5.3.19 Архитектоника области тазобедренного сустава
J.Lindner (1967) писал – «любой сустав
представляет собой морфологическое и функциональное единство» (Мухин М.В.,
1951). ТБС не исключение, а яркое тому свидетельство. В предыдущих главах от
части уже обсуждался вопрос о внутреннем «устройстве» костей образующих ТБС.
Влияние нагрузки на их строение отмечалось многими исследователями. Учитывая важность
этого вопроса, мы обсудим его еще раз и приведем мнения некоторых авторов.
Ортостатическое
положение с опорой на две нижние конечности характеризуется тем, что таз
покоится на двух ГБК, и находится в покое. Тазовые кости опираются на ГБК
своими ВВ, точнее говоря, их полулунными поверхностями. Сила тяжести действует
вертикально вниз, создаваемая ей нагрузка распределяется равномерно на обе ГБК
(Рис.5.6). На каждую из них приходится половина веса тела, за вычетом массы
обеих нижних конечностей. Эта сила прижимает верхний сектор полулунной
поверхности ВВ к верхневнутреннему сектору ГБК ввиду того, что в двухопорном
ортостатическом положении наблюдается конвергенция длинных осей бедренных
костей. Именно указанные области суставных поверхностей ТБС и оказываются
максимально нагруженными в двухопорном ортостатическом положении (Рис.3.68,
3.75, 3.78, 3.79, 3.83, 3.85, 5.19). Экспериментально установлено, что в
здоровом ТБС распределение давления ассиметрично, его уровень максимален в
области свода ВВ (Chriistel P.
et. al., 1980).
Поддержание
положения равновесия в двухопорном ортостатическом положении обеспечивается не
только связочным аппаратом, но и мышцами. Абсолютное большинство длинных осей
мышц ТБС имеют ориентацию сверху-вниз, изнутри-кнаружи. В связи с этим, мышцы,
поддерживая тело в равновесии, дополнительно прижимают ВВ к ГБК. Результирующую
силу действия мышц можно разложить на две составляющие – вертикальную и
горизонтальную. Последняя из указанных составляющих, препятствует латеральному
смещению в ТБС.
А.С.Крюк, А.М.Соколовский (1977) высказывали мнение о функциональном строении ШБК. С точки зрения данных авторов оно зависит от действия веса тела и мышц, при этом почти вся ткань ШБК испытывает сжатие. Отмечено также, что при изменении условий нагрузки ТБС, происходит и изменение ориентации трабекулярных систем ШБК.
Рис.5.19. Распределение нагрузки в головке бедренной кости при двухопорном ортостатическом положении.
«Трабекулярная
система шейки бедра у детей начинает формироваться от продольно отходящих
трабекул в возрасте 9 или 10 месяцев, то есть в тот период, когда ребенок
начинает ходить» (Файт М., Мюллер Я., 1959).
Согласно В.С.Шаргородскому,
Д.И.Кресному (1989) нагрузка на ГБК распределяется по закону косинуса (как в
шаровой пяте). По их расчетам, при нормальном ШДУ, равнодействующая сила
пересекает сферу ГБК в наружно-верхнем квадранте. F.Pauwels (1976) также считает, что
«…нагрузка на головку бедра от центра тяжести тела человека передается через
суставную поверхность вертлужной впадины по закону косинуса» (Диваков М.Г.,
1990). В нормальных условиях ГБК испытывает в основном сжимающие напряжения
(Мителева З.М., 1990).
Расчет напряжений при контакте шаровидной головки и впадины возможен с использованием закона косинуса. Согласно получаемым результатам, максимальное напряжение в центре и уменьшается в периферическом направлении, на боковых частях опорных поверхностей (Рис.5.20) (Митрошин А.Н. и соавт., 1995).
Рис.5.20. Эпюра распределения нагрузки в головке бедренной кости при двухопорном ортостатическом положении.
По данным В.Е.Беленького (1962), равнодействующая веса тела и отводящих мышц составляет с вертикалью угол 18-30°
(Крюк А.С., Соколовский А.М., 1977).
У F.Pauwels (1965) находим, что
равнодействующая сил воздействует на верхний полюс ГБК и проходит через ее
центр. Вектор силы составляет с вертикалью угол 16°. Исследования автора
показывают, что расположение основных групп трабекул в проксимальном конце
бедренной кости в целом соответствуют напряжениям, возникающим в нем, а
величина напряжений влияет на плотность кости. Высокая прочность спонгиозной
кости, таким образом, достигается с минимальными затратами материала.
