Биомеханика опорно-двигательного аппарата (ОДА)

Опорно-двигательный аппарат подразделяют на пассивный (скелет и его соединения) и активный (мышцы) компоненты.

Под скелетом вообще понимают комплекс более или менее плотных образований, имеющих в жизни организма преимущественно механическое значение. Вокруг частей скелета человека группируются мягкие ткани и органы; этим объясняется соответствие между формой скелета и формой всего тела.

Скелет человека выполняет локомоторную функцию. Пассивная часть аппарата движения включает в себя кости и их соединения. Механические функции скелета способны обеспечивать опору, защиту и движение. Опорная функция заключается в прикрепления к скелету мышц, связок и сухожилий. Под защитой понимают ограждения внутренних органов от механических повреждений. Движение осуществляется благодаря наличию костных рычагов, приводимых в действие мышцами.

Скелет взрослого человека состоит более чем из 200 отдельных костей, преобладающая часть их— парные.

Скелет человека (рис. 17.36) подразделяют на основные части: череп, позвоночник, грудную клетку, верхние (включая плечевой пояс) и нижние (включая тазовый пояс) конечности.

Череп состоит из неподвижно сочлененных костей (исключение составляет височно-нижнечелюстной сустав). Череп служит опорой и защитой многим важнейшим органам. Череп образует , полость, которая представляет как бы конечное расширение позвоночного канала и заключает в себе головной мозг с его оболочками и сосудами.

Позвоночный столб составляется из всех истинных позвонков, крестца, копчика и межпозвоночных хрящей со связочным и суставным аппаратом (рис. 17.37).

Движения между отдельными позвонками малы, но, суммируясь, они сообщают позвоночному столбу значительные перемещения. Причем позвоночный столб может совершать движения вокруг всех осей: фронтальной, сагиттальной, вертикальной.

Возможны следующие движения позвоночного столба: 1) вокруг фронтальной оси — сгибание и разгибание (первое — гораздо значительнее), наиболее свободные из всех движений позвоночника; 2) вокруг сагиттальной оси — сгибание в сторону (иначе — отведение позвоночника от срединной плоскости); вокруг вертикальной оси — повороты (скручивание); 4) пружинное движение, при котором измеряют величину кривизны позвоночника (например, при прыжках). Большей подвижностью отличаются верхний поясничный и шейный отделы.

Рис. 17.36.Скелет взрослого человека:

1 — череп, 2 — грудная клетка, 3 — плечевая кость, 4 — позвоночник, 5 — таз, 6 — кости предплечья, 7— бедренная кость, 8 — кости голени

Рис. 17.37.Позвоночный столб:

/ — шейные позвонки, //— грудные позвонки, /// — поясничные позвонки, IV— крестцовые позвонки (крестец), V— копчиковые позвонки (копчик)

Межпозвоночные хрящи уменьшают толчки и сотрясения, образуют соединения прочные, но вместе с тем достаточно эластичные, допускающие движения во все стороны. Величина движений значительнее в том отделе позвоночника, где хрящи толще.

Каждому грудному позвонку соответствует пара ребер, из них 7 верхних соединяются своими передними концами с грудной костью. Позвоночник подразделяют на пять отделов: шейный (С₁ — С), грудной (T₁ — T₂), поясничный (L₁ — L₅), крестцовый (S₁ — S₅), копчиковый (4—5). Длина позвоночника мужчины равняется в среднем 73 см, причем на шейный отдел приходится 13 см, на грудной — 30 см, на поясничный — 18 см и на крестцово-копчиковый — 12 см. Позвоночник женщины имеет длину в среднем 69 см. В старческом возрасте наблюдается укорочение позвоночника на 5—7 см. В общем длина позвоночного столба составляет около 2/3 всей длины тела.

Функциональное значение позвоночника чрезвычайно велико: он поддерживает голову, служит гибкой осью туловища, принимает участие в образовании стенок грудной и брюшной полостей и таза. В позвоночном канале помещается спинной мозг, его оболочки и сосуды.

