3.14.10 Формообразование тазобедренного сустава
Прижатие ГБК к ВВ,
обеспечиваемое мышцами, порождает вектор силы, направленный к средней линии
тела. При этом в ГБК и ВВ закономерно возникают потоки внутренних сил,
сонаправленные результирующей силе действия мышц – антагонистов. В
эмбриональном периоде ГБК и ВВ образованы мезенхимой, а затем хрящевой тканью.
Под влиянием хаотичных мышечных сокращений, постоянно присутствующего мышечного
тонуса, мезенхимальные и хрящевые модели элементов ТБС неизбежно деформируются
как пластичные. Общеизвестно, что сжатие является одним из факторов,
способствующих трансформации мезенхимальных клеток в хондроциты (Шапошников
Ю.Г. и соавт., 1994). Именно сжатие следует считать основной причиной появления
хрящевых моделей бедра и таза на месте их мезенхимальных зачатков.
По данным К.Ф.Беркгаут (1956)
началу процесса дифференцировки однородной мезенхимы почек конечностей на
скелетные и мышечные закладки, предшествует появление крупных нервных стволов.
Формирование зрелых мышечных волокон начинается с конца второго месяца развития
эмбриона. Появление поперечной исчерченности относится к началу третьего месяца
внутриутробного развития (35 мм длины эмбриона). Отмечается также, что «нервные
волокна в формирующейся конечности дифференцируются раньше, чем скелетные и
мышечные элементы (эмбрионы 7 мм и 9 мм длины).
Вследствие давления подвижной
ГБК, в области ее контакта с тазом образуется углубление сферической формы.
Конфигурация появляющейся ямки такова, что способствует снижению контактных
напряжений в хрящевой модели тазовой кости и ГБК. Это происходит за счет того,
что сила, с которой ГБК воздействует на ВВ, распределяется на большую площадь.
В процессе роста и развития ребенка размеры и глубина ВВ постепенно
увеличиваются. Первый период своей жизни человек проводит в утробе матери,
находясь в водной среде. При этом он испытывает значительно меньшее действие
гравитации, за счет снижения собственного веса, а, следовательно, воздействия
сил реакции опоры (состояние гидроневесомости). Это подтверждает ранее
высказанную мысль о ведущей формообразующей роли напряжений, генерируемых
именно мышцам.
Вышесказанное позволяет вывести
напряжения на более высокий иерархический уровень среди факторов, определяющих
форму и строение органов. Отсюда становится понятной необходимость постепенного
обучения ребенка ходьбе. До тех пор, пока мышцы не «подготовят» опорные
элементы нижней конечности, в частности «не углубят» ВВ, ранняя ходьба может
привести к патологическим деформациям в области ТБС. Основываясь на сделанном
выше выводе, теперь можно более внятно и недвусмысленно объяснить необходимость
развития мышечной системы ребенка, в периоде новорожденности.
Увеличение диаметра ГБК в
онтогенезе также следует рассматривать как приспособительный процесс,
уменьшающий действующие в ней напряжения. За счет увеличения размеров ГБК, возрастает
площадь ее контакта с ВВ соответственно, уменьшается удельное давление.
Вращательные движения ГБК в трех перпендикулярных плоскостях обусловливают ее
гладкую шаровидную форму, что снижает трение в суставе. Отсутствие в норме
проникновения ГБК в полость таза и выбухания внутренней стенки ВВ, следует
объяснить адекватным снижением контактных напряжений и адаптацией тазовой кости
к действующим напряжениям. Можно также предположить наличие некой силы реакции,
которую порождает хрящевая модель, противодействуя силе медиализирующих мышц,
что их уравновешивает.
Расположение ШБК под углом к
диафизу тоже объяснимо действием мышц ТБС. Особенности их прикрепления к тазу,
бедру и костям голени таковы, что нагрузка на бедренную кость преимущественно
ассиметрична. Это приводит к изгибу бедра в области ее проксимального конца.