Согласно
данным J.Charnley (1979), первая система трабекул
проксимального конца бедренной кости располагается приблизительно под углом 20°
к длинной оси диафиза (Рис.3.77).
Методом
конечных элементов T.D.Brown et al., (1982)
определили, что нагруженным является верхний сектор ГБК, причем возникающие в
ней и в ШБК напряжения, хорошо коррелируют с первой системой трабекул
проксимального конца бедра. Растягивающие усилия выявлены в латеральной части
большого вертела.
Теоретическими расчетами и экспериментами на фотоупругих моделях F.Pauwels (1973) показал, что системы трабекул проксимального конца бедренной кости соответствуют направлениям действующих в нем напряжений (Рис.5.21). Первая система трабекул есть следствие сжимающих напряжений, вторая система, расположенная на латеральной поверхности ШБК результат растягивающих усилий. Низкие напряжения в области треугольника Варда полностью согласуются с анатомическими препаратами и рентгенограммами, на которых видно, что в данном месте количество трабекул минимально. Все это свидетельствует в пользу функциональной адаптации спонгиозного вещества.
Рис.5.21. Нагруженная фотоупругая модель проксимального отдела бедренной кости.
Вместе
с тем в своей более поздней работе F.Pauwels (1980) отмечает, что расположение
зоны с минимальными напряжениями в фотоупругой модели несколько отличается от
расположения треугольника Варда. Последний располагается ближе к средней линии
ШБК, что, по мнению автора, объясняется различием в распределении масс в модели
и реальной кости. С нашей точки зрения это одно из неявных свидетельств того,
что принятая сейчас концепция функционирования ТБС неточна.
Результирующая сил, действующих на
ГБК направлена вниз – кнаружи и пересекает ее центр, сила реакции ГБК ей
противоположна. Указанные силы порождают в бедренной и тазовой кости
параллельные им потоки внутренних сил. Рассечение костной ткани в области ВВ,
выполненное во фронтальной плоскости, а также изучение линий излома костей той
же зоны, свидетельствует о доминировании радиально ориентированных костных
балок (Рис.3.13, 3.14). Это подтверждают и данные рентгенографии ТБС в
переднезадней проекции. Изучение рентгенограмм ТБС, а также фронтальных сечений
ВВ и проксимального отдела бедренных костей как бы делает зримыми потоки
внутренних сил. В верхнем секторе полулунной поверхности ВВ четко
прослеживается система костных балок расположенная по нормали к суставной щели
ТБС. Данные трабекулы в точности совпадают с расчетными векторами нормальных
напряжений и напоминают арматуру. Радиальные трабекулы пересекаются под прямым
углом единичными трабекулами совпадающие по направлению с векторами касательных
напряжений. Последние из указанных трабекул можно также считать элементами,
усиливающими радиальные костные балки, предотвращающие их изгиб и действующие
как распорки между ними.
Наличие в верхнем секторе
полулунной поверхности субхондрального слоя компактной костной ткани, также
может служить примером действия внутренних сил на кость. Уже отмечалось, что
при соприкосновении двух криволинейных поверхностей возникают высокие по своему
значению контактные напряжения, величина которых выше средних. Появление на
поверхности губчатой костной структуры слоя компактного вещества, следует рассматривать,
так же как вариант адаптации костной ткани к высокому значению действующих
напряжений, увеличивающее прочность нагруженного участка кости. По аналогии с
механикой данное локальное упрочнение костной ткани можно сравнить с наклепом –
повышение упругих свойств в результате пластического деформирования.
Как показали исследования
распределения нагрузки в ТБС методом конечных элементов выполненные T.Ueo (1985), концентрация напряжение
отмечается именно в области субхондральный кости (Диваков М.Г., 1990). Их
снижение также возможно за счет увеличения площади полулунной поверхности,
контактирующей с ГБК. Кроме этого, снижению напряжений будет способствовать
соразмерное увеличение диаметра костей, сочленяющихся в ТБС, как ГБК, так и ВВ
(их рост). В том и другом случае, при одинаковой нагрузке на ТБС, величины
действующих в костях напряжений будут уменьшаться.
Из механики известно, что в местах
резкого изменения формы тела, под действием внешней силы резко увеличиваются
действующие напряжения. Этот эффект определяется как концентрация напряжений,
иными словами повышение их значений по сравнению со средними (Александров А.В.
