Статика и динамика позвоночника в норме

С биомеханической точки зрения позвоночник подобен кинематической цепи, состоящей из отдельных звеньев. Каждый позвонок сочленяется с соседним в трех точках: в двух межпозвонковых сочленениях сзади и телами (через посредство межпозвонкового диска) спереди. Соединения между суставными отростками представляют собой истинные суставы. Располагаясь один над другим, позвонки образуют два столба - передний, построенный за счет тел позвонков, и задний, образующийся из дужек и межпозвонковых суставов.

В функциональном "отношении позвоночник можно рассматривать только во взаимодействии со связочным аппаратом и мышцами туловища. Нормальная функция этой сложной системы возможна благодаря динамическому равновесию всех структур.

Подвижность позвоночника, его эластичность и упругость, способность выдержать значительные нагрузки в значительной мере обеспечиваются межпозвонковыми дисками, которые находятся в тесной анатомо-функциональной связи со всеми формациями позвоночника, образующими позвоночный столб.

Межпозвонковый диск играет ведущую роль в биомеханике, являясь "душой" движения позвоночника (Franceschilli, 1947). Будучи сложным анатомическим образованием, диск выполняет следующие функции: 1) соединение позвонков; 2) обеспечение подвижности позвоночного столба и 3) предохранение тел позвонков от постоянной травматизации (амортизационная роль).

Всякий патологический процесс, ослабляющий функцию диска, нарушает биомеханику позвоночника. Нарушаются так же функциональные возможности позвоночника.

Анатомический комплекс, состоящий из одного межпозвонкогого диска, двух смежных позвонков с соответствующими суставами и связочным аппаратом на данном уровне, называется позвоночным сегментом (Schmorl и Junghanns, 1931) (рис. 1).

Рис. 1. Позвоночный сегмент (по Schmorl и Junghanns). 1 - межпозвонковое отверстие; 2 - спинномозговой нерв; 3 - задняя продольная связка; 4 - пульпозное ядро; 5 - гиалиновая пластинка; 6 - волокна фиброзного кольца; 7 - передняя продольная связка; 8 - лимбус; 9 - тело позвонка; 10 - замыкающая пластинка; 11 - межпозвонковый сустав; 12 - межостистая связка; 13 - надостистая связка

Межпозвонковый диск состоит из двух гиалиновых пластинок, плотно прилегающих к замыкательным пластинкам тел смежных позвонков, пульпозного ядра (nucleus pulposus) и фиброзного кольца (annulus fibrosus). Пульпозное ядро, являясь остатком спинной хорды, содержит межуточное вещество хондрин, небольшое число хрящевых клеток и переплетающихся коллагеновых волокон, образующих своеобразную капсулу и придающих ему эластичность. В центре ядра имеется полость, объем которой в норме составляет 1 - 1,5 см³. Фиброзное кольцо межпозвонкового диска состоит из плотных соединительнотканных пучков, переплетающихся в различных направлениях. Центральные пучки фиброзного кольца расположены рыхло и постепенно переходят в капсулу ядра, периферические же пучки тесно примыкают друг к другу и внедряются в костный краевой кант. Задняя полуокружность кольца слабее передней, особенно в поясничном и шейном отделах позвоночника. Боковые и передние отделы межпозвонкового диска слегка выступают за пределы костной ткани, так как диск несколько шире тел смежных позвонков. Передняя продольная связка, являясь надкостницей, прочно сращена с телами позвонков и свободно перекидывается через диск (Н. С. Косинская, 1961). Задняя же продольная связка, участвующая в образовании передней стенки позвоночного канала, наоборот, свободно перекидывается над поверхностью тел позвонков и сращена с диском. Массивная в центральной части, эта связка истончается кнаружи, т. е. по направлению к межпозвонковым отверстиям. Помимо дисков и продольных связок, позвонки соединены двумя межпозвонковыми суставами, образованными суставными отростками, имеющими особенности в различных отделах. Эти отростки ограничивают межпозвонковые отверстия, через которые выходят нервные корешки.

