Рассуждение о морфомеханике. 5.7.11 Динамика ходьбы

5.7.11 Динамика ходьбы

При анализе доступных источников информации, а также собственных наблюдений за ходьбой, вырисовывается сложная пространственно согласованная картина движений элементов ОДС.

Ходьба начинается с первого шага совершаемого обычно из ортостатического положения. Это может быть одноопорная, двухопорная поза или ортостатическое положение с предпочтительной опорой на одну из ног. Главной отличительной чертой этих поз является то, что тело, а значит и ОЦМ в них находится в устойчивом равновесии, относительном покое. Ходьба же это, прежде всего движение – движение ОЦМ. Выше было показано, в вертикальном положении все суставы нижней конечности замкнуты, большая часть из которых замкнута связками. Замкнутыми мышцами оказываются подтаранный сустав во фронтальной плоскости и голеностопный сустав в сагиттальной плоскости.

Здесь следует отметить, что в процессе ходьбы, мышцы ускоряют, замедляют, или стабилизируют сегменты конечности, то есть это двигатели, амортизаторы и стабилизаторы (Bowker J.H., Hall C.B.). Соответственно мышцы играют важную роль в локомоциях, но это не единственные элементы, организующие двигательный акт.

Ходьба это, как правило, поступательное перемещение тела вперед. Для реализации подобного движения необходимо смещение ОЦМ в этом же направлении. При этом достаточно уменьшить угол тыльного сгибания только в одном голеностопном суставе, что и наблюдается в начале первого шага. Чтобы отклонить голень вперед, а значит всю нижнюю конечность и ОЦМ относительно неподвижной стопы, необходимо либо сокращение передней большеберцовой мышцы, либо уменьшение напряжения трехглавой мышцы голени, оптимально одновременно и то, и другое. В результате согласованного действия указанных мышц нарушаются условия равновесия тела, ОЦМ начинает свое движение вперед и вниз по дуге с центром, совпадающим с центром вращения голеностопного сустава и радиусом равным расстоянию между ними. Одна из ног отрывается от поверхности опоры (если это двухопорное положение) выносится вперед, ее контакт с опорной поверхностью знаменует завершение первого шага.

В период переноса нижняя конечность согнута в ТБС, коленном и голеностопном суставах. К моменту соприкосновения с опорой нога полностью разгибается в коленном и начинается процесс разгибания в голеностопном суставе. Последнее обеспечивается сокращением трехглавой мышцы голени, что на графиках проявляется как первый всплеск ее активности (Рис.5.84). Одновременно с этим уменьшается напряжение передней большеберцовой мышцы, которая удерживала стопу в позиции тыльного разгибания в период переноса ноги. Это подтверждается также данными, полученными Я.Л.Славуцким, А.А.Бороздиной (1969), изучавших электрическую активность мышц при ходьбе. Необходимость в снижении напряжения передней большеберцовой мышцы связана с тем, что активизируется ее антагонист трехглавая мышца, разгибающая стопу. Ускорение, полученное ОЦМ и направленное вперед - латерально, в фазу касания пятки поверхности опоры способствует смещению таза в сторону одноименной ноги. Так как стопа оказывается закрепленной на опорной поверхности силой трения, нога отклоняется кнаружи за счет пронации в подтаранном суставе. Этому процессу способствует, наряду с силой инерции, еще и сокращение малоберцовых мышц, отводящих голень, а значит и всю нижнюю конечность кнаружи. Избыточному отведению голени в голеностопном суставе препятствует дельтовидная связка, которая, натягиваясь, участвует в его замыкании во фронтальной плоскости. Регулирование отведения голени не только пассивное за счет связок и особенности строения суставных поверхностей, но и активное благодаря деятельности мышц. Роль ограничителей пронации в подтаранном суставе принадлежит, до известной степени, задней большеберцовой мышце, а также мышце длинному сгибателю пальцев стопы. Силе же инерции, стремящейся сместить таранную кость кпереди и внутрь относительно пяточной кости, противодействует сила реакции межкостной таранно-пяточной связки. Этому же препятствует взаимодействие заднего отростка таранной кости с задней суставной таранной поверхностью пяточной кости. Указанные структуры обеспечивают замыкание подтаранного сустава в сагиттальной плоскости минимизируя затраты мышечной энергии.