Как было показано выше, угол между диафизом бедра и ШБК, называемый ШДУ,
изменяется - увеличиваясь в онтогенезе. Исключение действия силы тяжести во
внутриутробном периоде, указывает на то, что именно мышцы, обусловливают
формирование изгиба бедра. Физиологическая деформация бедра есть не что иное,
как проявление своеобразного «вязкого течения» сначала мезенхимы, затем
хрящевой и костной ткани. Статистика изменения ШДУ свидетельствует о том, что
он изменяется в течение всей жизни, но в детстве более быстрыми темпами.
Уменьшение ШДУ следует рассматривать как приспособительный процесс, снижающий
величину действующих в бедренной кости напряжений. Сближение точек прикрепления
мышц действующих преимущественно вдоль вертикальной оси – сгибателей и разгибателей,
снижает до известной степени развиваемую ими силу и генерируемые напряжения.
Как известно ШБК характеризуется еще и углом антеверзии, то есть поворотом ее в
горизонтальной плоскости. Большее число мышц, вращающих бедро кнаружи в
горизонтальной плоскости, нежели чем мышц пронаторов, объясняет уменьшение угла
антеверзии в онтогенезе.
Костные выступы типичный пример
«вытягивающего» действия прикрепляющихся к кости мышц. В области ТБС наиболее
заметными возвышениями являются большой и малый вертел. К большому вертелу
прикрепляются средняя и малая ягодичная, а также грушевидная мышца. Они
формируют вершину вертела направленную вверх и медиально, то есть в направлении
тяги означенных мышц. Наружная его поверхность несколько закруглена, образуется
вследствие давления подвздошно-большеберцового тракта, огибающего большой
вертел. Натяжение подвздошно-большеберцового тракта обеспечивается большой
ягодичной и мышцей, натягивающей широкую фасцию бедра. К малому вертелу
прикрепляется подвздошно-поясничная мышца, действующая в медиальном
направлении.
Появление костного выступа
происходит не всегда там, где прикрепляется мышца. По всей видимости,
существует минимально необходимый уровень действующего напряжения, который
способен вызвать возмущение – появление выступа или неровности на поверхности
кости. На величину действующего напряжения влияет сила мышечного сокращения,
площадь прикрепления мышцы, направление вектора тяги. Величина формообразующего
напряжения должна зависеть от механических свойств костной ткани или ее
предшественников (мезенхима, хрящ), а также от некоторых других параметров,
отражающих способность ткани вообще к подобным трансформациям.
В отдельных случаях действие
мышц приводит к образованию не выступа на кости, а наоборот – углубления.
Подобными примерами является ЯВВ, ВВВ тазовой кости или межмыщелковая ямка
бедра. По нашему мнению, оба образования есть результат давления на кость
связок. В отношении ЯВВ и ВВВ — это воздействие СГБ, зачаток которой, в
эмбриональном периоде, раздвигает сначала мезенхиму, а затем хрящ модели ВВ.
Следовательно, ЯВВ и ВВВ есть отпечаток габаритов СГБ и амплитуды ее смещений.
СГБ, оказывая давление на первичную модель ВВ, определяет размеры и форму ЯВВ,
а также ВВВ. Закономерно можно также говорить о возможности определения
размеров СГБ по размерам ЯВВ и ВВВ. В частности диаметр ЯВВ определяется
длиной, а глубина, диаметром СГБ и наоборот. Измерения ЯВВ и СГБ показывают
соответствие их габаритов друг другу.
Межмыщелковая яма бедренной
кости – следствие давления крестообразных связок. В обоих случаях связки
являются эффектом сепарации мезенхимы, и концентрации волокнистых элементов в
средней части сустава, (см. эксперимент №14 с пластилиновыми моделями и
последующие за ним рассуждения). Как известно твердость плотной оформленной
соединительной ткани меньше твердости кости. Поэтому, образование значительных
углублений на кости вследствие давления связок маловероятно. Значит углубления,
тем более, такие, как ЯВВ, ВВВ, межмыщелковая впадина есть, однозначно,
результат давления плотной оформленной соединительной ткани на менее твердую
ткань, например мезенхиму. Это подтверждает тот факт, что означенные углубления
возникают в эмбриональном периоде, во взрослом возрасте трение связки и кости
неизбежно бы приводила к истиранию первой. Завершая рассуждения об образовании
ЯВВ, ВВВ и межмыщелковой ямы необходимо еще раз обратить внимание на то, что
связки подвижны не сами по себе, а благодаря действию мышц. Именно мышцы обусловливают
подвижность связок и их давление на мезенхимально-хрящевые элементы.
