Рассуждение о морфомеханике. 5.3.17 Архитектоника позвоночника

 

5.3.17 Архитектоника позвоночника

В двухопорном ортостатическом положении, действие силы тяжести, сил реакции связок, хрящевых и костных структур, а также сил сокращения мышц, порождают специфические потоки внутренних сил в элементах пояса нижних конечностей. В предыдущих главах неоднократно, на различных примерах, подчеркивалась связь между внутренними силами в живых структурах их формой и строением. Из предшествовавшего повествования становится очевидным, что для конкретной позы, а именно двухопорного ортостатического положения, характерны вполне определенные силовые взаимодействия, строго определенные направления и величины действующих сил. Соответственно возможно достаточно четкое, описание потоков внутренних сил, существующих в элементах пояса нижних конечностей и поясничном отделе позвоночника. Учитывая то, что человек, значительное время пребывает в вертикальном положении на двух ногах, потоки внутренних сил, характерные для этой позы присутствуют в элементах ОДС достаточно длительно. Существуя продолжительное время в течение суток, а также на протяжении всей жизни, они неизбежно должны отражаться на строении элементов ОДС.

Центром вращения позвонков является пульпозное ядро нижележащего межпозвонкового диска. При этом на позвонок действует несколько сил в каждой из плоскостей. Учет всех их без исключения задача чрезвычайно сложная, а потому в данном рассуждении мы рассматриваем наиболее значимые, с нашей точки зрения.

В сагиттальной плоскости линия действия силы тяжести проходит кпереди от тел позвонков. Данная сила стремится повернуть каждый из позвонков вниз и тем самым вызвать сгибание в поясничном отделе. Ту же роль выполняют большая и малая поясничные мышцы, а также отдельные мышцы передней брюшной стенки, увеличивая общее, сгибающее позвоночник усилие. Противодействие оказывают силы реакции волокнистого кольца, передний его отдел «работает» на сжатие, а задний на растяжение. Сгибанию позвоночника также противостоят силы реакции практически всех связок, расположенных кзади от пульпозного ядра – задняя продольная связка, желтые связки, межпоперечные, межостистые и надостистые связки. Определенное значение имеет сила реакции суставной сумки дугоотростчатых суставов. Сюда следует включить и силу сокращения мышц спины, обеспечивающих разгибание позвоночника.

Во фронтальной плоскости сила тяжести не вызывает дестабилизирующего действия. Силы реакции связок, прежде всего межпоперечных, симметричные группы мышц спины и живота, справа и слева от позвоночника, стабилизируют позвонки в данной плоскости. Еще менее значимо действие силы тяжести для вращения позвонков в горизонтальной плоскости. Однако вдоль сагиттальной оси в горизонтальной плоскости имеется тенденция к поступательному смещению позвонков кпереди.

Таким образом, наиболее значимые силы, влияющие на позвонки поясничного отдела, действуют сверху вниз и в сагиттальной плоскости. Их результирующая направлена вниз-вперед, ей противодействуют силы реакции опорных элементов позвоночника. Несмотря на множество действующих на позвонки сил, каждый из них находится в покое. Это указывает на то, что величина равнодействующей силы равна нулю, а ее вектор, проходит через центры вращения позвонков – пульпозное ядро.

В связочном аппарате позвоночника силы растяжения обуславливают сонаправленную их векторам ориентацию волокнистых элементов. Действительно, коллагеновые или эластические волокна связок в точности совпадают с векторами нормальных напряжений, действующих в них, и имеют прямой ход от одного костного выступа до другого.

Несколько другой вид имеют волокна, расположенные в межпозвонковом диске. Так как волокнистое кольцо диска подвергается скручиванию, сжатию и растяжению одновременно, в соответствующих направлениях ориентируются и его волокнистая основа.

Плечи и величины действующих сил реакции связок и мышц соотносятся, так что напряжения в данных структурах не превышают некого допустимого значения. В противном случае под влияние внешних сил, означенные элементы либо повреждались, либо деформировались с потерей устойчивого вертикального положения позвоночного столба. Величины действующих напряжений находятся в зависимости не только от величины внешней силы, но и площади, на которую она воздействует. Отсюда проистекает зависимость площади сечения связки или межпозвонкового диска от величины действующей силы. Чем больше приложенная сила, тем больше должна быть площадь, на которую она воздействует. Это четко прослеживается в отношении элементов позвоночника. Яркий тому пример – размеры межпозвонковых дисков, которые увеличиваются в каудально направлении. Большей по толщине становится надостистая и межостистые связки, растет ширина передней и задней продольной связки.

Влияние внешних сил отмечается и на костные элементы позвоночного столба. Как известно размеры позвонков увеличиваются в каудальном направлении. В области крестцового отдела позвонки даже срастаются между собой, образуя единую кость. Больше по размерам становятся костные выступы, в частности остистые отростки. Увеличение площади сечения костных элементов позволяет сохранить в костной ткани любой локализации примерно одинаковый уровень напряжений, несмотря на увеличение действующей силы. Думается, что вообще, близкие по строению и выполняемой функции костные элементы имеют в среднем одинаковые напряжения. Любое изменение направлений потоков и величин внутренних сил приводит к перестройке кости.