Соединение дужек и отростков смежных позвонков осуществляется системой связок: желтой, межостистой, надостистой и межпоперечной (рис. 2).

Рис. 2. Связочный аппарат позвоночника в сагиттальном (А) и горизонтальном (Б) сечении (по В. П. Воробьеву). 1 - lig. longitudinale posterius; 2 - lig. flavum; 3 - lig. interspinals, 4 - lig. supraspinal; 5 - lig. intertransversarium; 6 - lig. longitudinale anterius; 7 - annulus fibrosus; 8 - nucleus pulposus; 9 - capsula articulationis intervertebralis

Иннервация наружных отделов фиброзного кольца, задней продольной связки, надкостницы, капсулы суставов, сосудов и оболочек спинного мозга осуществляется синувертебральным нервом (n. sinuvertebralis), состоящим из симпатических и соматических волокон (рис. 3). Питание диска у взрослого происходит путем диффузии через гиалиновые пластинки.

Рис. 3. Иннервация позвоночника. Система нерва Люшка (по А. А. Отелину). 1 - задняя ветвь спинномозгового нерва и ветви от нее к отросткам позвонка; 2 - ветви от симпатического узла к поперечному отростку; 3 - ветви от симпатического ствола к телу позвонка; 4 - симпатический ствол; 5 - симпатический корешок к менингеальной ветви; 6 - корешок от сплетения на сосудах к менингеальной ветви; 7 - менингеальная ветвь

Перечисленные анатомические особенности, а также данные сравнительной анатомии позволили рассматривать межпозвонковый диск как полусустав (Schmorl, Junghanns, 1932; Д. Г. Рохлин, 1939, и др.), при этом пульпозное ядро, содержащее жидкость типа синовиальной (Т. П. Виноградова, 1951), сравнивают с полостью сустава; замыкательные пластинки позвонков, покрытые гиалиновым хрящом, уподобляют суставным концам, а фиброзное кольцо рассматривают как капсулу сустава и связочный аппарат. Эта аналогия подтверждается при дегенеративном поражении диска (остеохондроз), протекающем как типичный артроз любого сустава.

Статическая функция диска связана с амортизацией. Диски обеспечивают гибкость и плавность движений смежных позвонков и всего позвоночника в целом. Амортизационная способность диска обусловлена эластическими механизмами. Источником эластической силы диска является пульпозное ядро, обладающее значительным тургором и гидрофильностью. По данным Fick (1904), ядро, впитывая воду, способно увеличивать свой объем в 2 раза. Пульпозное ядро находится под постоянным давлением в толще окружающего его по сторонам фиброзного кольца, а сверху и снизу - хрящевых пластинок.

Стремление пульпозного ядра к расправлению передается в виде равномерного давления на фиброзное кольцо и гиалиновые пластинки (рис. 4). Эластичность ядра, раздвигающего смежные позвонки, уравновешивается напряжением фиброзного кольца, соединяющего позвонки, весом тела человека и тонусом мышц туловища. Тургор ядра изменчив в значительных пределах: при уменьшении нагрузки он повышается и - наоборот. О значительном давлении ядра можно судить по тому, что после пребывания в течение нескольких часов в горизонтальном положении расправление дисков удлиняет позвоночник больше чем на 2 см. По данным Э. Ю. Остен-Сакена (1926), разница в росте человека в течение суток может достигать 4 см. Уменьшение роста в старческом возрасте (до 7 см) обусловлено потерей гидрофильности (высыхание) диска. Наличие внутридиокового давления, резко возрастающего при нагрузке, доказано экспериментально (Naylor, 1951; Hirsch, 1952; Nachemson, 1960) на добровольцах. Так, установлено, что в положении сидя давление внутри диска L_4-5 достигает больше 100 кг, т. е. 10 - 15 кг на 1 см².