Здесь уместно обсудить вопрос и
о причинах ориентации ВВ, характеризующейся поворотом кпереди и наклоном
кнаружи. Объяснение в положении зачатка бедра в ТБС. Находясь в утробе матери,
нормально развивающийся плод занимает положение головой вниз и нижними
конечностями отведенными, ротированными кнаружи и согнутыми в ТБС. При этом ось
ШБК имеет направление вверх, назад и внутрь. В этом же направлении и
оказывается максимальным давление ГБК на таз. Плоскость входа ВВ, как бы
выдавленной в тазовой кости, оказывается перпендикулярной оси ШБК. Таким
образом, ориентация ВВ взрослого человек не что иное, как отражение положения
бедра в ТБС во внутриутробном периоде жизни.*
Думается что, и гиалиновые
оболочки ТБС также являются следствием действия мышц. Представляя собой гладкие
и достаточно ровные, сферической формы поверхности, гиалиновые оболочки,
несомненно, результат многоплоскостных вращательных движений ГБК относительно
таза, опять-таки порожденных мышечными сокращениями. Сокращения мышц, даже
хаотичные, неизбежно приводят к сжатию меж собой суставных поверхностей. Одна из
поверхностей приобретает выпуклую, а другая вогнутую форму. В центре ГБК там,
где действующие напряжения особенно велики, и превысили некий порог,
инициируется процесс трансформации хрящевой ткани в костную, формируется ядро
оссификации. Продолжающаяся двигательная активность и постепенное увеличение
действующих напряжений, поддерживают и развивают начавшийся процесс
оссификации, ядро увеличивается в размерах. Соответственно, уменьшается толщина
хрящевого покрова. В определенный момент времени наступает морфомеханическое равновесие - состояние,
характеризующееся тем, что действующие напряжения перестают поддерживать
процессы метаплазии хряща в кость. В результате этого, костная часть ГБК
оказывается покрытой гиалиновой оболочкой. Однако, она покрыта ею только в том
месте, где ГБК контактирует с полулунной поверхностью ВВ и кроме давления
испытывает трение. Наружный торец, лишенный давления, обретает синовиальную
оболочку. Призматическое строение гиалинового хряща суставных поверхностей
явное свидетельство адаптации живой ткани к сжимающим нагрузкам. Поэтому
однозначно можно говорить, что именно часть ГБК, имеющая гиалиновую оболочку, нагружена
более всего.
Подвижная вдоль фронтальной оси
ГБК, двигается в синовиальной среде ТБС. Люфт обусловливает периодическое
перемещение части синовии из ацетабулярной части сустава в шеечную. ГБК
выступает в роли поршня, двигающегося в ТБС. Вследствие малой амплитуды
поступательных смещений зазор между гиалиновыми оболочками меняется
незначительно. Также незначительно изменяется и объем синовии в ацетабулярной
части ТБС.
При форсированном сгибании в
ТБС, ГБК прижимается к ВВ, что резко повышает давление в ацетабулярной части
сустава. Естественно, синовия стремиться покинуть замкнутое пространство ВВ,
будучи сжатой ГБК как поршнем. Выжимаемая из ВВ синовия с течением времени
формирует на поверхности ГБК углубления вдоль ее меридианов. Данные углубления
располагаются между участками, испытывающими наибольшее сжатие. Именно в этих
щелях между гиалиновыми оболочками и двигаются потоки синовии из одной части
ТБС в другую.
В образовании углублений на ГБК
проявляется пластичность, своего рода «вязкое течение» присущее хрящевой ткани.
Несмотря на то, что «твердость» синовии не сопоставима с твердостью хряща, первая
способна сжимать хрящ с силой не меньшей чем сила сжатия суставных
поверхностей. Отсюда можно сделать вывод о том, что не природа воздействующей
силы определяет форму, а порождаемые ею потоки внутренних сил.