Перекат через пятку и начало опоры на всю стопу, происходящие в большей степени благодаря действию силы инерции, обусловливают начало тыльного сгибания в голеностопном суставе. Проекция ОЦМ смещаясь кпереди от оси вращения голеностопного сустава, увеличивает тенденцию к тыльному сгибанию в нем. Это в свою очередь вызывает растяжение трехглавой мышцы голени, сменяющееся ее сокращением в конце опоры на всю стопу. Следствием чего является подошвенное сгибание в голеностопном суставе и появление силы, действующей на ОЦМ снизу-вверх, возникает, так называемый, задний толчок. Он завершается перекатом через носок и началом тыльного разгибания в голеностопном суставе, которое обеспечивается сокращением передней большеберцовой мышцы. Считается, что «единственной движительной силой, обеспечивающей поступательное перемещение тела, является продольная составляющая заднего толчка» (Якобсон Я.С. и соавт., 2001). 

Рис.5.84 Волны электрической активности мышц при ходьбе, а) икроножная мышца, б) передняя большеберцовая, в) длинная малоберцовая, г) прямая мышца бедра, д) двуглавая мышца, е) полусухожильная, ж) средняя ягодичная, з) большая ягодичная, и) длинная приводящая, к) крестцово-остистая, л) прямая живота, м) подограмма. 

В это же время наблюдается супинация в подтаранном суставе с отклонением голени, равно как и ноги в целом, медиально - вперед. Дополнительное ускорение ОЦМ в этом направлении придает сокращение длинной малоберцовой мышцы. Избыточному отклонению нижней конечности в данном направлении активно противодействует напряжение передней большеберцовой мышцы. Так как стопы на поверхности опоры развернуты носками кнаружи, то длинные оси таранных костей оказываются, приблизительно параллельны направлению движения. Поэтому длинная ось межкостной таранно-пяточной связки оказывается сонаправлена вектору перемещения ОЦМ и удерживает таранную кость от опрокидывания вперед и медиально. Другая из причин этого движения это смещение ОЦМ медиальнее от опорной ноги, подробнее об этом будет сказано несколько ниже.

В периоде переноса нижней конечности, тыльное разгибание в голеностопном суставе достигает максимума и сменяется постепенным подошвенным сгибанием. Необходимость тыльного разгибания диктует близость поверхности опоры, которое необходимо для исключения задевания об нее носком переносимой ноги.

Как уже отмечалось, передний отдел блока таранной кости шире заднего (Гурьев В.Н., 1971). Это при тыльной флексии, обусловливает расклинивание «вилки» голеностопного сустава таранной костью. Выше было показано, что при смещении проекции ОЦМ кпереди от фронтальных осей голеностопного сустава наблюдается тыльное сгибание в них. Вследствие этого, суставные поверхности обеих лодыжек, испытывают давление со стороны боковых поверхностей блока таранной кости. Лодыжки, являются суставными элементами, которые отчасти тормозят тыльное сгибание в голеностопном суставе. Так как только латеральная лодыжка является подвижной, она смещается кнаружи под давлением таранной кости. Амплитуда смещения наружной лодыжки ограничивается межберцовыми связками. Соответственно сила реакции дистальных межберцовых и таранно-малоберцовых связок, а также межкостной перепонки мембраны противодействуют силе тяжести, стремящейся вызвать тыльное сгибание. По данным Elmendorff et Petes (1971) наружная лодыжка, испытывает нагрузку эквивалентную 1/6 веса тела (Schatzker J., Tile M., 1999). Это значит и межберцовые связки, при тыльном сгибании в голеностопном суставе несут аналогичную нагрузку. Наличие определенной эластичности у задней таранно-малоберцовой, межберцовых связок и межкостной перепонки, а также высокий модуль их упругости, обеспечивает достаточно эффективное демпфирование голеностопного сустава при ходьбе. Задний отдел суставной сумки, отличающийся высокой растяжимостью не способен в фазе тыльного сгибания участвовать в удержании вертикального положения голени, равно как ноги в целом.

