. Подобные нагрузки обычно кратковременны. Все это
обуславливает низкие величины средних напряжений в области треугольника Уорда и
участка Вольфа. С этим и связано то, что количество трабекул и соответственно
масса костного вещества в них незначительна. Разнонаправленные же потоки внутренних
сил, проходящие через данные зоны кости, объясняют хаотичный характер
расположения в них трабекул.
Другим
примером влияния низких средних напряжений на костное вещество может служить
костномозговой канал трубчатых костей. С точки зрения механики диафизы костей
полые стержни - трубки. Анализ распределения касательных напряжений в сечении
стержня при кручении показывает, что в его центре на напряжения равны нулю. По
мере удаления от центра величина касательных напряжений растет. Аналогичная
картина наблюдается при изгибе стрежня. В области нейтральной или нулевой
линии, приблизительно совпадающей с центральной осью, напряжения отсутствуют.
Выше ее наблюдается зона растяжения, ниже сжатия, при условии прочной заделки
одного из концов и действии только силы тяжести (Александров А.В. и соавт.,
1995).
Несмотря на то, что, на трубчатые
кости воздействуют крутящие и изгибающие силы, основное их предназначение
противодействие сжатию вдоль длинной оси. Расчет критической силы способный
привести к деформации сжатого по оси стержня, возможен с использованием формулы
Эйлера. Так как диафизы костей, как правило, изогнуты, можно говорить об их
изгибной форме равновесия. Известно, что критическая сила прямо пропорциональна
изгибной жесткости стержня, в данном случае диафиза, и обратно пропорциональна
квадрату его длинны. Изгиб происходит в соответствии с волной синусоиды, что и
наблюдается в отношении диафизов костей. До тех пор, пока стержень не
деформирован, его изгибающий момент равен нулю, а напряжения в сечении
распределены равномерно. Чем больше сжатие по оси кости, тем толще должны быть
ее стенки, тем меньше диаметр сечения костномозговой полости. Это справедливо
при условии, что свойства костной ткани одинаковы при разной величине
действующей силы. Однако уменьшение диаметра костномозгового канала не
оптимально, так как костное вещество, расположенное в центре, не участвует в
противодействии изгибу и кручению. Живой системе гораздо выгоднее иметь больший
диаметр поперечного сечения диафизов при соразмерно большом диаметре костного
канала. Масса пустотелого диафиза, существенно меньше монолитного при
одинаковой прочности, а это соответственно уменьшает затраты энергии и вещества
на создание кости. Отсутствие костного вещества внутри диафиза, не абсолютно. В
костномозговом канале все-таки имеется небольшое количество губчатой кости в
виде единичных трабекул. Таким образом, полую конструкцию диафизов можно
объяснить низкими величинами средних напряжений в этой области. Губчатое же
вещество в костномозговом канале - результат эпизодически возникающих здесь
потоков внутренних сил при нетипичных нагрузках, и вследствие изгиба кости.
Следствием уменьшения среднего
напряжения в костной ткани является уменьшение костной массы. В частности, это
наблюдается при длительной иммобилизации конечности или сегмента, гиподинамии,
пребывании в невесомости, парезах и параличах, уменьшении массы мышц. Реакция
кости хорошо видна на рентгенограммах в виде остеопороза – уменьшении толщины
компактного слоя костей, разрежении спонгиозного вещества. Болевой синдром при
отдельных заболеваниях и травмах конечностей, вызывающий непроизвольное
снижение тонуса мышц, приводит к тому же эффекту.***** Атрофия альвеолярных отростков и
самих челюстей после экстракции зубов, то же результат снижения средних
напряжений в костной ткани.
Адаптация ГБК к основным потокам
внутренних сил нами рассмотрена ранее. Вместе с тем ГБК в процессе
функционирования периодически нагружается атипично. Так принимая
ортостатическое положение из положения сидя, ВВ таза вначале опираются на
передний сектор ГБК. Он, в отличие от нижнего и верхнего сектора, не имеет
мощной трабекулярной системы. В данной области ГБК отмечается наличие лишь
обычной, ничем не примечательной спонгиозной кости. Это несмотря на то, что
нагрузка, которая воздействует на передний сектор ГБК при вставании, никак не меньше,
чем та, что приходится на верхний сектор в двуопорном ортостатическом
положении. Напряжение в переднем секторе может быть еще выше, если приседать
только на одной ноге. Оно соизмеримо с тем, что действует в ГБК в одноопорном
ортостатическом положении. Если адаптация костной ткани происходит к
максимальным напряжениям, то в переднем секторе должна бы присутствовать
собственная трабекулярная система. Ее отсутствие очередной раз подтверждает,
что строение органа и ткани соответствует именно средним напряжениям.