Гиалиновая оболочка отсутствует
в области ЯГБК и ЯВВ, это также свидетельствует в пользу мнения о наличии
гиалинового хряща там, где ткани испытывают кроме трения еще и давление.
Вследствие того, что во внутриутробном периоде действие силы тяжести
ограничено, а ускорения невелики, можно с уверенностью говорить об определяющей
роли функционирующих мышц и порождаемых ими напряжений и в отношении
образования гиалиновых оболочек.
Трение и сжатие, кроме
гиалиновых оболочек, испытывает еще один элемент ТБС – вертлужная губа.
Механизм формирования вертлужной губы представляет собой явное влияние движений
на мезенхиму. Зачатки ШБК и ГБК, благодаря сокращениям мышц, совершают
вращательные движения и отделяются от окружающей их рыхлой мезенхимы. В то же
время на периферии концентрируются волокнистые элементы, образуя суставную
сумку. Подвижные элементы формирующегося сустава отделяют клетки и волокна
мезенхимы от ее жидкого основного вещества. Часть клеток и волокон остается
внутри сустава, и уплотняются, занимая промежуточное положение между головкой и
суставной сумкой. Окружающая наружную часть зачатка ГБК уплотненная мезенхима,
испытывает давление и трение, а люфт вызывает еще ее растяжение и изгиб. Трение
и давление данный участок мезенхимы испытывает и со стороны суставной сумки,
скручивающейся при движениях в ТБС. Будучи сжатой с двух сторон, растягиваема и
изгибаема, мезенхима трансформируется в хрящевую ткань, обретая форму
истончающегося к периферии кольца. Движения в ТБС во фронтальной и
горизонтальной плоскости обусловливают периодическое соприкосновение ШБК с
зачатком вертлужной губы. Это вызывает не только изгиб, но и сжатие зачатка
вертлужной губы вдоль своей плоскости. Таким образом, участок мезенхимы внутри
сустава, испытывающий растяжение, давление, изгиб, а также трение
перестраивается в волокнисто-хрящевую ткань и принимает форму кольца.
Отделение одного зачатка
будущей кости от другой это также результат деятельности мышц. Думается, что
именно первые, еще хаотичные и нескоординированные мышечные сокращения,
деформируя мезенхиму, инициируют формирование костей. Они определяют их будущую
форму, отделяют одну кость от другой, инициируют возникновения подвижного
сочленения между ними. Мышцы, точнее порождаемые ими внутренние силы,
непосредственным образом участвуют в формировании и внутрисуставных элементов.
Расположение связок в ТБС также
тесно связано с влиянием мышц. Подвижные элементы сустава, прежде всего ГБК и
ШБК, сепарируя мезенхиму, обусловливают оттеснение части волокон на периферию.
Из них впоследствии формируются суставная сумка и наружные связки. Учитывая то,
что «исходное» положение бедра в ТБС у плода характеризуется отведением,
супинацией и сгибанием, периферические волокна располагаются параллельно оси
ШБК. Внутриутробно, а в большей степени после рождения, движения связанные с
разгибанием бедра обусловливают скручивание суставной сумки. За счет
закручивания волокон вокруг ШБК большая их часть приобретает косое положение.
Закручивание и удлинение
волокон происходит постепенно и не без участия родителей. Пеленание,
укладывание ребенка на живот, удержание его в вертикальном положении лицом к
себе, да и обычное положение «лежа на спине» обусловливают постепенное
разгибание ног в ТБС, скручивание суставной сумки и связок. Ходьба и вообще
ортостатическое положение завершает процесс закручивания и удлинения волокон
суставной сумки и наружных связок.
По числу костей образующих ВВ в
суставной сумке формируется три пучка волокон являющихся, как бы, продолжением
волокнистой основы костей. Данные сконцентрированные волокна, имеющие
одинаковую ориентацию, определяются как наружные связки.