Существование контакта между наружной поверхностью блока таранной кости и суставной поверхностью наружной лодыжки обусловливает возникновение силы трения при их движениях. За счет трения малоберцовая кость, при тыльной флексии стопы, вращается вокруг своей вертикальной оси медиально, что можно определить как пронацию. Этому препятствуют не только межкостная перепонка и дистальные межберцовые связки, но и связки проксимального межберцового сустава. Основная нагрузка приходится на заднюю большеберцово-малоберцовую, заднюю таранно-малоберцовую связки и заднюю связку головки малоберцовой кости. Сила их реакции также противодействует силе тяжести, до определенной степени ограничивая тыльное сгибание.

Соприкосновение ноги с опорой, как уже отмечалось выше, происходит при ее разгибании в коленном суставе. После чего, в фазу переката через пятку и начала опоры на всю стопу, в нем происходит кратковременное сгибание. Оно, по своей сути, является амортизирующим, гасящим силу инерции движения, но не только. Процесс сгибания в коленном суставе активно-пассивный. Сокращение мышц сгибателей, размыкает коленный сустав, ранее замкнутый посредством связочного аппарата - передней крестообразной связкой, задним отделом суставной сумки, менисками и взаимодействием суставных поверхностей. Далее сила инерции и веса тела увеличивает угол сгибания, чему активно противодействует напрягающаяся в данный момент прямая мышца бедра. При сгибании в коленном суставе, возникает тенденция к смещению мыщелков бедра вперед относительно мыщелков большеберцовой кости. Препятствием этому поступательному движению бедра выступает задняя крестообразная связка, мениски, выполняющие функцию тормозных башмаков, а также надколенник, удерживаемый связкой надколенника и прямой мышцей бедра.

Как можно заметить, основным активным демпфером сгибания и поступательного движения в коленном суставе выступает прямая мышца бедра, одновременно снижающая напряжение в задней крестообразной связке и менисках. Кроме этого, сгибание в коленном суставе, при фиксированной голени, обусловливает автоматическую супинацию бедра, за счет этого вращательного движения таз, а значит и ОЦМ получает дополнительное ускорение, вектор которого направлен по дуге вперед.

Переход к одноопорному периоду сопровождается разгибанием в коленном суставе. В общем виде взаимодействие элементов ОДС в области коленного сустава подобно таковому при одноопорном стоянии, что подробно рассмотрено выше. Разгибанию в коленном суставе способствует расслабление мышц сгибателей бедра и продолжающееся напряжение прямой мышцы. В результате перераспределения усилий мышц коленный сустав оказывается практически разогнутым и замкнутым.

Замыкание его происходит не только в сагиттальной плоскости, но и во фронтальной. Последнее обеспечивается, прежде всего, натяжением окольных связок и боковыми отделами суставной сумки. Причем, так как проекция ОЦМ находится медиальнее коленного сустава, основная нагрузка ложится на малоберцовую окольную связку, наружный отдел суставной сумки, а также внутренние мыщелки бедра и большеберцовой кости. Разгрузку указанных структур могут обеспечить мышца, напрягающая широкую фасцию бедра и большая ягодичная мышца, натягивающие подвздошно-большеберцовый тракт, который дистальным своим концом прикреплен к наружному мыщелку большеберцовой кости. Таким образом, в переносной период, опорная нижняя конечность оказывается обладающей максимальной жесткостью. Кроме этого, при полном разгибании одновременно наблюдается отведение в коленном суставе. Бедро отклоняется кнаружи относительно неподвижной голени, а значит, в этом же направлении смещается и ОЦМ, что позволяет экономить мышечную энергию для перемещения его проекции ближе к опорной стопе.

В конце фазы опоры на всю стопу, перекате через носок и заднем толчке, в коленном суставе начинается процесс основного сгибания. Сгибание в нем достигает максимума в период переноса ноги. Это, как и тыльное разгибание в голеностопном суставе, является компенсаторным движением, предотвращающим контакт носка переносимой конечности с опорной поверхностью. Сгибание в коленном суставе обусловливает автоматическую пронацию голени относительно бедра. За счет этого вращательного движения угол между длинной осью стопы и поверхностью опоры уменьшается, что еще больше увеличивает расстояние между носком стопы и опорой, а, следовательно, уменьшает вероятность их контакта при переносе ноги.