Действительно, в обыденной жизни садиться и вставать требуется не столь часто
как совершать шаги. Поэтому суммарная нагрузка на передний сектор ГБК, а, следовательно,
и средние напряжения в нем, существенно меньше, чем в верхнем и нижнем секторе.
Сравним с ним уровень средних
напряжений в заднем секторе ГБК. Он нагружен, почти исключительно в положении
сидя****** или лежа на спине. Ну, может быть, еще в каких-то экзотических позах
хатха-йоги. В положении сидя и лежа ГБК опирается своим задним сектором на
задний или нижний сектор ВВ. При этом, ГБК на ВВ воздействует с силой равной
немногим более веса проксимального конца бедренной кости. Отсюда можно
заключить, что величина средних напряжений небольшая. В положении лежа и сидя
мы пребываем не меньше 10 часов.******* Значительная по величине нагрузка на задний сектор ГБК не действует, но
продолжительное ее давление на ВВ с небольшой силой, обуславливает достаточный
уровень средних напряжений. Как в отношении переднего, так и заднего сектора,
величины средних напряжений в них недостаточно для формирования собственной
трабекулярной системы. Вместе с тем его хватает, чтоб в этих областях ГБК
возникла и существовала спонгиозная костная ткань.
Известно, что в области контакта
кости и сухожилий на поверхности первой, зачастую, формируется борозда - продольное
углубление, по форме соответствующее сухожилию. Борозды тем глубже, чем больше давление,
создаваемое сухожилиями. Как правило, они возникают в области суставных концов
костей, то есть там, где сухожилие периодически изменяет свой ход. Также
периодически давление сухожилий на кость то усиливается, то уменьшается в
зависимости от угла поворота сочленяющихся костей и напряжения мышц.
Возникающие при этом в кости напряжения оказываются непостоянными по величине,
то возрастают, то, снижаясь до нуля. При сохранении одинаковой физической
формы, двигательной активности, подвижности в суставах средние напряжения в
области контакта кости и сухожилий приблизительно постоянны. Они здесь выше, чем
в соседних участках кости. Именно к ним и адаптируется костная ткань.
Приспособление кости тем или иным образом должно уменьшить эти повышенные
средние напряжения до приемлемого значения. Это может достигаться, в том числе,
и углублением борозды сухожилия на кости. Чем глубже борозда, тем меньше
действующие и средние напряжения. Приведенное наблюдение еще раз свидетельствует
о том, что адаптация кости происходит не к максимальным напряжениям,
возникающим в ней. В противном случае сухожилие бы просто рассекало кость, либо
кость в месте контакта приобретала особые прочностные характеристики. Например,
значительно утолщался бы компактный слой, чего в норме не наблюдается.
Сухожилия периодически с достаточно
значительным усилием воздействуют на расположенную рядом с ними кость. Ткань
сухожилий имеет твердость соизмеримую с твердостью кости, хотя и уступает ей.
Несмотря на это, на кости образуется контактная борозда. Более того, известно,
что контакт кости с кровеносным сосудом или нервом приводит к таким же результатам
- на кости формируется продольное углубление. Так соприкосновение с плечевой
костью локтевого и лучевого нерва обуславливает наличие соответствующих
углублений – борозды локтевого и лучевого нервов. Как видно воздействие на
кость и значительно более мягких образований все равно приводит к изменению
формы кости. Объяснением тому, как нам думается, является также адаптация кости
к локальным средним напряжениям. Постоянное давление, пусть и с незначительной
силой обуславливает больший уровень средних напряжений, чем лежащая рядом мышца,
сокращающаяся только периодически. Отдельные движения руки приводят к натяжению
нервных стволов и сосудистых образований. В частности, локтевой нерв, снизу
огибая проксимальный конец плечевой кости, натягивается при сгибаниях в
локтевом суставе. Лучевой же нерв, огибая диафиз в средней трети, натягивается
во время движения руки в плечевом суставе вверх-внутрь. Первый, прижимаясь к
проксимальному концу плеча, а второй к наружной поверхности диафиза
воздействуют на кость с некоторой силой. Величина ее не может быть
значительной, так как нервная ткань не приспособлена к выполнению механических
функций. Тем не менее многократное повторение описанных движений в процессе
трудовой и бытовой деятельности, а также ходьбе, приводят к тому, что средние
напряжения в костной ткани, контактирующей с нервами соизмеримы с теми, что
существуют в области борозд сухожилий. Интересно отметить, что сгибание в
локтевом суставе – движение, более часто повторяемое, чем сгибание-приведение в
плечевом суставе. Соответственно порождаемые давлением локтевого нерва средние
напряжения в кости больше тех, что возникают от давления лучевого нерва.