Учитывая то, что мышцы
супинаторы доминируют над пронаторами, установка бедра с ротацией кнаружи
сохраняется и во взрослом возрасте. Это и объясняет большую длину суставной
сумки в переднем отделе. Наличие мощной группы приводящих мышц обусловливает
постепенное приближение оси конечности к средней линии тела, что порождает в
верхнем секторе суставной сумки потоки внутренних сил, вектора которых
оказываются параллельными ШБК. Можно с большой уверенностью говорить, о том, что
горизонтальная часть ПБС есть результат организующих влияний приводящих мышц.
Наличие в суставной сумке
волокон параллельных оси ШБК, объяснимо возможностью в ТБС вращательных движений
во фронтальной и горизонтальной плоскости. Осуществляющие их мышцы порождают
потоки внутренних сил с векторами параллельными оси ШБК, что в соответствии с
ними упорядочивает часть волокон. При движениях в сагиттальной плоскости
наблюдается эффект скручивания суставной сумки. Скручивающаяся суставная сумка
приводит к сжатию ШБК и уменьшению ее диаметра. Отсюда, по диаметру ШБК, ГБК и
глубине ВВ, можно делать выводы о степени эластичности суставной сумки, длине
наружных связок, величинах действующих в них напряжений, а также о пластичности
костной ткани.
Практически везде, где имеется
трение элементов ТБС, присутствует синовиальная ткань. По нашему убеждению, она
является следствием сепарации мезенхимы. Клеточные элементы мезенхимы и
волокна, отделяясь от основного вещества, осаждаются на всех поверхностях
внутри ТБС как подвижных, так и неподвижных. Замечено, что в любой области ОДА,
где изначально, во внутриутробном периоде жизни, наблюдалась деформация сдвига
мезенхимы, а в последствии имеется трение скольжения, присутствует синовиальная
ткань. Однако там, где кроме трения наличествует еще и интенсивное давление,
синовиальная выстилка отсутствует, будучи замененной хрящевой тканью. Можно
сказать, что основным условием для трансформации мезенхимы в синовиальную ткань
является деформация сдвига, а ее сохранение - наличие трения.
Касательно появления синовии в
ТБС, к вышеупомянутому процессу сепарации мезенхимы, можно добавить фактор
сжатия. Оно наблюдается между суставными поверхностями ГБК и вертлужной губой,
суставной сумкой и ШБК, СГБ и поверхностью ЯВВ, ГБК и ВВ. Клеточные элементы,
циркулирующие в синовии, не только оттесняются на периферию, но и разрушаются в
результате сжатия, что еще более уменьшает их концентрацию. Наличие у синовии
смазывающих свойств способствует снижению трения в суставе, а значит, уменьшает
напряжение в мышцах, сухожилиях, костях и связках. Поэтому появление синовии,
следует рассматривать как один из общебиологических механизмов снижения
действующих напряжений в подвижных элементах. Сепарация и сжатие мезенхимы - следствие
действия мышц, порождающих движение и напряжения в тканях. Таким образом, в
образовании синовиальной ткани и синовии, мышцы принимают непосредственное
участие, а также поддерживают их существование.
Сокращаясь, каждая из мышц обусловливает появление определенных потоков внутренних сил в структурах с ними сопряженных. Учитывая то, что сокращение поперечнополосатых мышц процесс периодический, их напряжение в норме всегда сменяется расслаблением, поэтому допустимо говорить о волнах механической энергии передаваемой от мышцы структуре с ней взаимодействующей. Работа мышц согласована, особенно когда речь идет о сложнокоординированных локомоторных актах, таких как ходьба, бег, прыжки. Это значит, мышцы сокращаются в определенной последовательности и фазе, порождают синфазные им потоки внутренних сил, когерентные волны механической энергии. Следствием когерентности является интерференция. Действительно потоки внутренних сил, причудливым образом пересекаясь между собой, создают сложную трехмерную интерференционную картину взаимодействующих волн механической энергии, генерируемой многими мышцами. Материализацией этого пространственного распределения потоков внутренних сил, по нашему мнению, есть внутреннее устройство тканей, а также внешняя форма элементов ОДА. Костные трабекулы, волокна, гиалиновые призмы представляют собой как бы визуализацию потоков внутренних сил и волн механической энергии внутри ткани. Возмущения же на поверхностях элементов ОДА проявляются в виде неровностей – выступов и впадин. Кроме сил, генерируемых мышцами, на органы и ткани влияют ряд других сил, действие которых также периодическое. В числе таковых следует назвать силу гравитации, силу атмосферного давления, аэродинамические силы, силы инерции движения, реакции опоры и ряд других. Их действие на тело человека обусловливает и поддерживает в нем определенное силовое поле, к которому в процессе онтогенеза мы адаптируемся. Суммируя сведения об участии мышц в изменении положения костей в ТБС и назначении каждого из его элементов, возможно, определить влияние той или иной группы мышц на напряжения в них. Данные о динамике изменений действующих напряжений в элементах ТБС приведены в таблице 7.