и соавт., 1995). В области краев ВВ как раз и существует подобная зона. Одним
из способов ликвидации концентрации напряжений в деталях является закругление
выступов и впадин. Для ликвидации концентрации напряжений, в области краев
круглых деталей, отверстий и выступов формируется так называемая фаска, то есть
скошенный острый край. Своего рода фаска существует и в области наружного края
ВВ. Раннее было показано, что торец наружного края ВВ плоский, причем плоскость
края совпадает с плоскостью, проходящей через центр ТБС и перпендикулярна
касательной к суставной поверхности в этой точке. Подобная форма наружного края
ВВ позволяет снизить концентрацию напряжений действующих в области краев
полулунной поверхности ВВ. Это также можно рассматривать как вариант адаптации
костной ткани в области ТБС к действующим напряжениям.
С
нашей точки зрения наличие в спонгиозной костной ткани округлых ячеек
способствует ликвидации зон концентрации напряжений. ВВ, как известно,
образована губчатой костной тканью, имеющей ячеистое строение. Подобное
строение кости следует рассматривать как вид адаптации к высоким значениям
действующих напряжений. Если субхондральная кортикальная пластинка есть не что
иное, как вариант локального упрочнения материала, путем повышения его
плотности, то ячейки подлежащего губчатого вещества способ ликвидации
концентраций напряжений.
R.A.Robinson (1952) считает, что
«...механические силы в значительной мере влияют на структуру кости ...
качество образующейся костной ткани зависит от воздействия сил растяжения и
давления» (Файт М., Мюллер Я., 1959).
При изучении напряженного состояния
ТБС на плоских моделях методом фотоупругих элементов установлены пять основных
зон концентраторов напряжений: верхнешеечный, нижнешеечный, субкапитальный,
ацетабулярный и вертельный. Характерным явилось не зарождение нагрузки сжатия
непосредственно в ШБК, а ее распространение с медиальной поверхности диафиза
через межвертельную область вдоль дуги Адамса (Евсеев В.И., 1980).
В ГБК нагрузка передается по
костным балкам (Диваков М.Г., 1990). «Согласно общепринятым представлениям,
давление тяжести тела передается отвесно сверху на головку по так называемой
механической оси бедра. По анатомической оси, проходящей через средину кости,
давление не передается – это так называемая нейтральная линия». «…В верхней
части шейки действуют силы растяжения, в нижней, силы сжатия», вместе с тем в
верхнем отделе ШБК отмечено небольшое сжатие. Результирующая сила приближается
по своему положению к оси ШБК, но не совпадает с ней. «Взаимодействие сил в
области тазобедренного сустава обуславливает работу шейки «на сжатие», а не «на
излом» (Беленький В.Е., 1960).
По
данным F.Pauwels (1965) ориентация первой системы
трабекул проксимального конца бедренной кости, совпадает с направлением результирующей
силы, действующей на ГБК со стороны таза в процессе ходьбы. Данная сила в норме
образует с вертикалью угол в 16° (Рис.3.79).
Действие практически вертикальной силы со стороны ВВ на ГБК обуславливает то, что нагрузка приходится преимущественно на ее верхневнутренний сегмент (Рис.5.22). Нагруженный сектор ГБК может изменяться в зависимости от конвергенции длинных осей бедер, нижних конечностей, длины ног, ширины таза, расстоянием между стопами, величины ШДУ, и ширины полулунной поверхности (Рис.5.23). Чем больше величина угла приведения нижней конечности в ТБС при двухопорном ортостатическом положении, тем более медиально располагается нагруженный сектор ГБК. Воздействие ВВ на ГБК порождает в последней и ШБК поток внутренних сил. Нормальные напряжения при этом направлены от верхневнутреннего сектора ГБК через ее центр, к дуге Адамса в области нижневнутренней поверхности ШБК. Практически в полном соответствии с данным потоком внутренних сил ориентирована первая система костных трабекул проксимального конца бедренной кости. Простейший анализ условий нагрузки проксимального отдела бедренной кости, показывает, что трабекулы первой системы испытывают осевое сжатие.
Рис.5.22. Распределение нагрузки в головке бедренной кости а) вид изнутри, b) вид сверху, с) вид спереди.