В переносном периоде неопорная нижняя конечность описывает плавную кривую огибающую опорную ногу. Действительно, отклонение таза в опорную сторону и приведение в опорном ТБС увеличивает вероятность касания опорной ноги переносимой нижней конечностью. Для исключения их соприкосновения, в ТБС совершаются последовательно отведение, а затем приведение ноги. Отведение достигает максимальной своей амплитуды в момент, когда оба бедра оказываются лежащими в одной плоскости. После этого, в ТБС наблюдается приведение переносимой конечности, что обусловливает приближение проекции ОЦМ к стопе, которая вступает в контакт с опорной поверхность. За счет этого механизма удается снизить расход мышечной энергии на их сближение, уменьшить амплитуду колебаний ОЦМ во фронтальной плоскости, а значить увеличить устойчивость ходьбы в целом.

В первой половине переносного периода неопорная нижняя конечность сгибается в ТБС. Это обусловлено необходимостью не только выноса конечности вперед, но и исключением задевания стопой поверхности опоры, что достигается увеличением расстояния между ними в данный период. Во второй половине переносного периода в ТБС наблюдается разгибательное движение, как подготовка к опорному периоду. Она имеет цель, наоборот, постепенно уменьшить расстояние между стопой и плоскостью опоры, уменьшить вертикальные колебания ОЦМ для их сближения, а значит, и снизить силу реакции опоры. В горизонтальной плоскости в ТБС происходит процесс супинация.

Положение таза в процессе ходьбы тесно взаимосвязано с движениями в ТБС, а потому их целесообразно рассматривать одновременно. За счет приведения в ТБС. в конце переносного периода, нога, касающаяся опорной поверхности, оказывается приближена к срединной линии. В ТБС нижней конечности, вступающей в контакт с опорой, наблюдается супинация, приведение и сгибание бедра. Таз во фронтальной плоскости наклонен в одноименную сторону, развернут в горизонтальной плоскости в сторону противоположной ноги и отклонен назад в сагиттальной плоскости. С данных соотношений таза и бедра начинается двухопорный период шага. Сила инерции движущегося тела и задний толчок противоположной нижней конечности предопределяют поступательное перемещение ОЦМ тела вперед, а, следовательно, и перераспределение основной нагрузки на ногу, находящуюся впереди. Она становится также опорной уже в двухопорном ортостатическом положении (подробнее см. выше). Дальнейшие движения будем рассматривать относительно этой конечности. На нее переносится основная нагрузка, а ее ГБК оказывается главной точкой опоры для таза и всей верхней половины тела. Учитывая то, что противоположная нога, генерирующая задний толчок, расположена сзади и медиально, ускорение, создаваемое ею при отталкивании от поверхности опоры имеет направление вперед и в сторону передней ноги. Это в свою очередь предопределяет смещение ОЦМ в этом же направлении, за счет чего проекция ОЦМ смещается ближе к стопе впереди находящейся ноги.

В двухопорном положении ТБС нижней конечности, расположенной позади, находится в положении разгибания, а потому замкнут в сагиттальной плоскости наружными связками и суставной сумкой. Контралатеральный ТБС пребывает в позиции сгибания, в связи, с чем он, в сагиттальной плоскости, замыкается только мышцами - сгибателями и разгибателями. Во фронтальной плоскости оба ТБС замкнуты приводящими и отводящими мышцами. Так как ОЦМ смещается в сторону ноги, находящейся впереди, можно предположить, что напряжение и тех и других мышц меняется во времени. Увеличивается напряжение разгибателей и отводящих мышц нижней конечности, находящейся позади, и уменьшается тонус их антагонистов. Одновременно увеличивается напряжение приводящих мышц и разгибателей противоположной конечности. Преимущественное замыкание обоих ТБС мышцами обусловливает распределение нагрузки на верхние сектора их ГБК и полулунные поверхности ВВ. Данные области ГБК и ВВ соответственно испытывают сжимающие усилия. В этом процессе мышцы, контролируют перемещение ОЦМ и гасят его избыточные ускорения. При ходьбе таз совершает сложные, закономерно повторяющиеся, одинаковые по амплитуде вращательные и поступательные движения во всех трех плоскостях.

««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