Многими исследователями костной ткани было подмечено наличие взаимосвязи между внутренним строением кости и действующей на нее нагрузки. Подобная зависимость отмечается и в отношении губчатого вещества тел позвонков. В двухопорном ортостатическом положении с равномерной нагрузкой на обе нижние конечности, симметричные группы мышц напряжены одинаково. Все позвонки находятся в состоянии покоя, а их центры масс лежат в сагиттальной плоскости включающую длинную ось тела. С ней же совпадает вектор силы тяжести, действующей на каждый из позвонков. Силы, действующие на позвонки в сагиттальной, фронтальной и горизонтальной плоскости уравновешены силами сокращенных мышц и силами реакции связок. Вертикальные составляющие этих сил и сила тяжести обеспечивают прижатие позвонков друг к другу.

Вертикальные составляющие сил, действующих на позвонки, являются формообразующими для их тел. Именно этими силами можно объяснить цилиндрическую форму тел позвонков с основаниями, лежащими в плоскостях близких к горизонтальной. Точкой вращения позвонка является центр ядра нижележащего межпозвонкового диска. Сокращение мышц передней брюшной стенки и подвздошно-поясничных мышц, а также действие силы тяжести, обуславливает сжатие преимущественно передних отделов межпозвонковых дисков и тел позвонков. В качестве растяжек, их разгружающих выступают связки заднего отдела позвоночного столба, включая заднюю продольную связку, задний отдел межпозвонкового диска и мышцы спины. Силы их реакции, являются разгружающими передние отделы тел позвонков и дисков. И наоборот, задние отделы тел позвонков, а также дисков, разгружают сила реакции передней продольной связки, сила сокращения мышц передней брюшной стенки, подвздошно-поясничных мышц и сила тяжести. Силы реакции межпоперечных и желтых связок, а также мышцы спины и живота, стабилизируют позвонки во фронтальной плоскости. Соответственно правые мышцы и связки разгружают левые отделы тел позвонков и межпозвонковых дисков и наоборот. Тонкое взаимодействие нагружающих и разгружающих сил обеспечивает равномерное давление тел одних позвонков на подлежащий межпозвонковый диск и соответственно тело нижележащего позвонка. Равномерная нагрузка проявляется правильностью формы суставной поверхности позвонка.

Края верхней и нижней поверхности тел позвонков, соединенные волокнистым кольцом, несколько возвышаются над центральным участком. Это можно объяснить тем, что равнодействующая сил сжатия воздействует в области, где торец позвонка контактирует с пульпозным ядром межпозвонкового диска. Чем больше сила сжатия, тем глубже впадина в центре верхнего или нижнего торца позвонка. При изменении ориентации сил, действующих на пульпозное ядро и его смещение приводит к дислокации углубления на поверхности позвонка кпереди или кзади.

Строго говоря, тела позвонков прижимаются не друг к другу, а к межпозвонковым дискам. По третьему закону Ньютона, величина силы, действующей на межпозвонковый диск со стороны тела позвонка, равна по модулю и противоположна по направлению силе реакции межпозвонкового диска. Тело каждого из позвонков, таким образом, оказывается сжатым между межпозвонковыми дисками. За счет этого в телах позвонков порождаются вертикальные потоки внутренних сил. Своего рода материализацией потоков внутренних сил в телах позвонков является строение их губчатого вещества. Его изучение возможно при рассечении тел позвонков, а также с привлечением рентгенологического метода. Посредством обеих методик удается выявить наличие вертикальных и горизонтальных костных балок. Этот факт легко обнаружить, в частности, при изучении рентгенограмм тел позвонков в боковой проекции. Прослеживается явная закономерность - вертикально ориентированные трабекулы совпадают по направлению с векторами нормальных напряжений, а горизонтальные трабекулы имеют одинаковое направление с касательными. Последние присутствуют всегда, они постоянны, так же как и нормальные. Кроме этого, в горизонтальном направлении действуют силы, возникающие при действии вертикальной нагрузки и стремящиеся изогнуть вертикальные трабекулы. Данное наблюдение еще раз доказывает, то, что вектора действующих напряжений являются определяющими в возникновении и ориентации элементов тканей. В данном случае, в соответствии с направлениями векторов действующих напряжений, в телах позвонков формируются и поддерживаются определенная архитектоника костных трабекул.

Аналогичные выводы можно сделать и в отношении волокон связок позвоночного столба и межпозвонковых дисков. Волокна всегда ориентированы в направлении сил реакции связок и хрящевых структур, то есть совпадают с направлением нормальных напряжений. Небольшие по величине касательные напряжения в связках объясняют отсутствие в них поперечно ориентированных волокон, либо их незначительное число. Это говорит о том, что не только направление вектора действующего напряжения, но и его величина являются значимыми для возникновения той или иной живой структуры. С нашей точки зрения именно напряжения определяют: объем, массу, форму, рельеф, внутреннюю структуру, а также вид ткани образующей данную часть живой системы.

««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