5.2.5 Нагрузка на тазобедренный сустав
Соединение
частей механизма, обеспечивающее им подвижность вокруг общей оси или точки,
называется шарниром. ТБС - пример сферического шарнира. Тела, соединенные
сферическим шарниром, могут как угодно поворачиваться одно относительно другого
вокруг центра шарнира, при этом точка, совпадающая с ним, не совершает никакого
перемещения. Сила реакции сферического шарнира может иметь любое направление в
пространстве (Тарг С.М., 1998).
Центр
ТБС совпадает с центром ГБК и центром ВВ. Связями в ТБС выступают стенки ВВ,
вертлужная губа, СГБ, ПБС, ЛБС, СБС, круговая зона, суставная сумка. Роль
каждой из перечисленных структур в ограничении движений в ТБС была подробно
обсуждена в предыдущих главах. Соединенные посредством ТБС таз и бедро, имеют
по четыре степени свободы.
Объем
движений определяется геометрическими характеристиками связей (длиной,
ориентацией, точками крепления, размерами) и является строго индивидуальной
величиной. Максимальный объем движений возможен вокруг фронтальной оси, в
сагиттальной плоскости он ограничивается исключительно сумочно-связочным
аппаратом. Движения в ТБС осуществляются относительно неподвижного звена,
которым может быть как таз, так и бедро.
Непосредственно размеры ТБС не сказываются на объеме движения в нем, однако влияют на напряжения в сочленяющихся поверхностях. Это явствует из формулы:
где smax максимальное напряжение, возникающее при сжатии с силой F, шара, радиусом R1 со сферической поверхностью радиусом R2, имеющих модуль упругости E (Александров А.В. и соавт., 1995).
Из
формулы видно, что напряжение возрастает при увеличении силы, увеличении
разности между радиусами сферической поверхности и шара, пропорциональном
уменьшение радиусов контактирующих поверхностей, а также увеличении модуля
упругости. И наоборот, напряжение уменьшается при уменьшении действующей силы,
уменьшении разности между радиусами сферической поверхности и шара,
пропорциональном увеличении радиусов контактирующих поверхностей, а также
уменьшении модуля упругости.
Вышеприведенная
формула позволяет уточнить физический смысл гиалиновых оболочек суставных
концов костей. Ранее нами было рассмотрено призматическое строение гиалиновых
оболочек с позиции гистологии и микроанатомии, показана роль гиалиновых призм в
снижении уровня напряжений в подлежащей кости. На первый взгляд наличие
хрящевого покрова на трущейся поверхности кости выглядит некоторым диссонансом.
Казалось бы, поверхность кости, испытывающая высокое удельное давление и трение
должна быть максимально твердой и износостойкой, то есть не иначе как
представлять собой пластинку из компактной костной ткани. В действительности же
образующий суставную поверхность гиалиновый хрящ менее твердый, и менее
износостойкий, чем требуется теоретически. Ответ находим формуле описывающей
взаимодействие шара и сферической поверхности. Из нее проистекает - чем меньше
модуль упругости, тем меньше напряжение, возникающее при взаимодействии
поверхностей в шарнире.
Согласно
W.C.Hayes, A.J.Bodine (1978) эмпирическая величина
модуля упругости суставного хряща человека находится в пределах от 1 до 15 МПа.
В большинстве же моделей модуль упругости гиалинового хряща принимается равным
10 МПа и коэффициентом Пуассона 0.47 (Образцов И.Ф., Ханин М.А., 1989). По
данным В.М.Шаповалова и соавт. (1998), модуль упругости суставного хряща
составляет 2.3–50 МПа. В то время как по тому же автору модуль упругости
влажной спонгиозной кости эпифизарных отделов составляет 26–700 МПа. Согласно
С.М.Перрену (1995) модуль Юнга для кости около 20 ГПа. Видно, что модуль
упругости гиалинового хряща, по данным разных источников, меньше модуля
упругости кости. Здесь можно сделать вывод, что живые системы, манипулируя
тканями в нагруженных участках ОДС, добиваются снижения напряжений.
Призматическое строение суставного хряща и его микроструктура, в виде твердой
пены с низким модулем упругости, в комплексе, также обуславливают главную
функцию гиалиновой оболочки – снижение действующего напряжения.
Важный
физический смысл имеет и точное соответствие диаметра ГБК и ВВ, их
конгруэнтность. Уменьшение площади их контакта при значительной разнице в
радиусах закономерно обуславливает концентрацию напряжений. Этот очевидный факт
доказывает также приведенная выше формула. Морфологическое изучение ТБС
свидетельствует о том, что в норме ГБК и ВВ практически совпадают по диаметру.
Однако, извлекая ГБК из ВВ обе суставные поверхности, в норме, всегда блестят,
будучи покрыты тонким слоем синовии. Это указывает на существование между ними
микроскопической по ширине суставной щели, в которой и располагается синовия. В
работах Е.П.Подрушняка (1972), А.В.Воронцова (1979), Т.Т.Кикачеишвили (1985),
В.А.Шильникова (1991), В.А.Неверова, В.А.Шильникова (1994) убедительно
показано, что ГБК не идеально сферична, на ней в норме имеются постоянные
углубления. Именно из этих, своего рода депо, синовия попадает в зазор, между
суставными поверхностями обеспечивая смазывание.