Анатомически это проявляется в большей глубине борозды локтевого нерва. Также
как и в отношении сухожилий, кость, приспосабливаясь к возникающим в ней
локальным напряжениям, стремится их уменьшить. Это достигается возникновением
борозд и их постепенным углублением.********
Противоположностью углублениям на
поверхности кости являются возвышения. К таковым можно отнести бугорки,
бугристости, вертелы, шероховатости, отростки, гребни. На бедренной кости наиболее
заметные возвышения — это большой и малый вертел. Каждое из означенных
образований является областью прикрепления достаточно мощных мышц. При их
сокращении, в костной ткани, образующей вертелы, возникают потоки внутренних
сил параллельные оси мышц. Сокращающаяся мышца стремиться растянуть костную
ткань в направлении вектора своей тяги. Как уже было ранее отмечено, действие
растягивающих сил формирует в соответствии с их потоками трабекулярные системы,
наличие которых есть результат адаптации кости к определенному уровню средних
напряжений и направлений потоков внутренних сил. Вместе с тем сами вертелы есть
результат адаптации кости к локальному повышению величин средних напряжений.
Мышцы работают в периодическом режиме, соответственно уровень порождаемых ими
действующих напряжений изменяется от нуля, до некого максимального значения.
Периоды покоя сменяются периодами взрывного повышения напряжений, среднее же
напряжение остается достаточно стабильным, так как образ жизни, место обитания
относительно постоянны. «С целью» понизить величину среднего напряжения в
области прикрепления мышцы, ее сухожилия или связки, на кости появляются
возвышения. За счет возвышений, увеличивается площадь прикрепления сухожилия
или связки, а также увеличивается объем кости. Соответственно при действии
одинаковой по величине силы на ровную поверхность кости и костный выступ,
уровень средних напряжений на поверхности и внутри последнего будет меньше. Это
объясняется тем, что воздействующая сила распределяется на большую площадь поверхности,
и больший объем. Чем больше площадь поверхности и размеры костного образования,
тем меньше действующие и средние напряжения в нем.
Кроме этого, появление костных
возвышений позволяет сблизить области крепления мышцы или связки. Уменьшение
расстояния между точками фиксации влечет за собой снижение действующего
напряжения, как в костной ткани, так и в связке или мышце. Сближение точек
фиксации возможно за счет движения в суставах и возникновением возвышения в
области прикрепления. Первый путь энергозависим, требует сокращения мышц,
снижение напряжений подобным способом уменьшает объем движений в суставе, и не
может без ущерба для мышцы действовать длительно, ибо наступает утомление. Второй
путь более предпочтительный и оптимален для снижения уровня именно средних
напряжений. Он не требует дополнительных затрат энергии, несущественно
уменьшается объем движений в суставе, не наступает мышечного утомления, а
потому данный механизм может действовать неограниченно долго.
Возникновение на поверхности кости
выступов и впадин, организация трабекулярных систем губчатой кости и ориентация
остеонов компактной кости, не исчерпывают способы адаптации костной ткани к
среднему напряжению в ней. Общеизвестно, что кости имеют полости и отверстия.
Одну из полостей – костномозговой канал трубчатой кости мы уже рассмотрели.
Примером других полостей, формирующихся под непосредственным влиянием
действующих в кости напряжений являются воздухоносные полости черепа.
Выдыхаемый легкими воздух, следуя по дыхательным путям, попадает в
воздухоносные полости – верхнечелюстную, лобную, клиновидную пазухи, ячейки
решетчатого лабиринта, а по мышчно-трубному каналу в барабанную полость и
ячейки сосцевидного отростка. Давление воздуха в них напрямую зависит от
мощности сокращения дыхательной мускулатуры. Чем больше развиваемое ими
давление и больше емкость легких, тем больше напряжение в стенках перечисленных
полостей. Дыхание - процесс периодический, достаточно автоматизированный, а
потому минимальная и максимальная нагрузка на стенки полостей в покое примерно
одинаковы. Соответственно приблизительно постоянны и средние напряжения в
костной стенке воздухоносных полостей. Одним из путей уменьшения величин
средних напряжений является увеличение площади их внутренней поверхности. За
счет этого сила, с которой поток воздуха давит на стенки, распределяется на
большую поверхность. Возникающие в них растягивающие усилия и напряжения уменьшаются.