Таблица
7
Влияние
мышц на действующие напряжения в элементах ТБС
|
Группа мышц |
Увеличение напряжения |
Уменьшение напряжения |
|
Сгибатели |
Верхний сектор ВВ и ГБК Гиалиновые оболочки, ШБК |
Нижний сектор ВВ и ГБК Наружные связки |
|
Разгибатели |
Наружные связки Верхний сектор ВВ и ГБК Гиалиновые оболочки, ШБК |
Нижний сектор ВВ и ГБК |
|
Отводящие |
Нижний сектор суставной сумки верхний сектор вертлужной губы ЛБС Гиалиновые оболочки, ШБК |
Верхний
сектор суставной сумки ПБС
(горизонтальная часть) |
|
Приводящие |
Верхний сектор суставной сумки Нижний сектор вертлужной губы ПБС (горизонтальная часть) Гиалиновые оболочки, ШБК |
Нижний сектор суставной сумки ЛБС |
|
Пронаторы |
Задний сектор суставной сумки Передний сектор вертлужной губы СБС гиалиновые оболочки, ШБК |
Передний сектор суставной сумки ЛБС ПБС (вертикальная часть) |
|
Супинаторы |
Передний сектор суставной сумки Задний сектор вертлужной губы ЛБС ПБС (вертикальная часть) Гиалиновые оболочки, ШБК |
Задний сектор суставной сумки СБС |
Зависание ноги, лишение ее опоры при расслаблении мышц, приводит к латеральному смещению ГБК. Это увеличивает напряжение в суставной сумке, наружных связках, вертлужной губе, поперечной связке ВВ. Напряжение уменьшается в гиалиновых оболочках, ГБК, ВВ. Одновременное сокращение мышц антагонистов вызывает медиализацию ГБК. При этом значения действующих напряжений увеличиваются в ГБК, ВВ, гиалиновых оболочках и снижаются в суставной сумке, наружных связках, вертлужной губе, поперечной связке ВВ. Таким образом, каждая из групп мышц порождает вполне определенные потоки внутренних сил и способна изменять величины действующих напряжений в соответствующих элементах ТБС.
Кроме генерации напряжений и
порождения движений, важным свойством мышц является продукция тепла. ТБС
окружен значительным по объему мышечным массивом. Активно сокращаясь мышцы
способны повышать не только температуру области ТБС, но и общую температуру
тела. От температуры ткани, в определенной степени зависят и ее механические
свойства, в частности вязкость и эластичность. Это существенно для структур,
испытывающих циклические деформации как-то связки, сухожилия, суставные сумки,
синовия. Повышенная температура уменьшает вязкие свойства основного вещества
тканей, что ускоряет процессы их перестройки. Скорее происходит переориентация
волокнистых структур, миграция клеток, что отражается на темпах
формообразования вообще.
С повышением температуры, как
правило, увеличивается эластичность и уменьшается упругость. Это в свою очередь
может отразиться, например, на увеличении объема движений в ТБС. Температура
синовии влияет на трение в суставе, а значит, опосредованно, и на действующие в
его элементах напряжения.
* Данный вывод имеет существенное значение для понимания ряда патологических, так называемых, врожденных заболеваний ТБС.
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