Наличие
продольных углублений на ГБК также играет роль дренажа. Избыток синовии,
появляющийся между суставными поверхностями в ацетабулярной части сустава, при
люфте ГБК, имеет возможность по ним, переместится в шеечную часть ТБС. За счет
этого механизма суставные поверхности максимально сближаются между собой,
увеличивая площадь контакта. Синовия же, будучи несжимаемой, по определению,
заполняет неровности на ГБК, и также способствует более равномерному
распределению контактных напряжений, что ликвидируют их концентрацию на
каком-либо из участков. Герметичность ацетабулярной части сустава достигается
не только точным соответствием ГБК и ВВ, но также и присутствием вертлужной
губы и синовиальной складки, закрывающей выход из вертлужного канала.
Вполне очевидно, что соразмерное увеличение диаметра сочленяющихся суставных поверхностей увеличивает площадь их контакта тем самым, снижая величину действующих напряжений. В течение жизни, от внутриутробного периода до возраста примерно 25 лет, происходит увеличение размеров элементов ТБС. Общеизвестно, что у более рослого, крупного субъекта размеры ГБК и ВВ больше. Это, невесть какое оригинальное наблюдение, также находит свое физическое объяснение. Чем больше контактирующие площадки, при прочих равных условиях, тем ниже уровень напряжений в них. Это явствует из формулы для расчета напряжения:
s=F/S,
где s - напряжение, F – сила, S – площадь.
Из
формулы расчета напряжений видно, напряжение - величина обратно
пропорциональная площади. Однако имеется и другая «сторона медали», с
увеличением площади контакта возрастает сила трения. Следовательно, габариты
суставных концов костей не могут иметь сколь угодно большие размеры, величина
силы трения и уровень действующих напряжений неким образом согласуются между
собой. Организм в процессе развития и роста как бы «находит» ту «золотую средину»,
при которой эти параметры, не достигают критических значений.
Для
расчета напряжений в ТБС необходимо знать и его геометрические параметры, их мы
подробно рассмотрели в предыдущих главах. Один из важнейших это диаметр ГБК. По
нашим рентгенометрическим данным средний диаметр ГБК 55.62 мм, у женщин 51.18
мм, у мужчин 59.72 мм (см. приложения, таблица 1). Естественно, полученные
размеры не учитывают толщину гиалиновой оболочки ГБК. Однако благодаря
увеличению, которое дает рентгенограмма по сравнению с истинными размерами,
можно говорить, что измеренный по рентгенограмме диаметр ГБК соответствует
истинным ее размерам.
Основным
же фактором, порождающим потоки внутренних сил в элементах сустава и напряжения
в них, является действие внешней силы. Величина внешней силы обусловливается
массой тела, величиной мышечного напряжения, ускорениями тела и его звеньев,
размерами плеч рычагов, расположением ОЦМ и рядом других параметров. В
различных положениях тела (позах), внешние силы будут отличаться по модулю, направлению
и точки приложения. Для уточнения данных значений сил, действующих на
исследуемый элемент, необходимо знать результирующую силу. Как правило, она
приложена к центру вращения, в нашем случае к центру ТБС. Задачей последующего
повествования этой главы как раз и является уточнение характеристик сил,
действующих на ТБС в наиболее значимых позах и при локомоциях.
Для
расчета напряжений, действующих в ГБК необходимо также знать величины моментов
сил в области ТБС. По рентгенограммам таза в переднезадней проекции есть
возможность определить плечо отводящих мышц, плечо массы тела. Полученные нами значения
указанных параметров приведены в таблице 1 приложения.
Величины
нагрузок на ГБК в разных положениях тела интересуют не только теоретиков, но и
практиков. По данным N.Rydell (1966), F.Burny, R.Bourgois (1972) при сгибании в ТБС с прямой
ногой обуславливает нагрузку на ГБК в два раза превышающую вес тела - Р, при
сгибании в ТБС и коленном суставе – 1 Р, сгибание в противоположном ТБС
нагрузка составляет - 0.5 Р. Разгибание в противоположном ТБС обуславливает
нагрузку равную 1.5 Р, а при отведении - 0.6 Р (Янсон Х.А., 1975).
С
точки зрения F.Pauwels (1959), внутрисуставное давление в
области ТБС определяется тремя факторами:
1)
статическим давлением, являющимся результатом взаимодействия веса тела и
отводящей группы мышц бедра,
2)
динамическим фактором в виде постоянного мышечного давления (приводящей,
пояснично-подвздошной, и отводящей группы),
3)
величиной опорных поверхностей сустава.
С точки зрения механики, ТБС представляет собой рычаг первого рода, где точкой опоры является ГБК. Горизонтальное положение таза в одноопорном положении сохраняется благодаря равенству моментов силы отводящих мышц и веса тела. По F.Pauwels (1939), плечо силы отводящих мышц 4 см, а плечо веса тела 11 см. Тогда при весе человека 60 кг, нагрузка на ГБК будет равна 225 кг (Двойченкова А.Ф., 1971). Согласно F.Pauwels (1961) нормальное давление на суставные поверхности ГБК составляет 19 кг/см2 (Гурьев В.Н., 1975).
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