Анатомо-физиологические и биомеханические характеристики позвоночника

 

Возникновение заболеваний и повреждений позвоночника в определённой мере связано с целым рядом анатомических и функциональных особенностей опорно-двигательного аппарата, и в частности позвоночника. Формирование позвоночного столба и его функциональное совершенствование занимает весьма длительный период онтогенеза, заканчиваясь к 20-22 годам (рис.1).

 

увеличить
Рис. 1

Основные функции позвоночного столбаопора, защита и движение. Каждая из этих функций осуществляется благодаря сложному взаимодействию структурных элементов позвоночника: позвонков, межпозвоночных дисков, связочно-суставного аппарата и мышц (рис.2).

увеличить
Рис. 2

Каждый из элементов позвонка (рис.3) – тело, дужка и отростки – выполняет преимущественно одну функцию: тело позвонка является несущей конструкцией, дужка играет защитную роль, а система отростков осуществляет кинематическую функцию.

увеличить
Рис. 3

Опорной функции позвоночника способствует строение костной ткани позвонка, что позволяет позвонку к моменту завершения роста скелета, по данным Galante, Rostoker и Ray (1970), выдерживать в вертикальном направлении нагрузку, в 3 раза больше, чем в поперечном направлении

Проявлением несущей функции позвоночника является увеличение общей прочности позвонков от головы к тазу. Согласно экспериментальным данным различных авторов (Furst, 1940; Аникин Ю.М., 1972, и др.) шейные позвонки выдерживают нагрузку до 150-350кг, среднегрудные – до 200-800кг, а поясничные – до 300-1300кг.

Вместе с позвонками активную роль в осуществлении опорной и двигательной функции позвоночника играют межпозвоночные диски (которые в ортопедии называют «душой позвоночника»). Диск образован двумя хрящевыми пластинками со стороны верхнего и нижнего позвонков, фиброзным кольцом и студёнистым ядром.

Фиброзное кольцо состоит из нескольких концентрически расположенных слоёв коллагеновых волокон, взаиморасположение которых обеспечивает его высокую прочность и эластичность. Фиброзное кольцо образует прочное соединение с телами позвонков. Под действием динамических и функциональных нагрузок в процессе развития позвоночника направление коллагеновых волокон принимает оптимальную для функции ориентацию. Исследования показывают, что под действием осевой нагрузки такая ориентация может меняться, а вместе с ней меняется и эластичность кольца, тонко приспосабливаясь к нагрузке.

Студёнистое ядро межпозвоночного диска участвует в статико-динамической функции позвоночника, являясь своеобразным суставом, обеспечивающим перемещение позвонков друг относительно друга. Кроме того, студёнистое ядро амортизирует осевые нагрузки, приходящиеся на позвоночник. Наконец, оно участвует в соединении позвонков между собой. В целом межпозвоночный диск является шарнирным соединением, на котором происходит вращение позвонка.

Биомеханические исследования показали, что диски играют особую роль в предотвращении излишней ротации позвоночника: при повороте тела диск деформируется не по типу скручивания, а по типу скольжения, так как ось вращения проходит через основание остистого отростка. Поэтому верхний позвонок при ротации позвоночника поворачивается по этой оси, скользя по нижнему и сдвигаясь в сторону. Фиброзное кольцо амортизирует и гасит это движение. Таким образом, фиброзное кольцо вместе со студёнистым ядром представляют собой как бы напряжённую конструкцию, обеспечивающую возврат в исходное состояние без дополнительных усилий.

Эти механические свойства образования «фиброзное кольцо-студёнистое ядро» поддерживаются своеобразной гидродинамической системой студёнистого ядра и окружающих тканей.

При увеличивающейся статической нагрузке на позвоночник межпозвоночный диск - благодаря проницаемости хрящевых пластинок и фиброзного кольца - теряет микромолекулярные вещества, переходящие в околодисковое пространство. Способность удерживать воду при этом снижается, объём диска уменьшается. Наоборот, при снятии нагрузки диффузия происходит в обратном направлении, гидрофильность тканей увеличивается, студёнистое ядро разбухает. Благодаря такой саморегулирующей системе межпозвоночный диск хорошо адаптируется к действию различных по величине нагрузок.

Связочный аппарат позвоночника также имеет ряд существенных особенностей. Он активно участвует в статике. Передняя и задняя продольные связки межпозвоночного симфиза ограничивают наклона туловища в переднезаднем направлении, а короткие связки между дугами и отростками - в боковом и горизонтальном, гася взаимосмещение позвонков. Стабилизирующая функция связочного аппарата осуществляется не пассивно, а активно.

Рассмотренные анатомо-физиологические и статико-динамические особенности позвонков, межпозвоночных дисков и связочного аппарата позвоночника позволяют более чётко представить его опорную функцию. Она осуществляется за счёт всех структурных компонентов и изменяется в процессе индивидуального развития.

При вертикальной позе устойчивое положение тела сохраняется не только за счёт суставно-связочного аппарата позвоночника, но и, главным образом, за счёт работы мышц. Наибольшую роль в сохранении вертикальной позы играют мышцы, выпрямляющие позвоночник. Одновременно задействованы и подвздошно-поясничные мышцы, действующие как сгибатели туловища.

Суммарное напряжение мышц, удерживающих тело человека в вертикальном положении, довольно велико. Так, для человека массой 70кг в вертикальной позе мышечное напряжение по отношению к телу III поясничного позвонка (L3) достигает 100кг, а при сидении – 150кг [Цивьян Я.Л., 1970].

Роль и место работы мышц при сохранении вертикальной позы не ограничиваются деятельностью мышц, выпрямляющих позвоночник и подвздошно-поясничных. Morris, Lucas и Bresler (1961) считают, что позвоночник не является единственной опорой туловища: в удержании тела человека в вертикальном положении значительное участие принимают грудная и брюшная полости. Они играют роль своеобразных гидродинамических опор, заполненных воздухом и жидкостью. Роль этих «цилиндров» – как опорных элементов - особенно велика при поднятии тяжестей, так как в это время благодаря работе мышц туловища, в первую очередь мышц брюшного пресса, жёсткость стенок «цилиндров» увеличивается и давление в грудной и брюшной полостях возрастает. По данным А.И. Казьмина и соавт. (1981), нагрузка на грудной отдел позвоночника при этом снижается до 50%, а на поясничный – до 70%.

Движения позвоночника совершаются в трёх плоскостях: во фронтальной – боковые наклоны, в сагиттальной – сгибание и разгибание, в горизонтальной – повороты туловища относительно продольной оси.

Следует отметить особенность боковых наклонов позвоночника: они всегда сочетаются с ротацией позвонков [Gregersen и Lucas, 1967; Hirsch, White, 1971], тела которых поворачиваются при этом в сторону вогнутости (человеческого тела). При сколиозе – в противоположность естественной комбинации движений – наблюдается обратная картина: тела позвонков при изгибе позвоночника оказываются повёрнутыми в сторону выпуклости. Наблюдаются и некоторые особенности стояния людей, имеющих сколиоз.

Так, формирование бокового искривления в каком-либо участке позвоночника сопровождается изменением положения других звеньев (рис.4).

увеличить
Рис. 4

Голова чаще всего наклоняется в сторону выпуклости грудного искривления, а таз смещается в противоположную сторону (рис.5).