ВВ оказывает давление на ГБК с
силой равной по величине и противоположной по знаку той, что действует со
стороны ГБК на ВВ. Как в верхневнутреннем секторе ГБК, так и смежном с ним
верхнем секторе ВВ имеются радиально ориентированные костные балки. Первые и
вторые представляют собой как бы продолжение друг друга, являясь наглядной
иллюстрацией третьего закона Ньютона. Вектора нормальных напряжений в ГБК и ВВ
оказываются лежащими на одной прямой, будучи противоположными по знаку. Как
можно заметить напряжения, действующие в костной ткани, влияют на ее внутреннюю
структуру, при этом трабекулы ориентируются параллельно векторам внутренним
сил, однако их направление значения не имеют.
Близкое
мнение высказано В.А.Богдановым (1976) им 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. Костные балки в
проксимальном конце бедра «…расположены соответственно линиям траекторий сжатия
и растяжения подобно кронштейну» писали А.Н.Шабанов, И.Ю.Каем (1966).
Проксимальный отдел бедренной кости представляет собой кронштейн особой формы. Будучи нагруженная асимметрично, в бедренной кости возникает изгибающий момент. Вследствие этого в области нижневнутренней поверхности ШБК появляются сжимающая сила, а в области верхненаружной поверхности растягивающая сила. Эти внутренние растягивающие и сжимающие усилия распределяются не только на поверхности, но и в толще ШБК. По третьему закону Ньютона означенные растягивающие и сжимающие силы в верхней и нижней части ШБК равны по модулю и противоположны по направлению. Распределение внутренних усилий в проксимальном конце бедренной кости позволило сравнить его с подъемным краном (K.Culmann). Считается, что величина напряжения в области ШБК больше в области верхней или нижней поверхности (Лесгафт П.Ф., 1968).
Рис.5.23. Распределение нагрузки в головке бедренной кости в зависимости от ширины полулунной поверхности.
Без
учета силы сокращения мышц, поддерживающих равновесие позы, внутренняя
сжимающая сила, как минимум, равна половине силы тяжести, действующей на тело,
а растягивающая равна ей по модулю. Зримым подтверждением наличия сил сжатия в
ШБК является наличие в ней костных балок первой системы, ориентированных
сонаправленно их векторам. Вторая система костных балок ШБК результат действия
в костной ткани внутренних растягивающих сил. Она представляет собой вариант
приспособления губчатой кости к постоянно действующим растягивающим усилиям.
Возможен еще один вывод из этого наблюдения – знак действующей силы,
(растяжение или сжатие), значения для формирования внутренней структуры костной
ткани не имеет. Как растягивающие, так и сжимающие силы способны, неким
образом, ориентировать костные балки в соответствии с векторами их действия.
Здесь
уместно отметить, что присутствием в кости внутренних растягивающих сил, можно
объяснить только ту часть второй системы трабекул, которая располагается
кнаружи от первой системы. Медиальная же часть второй системы трабекул,
находящаяся медиальнее от первой системы, в нижневнутреннем секторе ГБК,
невозможно объяснить действием растягивающих усилий. В данной области ГБК
растягивающих усилий не наблюдается. Отсюда проистекает заключение -
либо вся вторая система трабекул не есть результат действия внутренних
сжимающих сил, либо только ее медиальная часть следствие приспособления к силам
сжатия. Однако ранее было показано, что ВВ оказывает давление только на
верхневнутренний сектор ГБК, нижний оказывается разгруженным… К данной
морфомеханической загадке мы вернемся позже, здесь же только напомним о ее
существовании.
В
проксимальном конце бедренной кости выявляется так называемая третья система
трабекул. Она начинается в области основания малого вертела, а заканчивается в
области основания большого, следуя вверх - кнаружи расходящимся пучком. Большой
вертел, как бы опирается костными балками на внутреннюю поверхность
кортикального слоя ШБК и малый вертел.
Известно,
что на ШБК действуют не только силы статического нагружения, но и мышцы
(Богоявленский И.Ф., 1976).