Опорно-двигательная функция позвоночника во многом определяется структурными и механическими свойствами межпозвоночных дисков, соединяющих тела соседних позвонков, а также связок, соединяющих тела, дуги и отростки позвонков.

Между отдельными позвонками имеются соединения, которые связывают: 1) их тела; 2) дуги и 3) отростки. Поверхности тел двух смежных позвонков, обращенные друг к другу, соединяются межпозвоночными хрящами, который отсутствует только между I и II шейным позвонками. Число этих хрящей в позвоночнике взрослого равняется 23, толщина хряща от 2 мм (в средней грудной области) до 10 мм у нижних поясничных позвонков. Кроме того, толщина неодинакова и в различных пунктах одного и того же хрящевого диска. Общая высота всех хрящей составляет приблизительно четверть длины всего позвоночного столба (не считая крестцовой кости и копчика).

Межпозвоночные хрящи прочно соединяют тела позвонков между собой, вместе с тем они допускают известную подвижность и играют роль эластических подушек.

Межпозвоночные хрящи выдерживают вес вышерасположенных отделов тела, а также демпфируют в силу своего строения ударные нагрузки, возникающие при ходьбе и беге, при постановке ноги на землю, при приземлении и др.

На среднем распиле позвоночника видно, что размеры тел позвонков увеличиваются в направлении сверху вниз; и можно выделить кривизны позвоночника в переднезаднем направлении — физиологический лордоз — изгиб, обращенный выпуклостью кпереди; физиологический кифоз — изгиб выпуклости кзади и незначительное искривление позвоночника вбок — физиологический сколиоз. Различают: лордозы — шейный и поясничный, кифоз — грудной и крестцовый (рис. 17.38). Кривизны позвоночника возникают у человека в связи с вертикальным положением его тела (рис. 17.39).

Рис. 17.38.Иллюстрация ненормальных изгибов позвоночника. а: 1 — первичный сколиоз пояснично-грудного отдела позвоночника;

2 — компенсаторный изгиб шейно-грудного отдела. б: 1 — кифоз грудного отдела, в: 1 — лордоз поясничного отдела

Кости соединяются между собой с помощью: 1) непрерывных соединений (при помощи соединительной ткани (синдесмозы) и посредством хряща (синхондрозы); 2) полусуставов (где соединение осуществляется посредством хряща); 3) прерывных соединений (суставов, обеспечивающих высокую подвижность всего тела).

Суставы различаются по форме суставных поверхностей и степени подвижности сочленяющихся костей (см. табл. 17.7).

Рис. 17.39.Кривизна позвоночника: а — у шимпанзе, б — у человека

Сустав называется простым, если в его образовании участвуют две кости, и сложным, если его образуют три кости и более. Сустав включает основные структурные элементы (хрящи, капсулу, суставную полость) и вспомогательные образования (синовиальные складки, внутрисуставные связки, внутрисуставные хрящи, суставные губы, сесамовидные кости).

К простым суставам относятся блоковидный сустав (см. табл. 17.7). К суставам со сложной кинематикой движения относят коленный сустав.

Наличие синовиальной жидкости в суставе, ее физико-механические свойства и свойства хряща обеспечивают функциональную конгруэнтность суставных поверхностей при локомоциях (движениях). Питание внутрисуставного хряща происходит за счет интерстициальной и синовиальной жидкостей. Синовиальная жидкость обладает важными свойствами для функционирования сустава (суставов), например, высокой упругостью. Удельный вес синовии равен 1,07-10⁴ Н/м³, а относительная вязкость (по отношению к вязкости воды, которая составляет 1,002) колеблется от 5,7 до 1160.

От наличия синовиальной жидкости в суставе и ее свойств зависит функция сустава.

С точки зрения кинематики, соединения (суставы) между отдельными звеньями (костями) представляют собой кинематические пары, идеализированные схемы которых представлены в таблице 17.7.

Подвижность кинематических цепей обеспечивается работой мышц. Равнодействующая мышечных сил действует на кости, вращающиеся вокруг осей суставов.

Таблица 17.7