Данная точка зрения подтверждается тем, что размер воздухоносных полостей
увеличивается с возрастом, по мере того как увеличивается сила дыхательных мышц
и объем легких. Именно как адаптация к возрастающим средним напряжениям в
костной ткани наблюдается увеличение размеров воздухоносных полостей.
Нагнетаемый в полости воздух постепенно расширяет их, так, как если бы они были
из пластичной ткани. Если бы костная ткань приспосабливалась к максимальным напряжениям,
то вполне возможно, что воздухоносные полости были бы соизмеримы с размерами
самого черепа. Здесь же наблюдается и другой вариант приспособления костной
ткани к повышенным средним напряжениям. Стенки воздухоносных полостей образуют
пластинки из компактного вещества костной ткани, более прочного, чем
спонгиозное вещество.
Отверстия в костях формируют, как
правило, сосуды и нервы. Пульсация сосудистой стенки, определенное давление
внутри него, некоторое натяжение и смещение сосудисто-нервных образований оказывает
на близлежащую кость незначительное по силе воздействие. Однако его постоянное
присутствие обуславливает достаточно значительную величину средних напряжений в
кости. Дабы снизить их в областях, где они слишком велики, костная ткань
исчезает – образуются отверстия или глубокие вырезки. Отсутствие кости — это
отсутствие запредельных средних напряжений, а заодно и уменьшение давления на
сосудисто-нервные пучки.
Таким образом, костная ткань
адаптируется к средним напряжениям. Это достигается посредством изменения
формы, размеров, объема и внутреннего строения костного органа. Приспособление
происходит в соответствии с величиной средних напряжений, направлением потока
внутренних сил, динамикой их изменений. При этом неважно растягивающими или
сжимающими силами порождены средние напряжения. Также не существенно, какие
величины возникающих напряжений суммируются - редкие большие или частые
маленькие. Хаотичные ударные нагрузки, эпизодически возникающие потоки
внутренних сил или однократные подъемы уровня напряжений «погоду не делают» и
практически не отражаются на величинах средних напряжений. Именно поэтому кость
не реагирует на них своей перестройкой, что позволяет говорить о некой
индуктивности костной ткани. Не порождают перестройку кости и редкие травмирующие
нагрузки. Если уровень действующих напряжений превосходит предельно допустимый,
кость разрушается, не успевая к ним приспособиться.
Думается, что адаптация тканей
происходит к средней интенсивности каждого из потоков внутренних сил,
проходящих через данную точку. Костная ткань приспосабливается к средним
напряжениям, при этом трабекулы губчатого вещества и остеоны компактного
вещества ориентируются в соответствии с потоками внутренних сил. В зависимости
от их направлений изменяется, и внешняя форма кости, при сжатии возникает
углубление, при растяжении - выступ. Повышение средних напряжений в кости
влечет за собой упрочнение ее внутренней структуры – утолщение, концентрация
трабекул, появление компактного вещества. Уменьшение же средних напряжений обуславливает
уменьшение прочности кости, атрофические явления в ней. Именно средние
напряжения определяют геометрические, и механические параметры кости, ее
внутреннее строение.
* Курсив наш – С.А.
** С нашей точки зрения «целующиеся кисты» при коксартрозе и трабекулярные системы
данной зоны инициирует механический фактор.
*** Думается, что появление краевых остеофитов при артрозе, есть не что иное, как
отражение концентрации напряжений в данных областях.
**** Возникновение костных
кист при артрозе мы рассматриваем, как компенсаторный процесс, позволяющий
нейтрализовать явление концентрации напряжений в костной ткани, по всей
видимости, костная киста начинает формироваться на конце микротрещины.
***** Речь идет о так называемом синдроме Зудека.
****** Например, в положении
«нога-на-ногу» происходит замыкание ТБС посредством СГБ, при этом задний сектор
ГБК прижимается к нижнему сектору полулунной поверхности ВВ.
******* Данная цифра складывается из порядка восьми часов сна, положении сидя во время приема пищи, в общественном транспорте, или в собственном автомобиле, за работой, если она сидячая, периода отдыха работе, дома за газетой или телевизором.
******** Расположенная близ кости и соприкасающаяся с ней аневризма крупного сосуда,
киста, опухоль также приводит к появлению на поверхности кости углубления, что
указывает на единую реакцию кости на средние напряжения, как в норме, так и при
патологии.
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
Биомеханика и морфомеханика