Выше
было показано, что в поддержании устойчивости тела во фронтальной плоскости
важную роль играют отводящие и приводящие группы мышц. Огибающий большой вертел
сверху - снаружи подвздошно-большеберцовый тракт, при сокращении большой
ягодичной мышцы и мышцы, напрягающей широкую фасцию бедра, оказывает давление
на наружную поверхность большого вертела (Рис.3.86. 3.87). Именно вследствие
этого поверхность большого вертела здесь уплощена. Кроме этого, давление
подвздошно-большеберцового тракта порождает поток внутренних сил, направленный
вниз – внутрь. Нормальные расчетные напряжения в проксимальном конце бедренной
кости, возникающие от давления подвздошно-большеберцового тракта, явно
совпадают с ориентацией третьей системы трабекул. Сжимающие костную ткань
усилия и здесь выступают в роли организатора внутреннего строения живой
системы. Совпадая с направлением сил сжатия, трабекулы армируют костное
вещество, повышают его механическую прочность вдоль данного направления. Налицо
еще один эффект действия внутренних сил в живых тканях – порождение их
механической анизотропии.
Замечено,
что тяга подвздошно-поясничной мышцы уменьшает напряжение сжатия под малым
вертелом в три раза. Ее антагонистом является мышца, напрягающая широкую фасцию
бедра (Янсон Х.А., 1975). Кроме этого, подвздошно-поясничной мышце принадлежит
важное место в поддержании фронтальной устойчивости во фронтальной плоскости.
Она, как известно, прикрепляется к малому вертелу, обуславливая в нем появление
внутренних растягивающих сил. Учитывая направление хода сухожилия
подвздошно-поясничной мышцы, можно предположить, что вектор растягивающих сил в
малом вертеле будет ориентирован вверх – внутрь. В этом же направлении следует
ожидать наличие некой системы костных балок - результат влияния нормальных
напряжений, имеющих ориентацию вниз – кнаружи. Однако от основания малого
вертела расходится пучок трабекул вверх – кнаружи. Это позволяет с большим
основанием утверждать, что третья система трабекул проксимального конца
бедренной кости есть следствие, внутренних сжимающих усилий.
Системы
костных балок проксимального конца бедренной кости на переднезадних
рентгенограммах ограничивают так называемый треугольник Варда, и участок Вольфа
– области с малой плотностью костного вещества. Небольшое число костных балок в
данных местах, явно, связано с отсутствием в них высоких значений действующих
напряжений. Их минуют основные потоки внутренних сил, возникающих в бедренной
кости при двухопорном ортостатическом положении. Это может служить еще одним
доказательством свойства внутренних сил инициировать накопление костного
вещества и оказывать на него организующее влияние.
Внешняя
форма костей, также как и их внутренняя структура, находится в зависимости от
действия сил. В местах прикрепления к костям мышц, а особенно их сухожилий, как
правило, возникает «вспучивание» костного вещества - возвышения на его
поверхности. Чем больше усилие, развиваемое мышцей и меньше площадь ее прикрепления,
тем выше уровень напряжения в костной ткани, а, следовательно, и крупнее
костный выступ. В области проксимального конца бедренной кости примерами могут
являться вертелы. К уже упомянутому малому вертелу, прикрепляется сухожилие
подвздошно-поясничной мышцы. Вектор тяги данной мышцы имеет направление вверх –
внутрь, приблизительно такая же ориентация длинной оси у малого вертела.
К
большому вертелу прикрепляется квадратная мышца, а также средняя и малая
ягодичные мышцы. В соответствии с направлением их тяги наблюдается отклонение
вершины и заднего края большого вертела (Рис.3.85). Вершина вертела отогнута
вверх и внутрь, а задний край назад и внутрь. Влияние
подвздошно-большеберцового тракта на большой вертел, это не только давление, но
и трение. В совокупности это приводит к сглаживанию наружной поверхности
вертела, к которой прилежит подвздошно-большеберцовый тракт. Таким образом,
постоянное давление на кость приводит к ее уплощению или к возникновению
вдавления, а растягивающее усилие к появлению возвышения в направлении
действующей силы.
Локальным растягивающим действием можно объяснить наличие у отдельных субъектов третьего вертела бедра – гипертрофированной ягодичной бугристости, к которой прикрепляется большая ягодичная мышца. Возникновение шероховатой линии, также возможно истолковать силами растяжения. К шероховатой линии, как известно, прикрепляется ряд мышц и межмышечных перегородок. Последние, будучи пассивными элементами, сами испытывают растягивающие усилия со стороны сокращающихся мышц, которые они окружают. За счет появления в межмышечных перегородках сил растяжения, в участке кости, к которому они прикреплены, также возникают силы растяжения, как если бы в данном месте прикреплялась сама мышца. Межвертельная линия и гребешковая линия еще один пример действия на костную ткань растягивающих сил со стороны мышц, связок и суставной сумки.
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