Рис. 4. Распределение вертикальной динамической нагрузки в позвоночнике и трансформация ее в диске (в нормальных условиях)

Шейный отдел позвоночника менее мощный и более подвижный, чем поясничный, и в целом подвергается меньшим нагрузкам. Однако нагрузка на 1 см² диска шейного отдела не меньшая, а даже большая, чем на 1 см² поясничного отдела (Mathiash, 1956). Вследствие этого дегенеративные поражения шейных позвонков встречаются так же часто. Это положение подтверждается клиническими наблюдениями.

Резистентность нормального диска к силам сжатия значительна. Hirsch (1963) экспериментально доказал, что при нагрузке 100 кг высота диска уменьшается лишь на 1,4 мм, а ширина увеличивается на 0,75 мм. Для разрыва нормального диска требуется осевая сила сдавления 500 кг; при остеохондрозе же повреждение диска наступает значительно раньше (при 200 кг). По данным А. С. Обысок и А. А. Соблина (1971), для предельного растяжения нормального диска необходима нагрузка в 2¹/₂ - 5 раз меньшая, чем для предельного сжатия.

Межпозвонковый диск - типичная гидростатическая система. Так как жидкости практически несжимаемы, то всякое давление, действующее на ядро, трансформируется равномерно во все стороны. Фиброзное кольцо напряжением своих волокон удерживает ядро и поглощает большую часть энергии. Благодаря эластическим свойствам диска значительно смягчаются толчки и сотрясения, передаваемые на позвоночник, спинной и головной мозг при беге, ходьбе, прыжки и т. д.

В динамике диск играет роль шарового сочленения, вокруг которого осуществляется движение позвонков. При этом получается рычаг первой степени, где ядро, отличающееся высоким тургором, является точкой опоры. Calve и Golland (1930) сравнивают его с шарикоподшипником. Даже простое выпрямление позвоночника из положения сгибания приводит к давлению на поясничные диски равному 90 - 127 кг. Если же аналогичное движение сопровождается поднятием тяжести, например, у спортсмена, поднимающего штангу, то по закону рычагов нагрузка на диск становится во много раз большей, чем вес поднимаемого предмета (Armstrong, 1952; И. Л. Тагер, И. С. Мазо, 1968).

Bradford и Spurling (1947) для расчета биомеханики нагрузок поясничного отдела позвоночника теоретически обосновали принципы рычагов (рис. 5), когда одно плечо составляет расстояние от центра вращения (люмбо-сакральный диск) до места приложения сил (верхнегрудные позвонки) и равняется в среднем 45 см. Второе плечо вычисляют с учетом размеров угла приложения сил мышц спины; в среднем оно равняется 5 см. Таким образом, соотношение поднимаемого груза и сил давления на указанный диск соответствует 1:9. Фактически истинные силы, действующие на поясничные диски, на 25%, а на грудные на 50% меньше, чем в эксперименте (Morris, 1961; Р. В. Овечкин, 1965; Ф. Ф. Огиенко, 1971). Это расхождение обусловлено несколькими причинами, главные из которых: исходная поза, угол наклона, величина груза и коэффициент внутрибрюшного давления. При подъеме тяжести происходит рефлекторное сокращение мышц туловища, включая межреберные, брюшной стенки и диафрагмы; получается полуригидный абдоминальный цилиндр (исследовались внутригрудное и внутрибрюшиое давление и электромиограммы - ЭМГ), "отвлекающий" на себя часть этой силы.

Рис. 5. Схема расчета нагрузки на последний поясничный диск с учетом внутрибрюшного давления (по Morris, Lucas, Bresler)

Nachemson (1965) математически вывел формулу нагрузки диска с учетом указанных факторов. Так, у человека весом 70 кг, удерживающего руками груз 15 кг, при наклоненном вперед туловище под углом 20° нагрузка на диски L_3-4 и L_4-5 равна 200 кг. Если же увеличить угол наклона до 70°, то тот же груз (15 кг) вызывает давление на диск 300 кг. Вместе с тем груз 50 кг, но при небольшом наклоне (20°) также оказывает давление 300 кг. Подъем же груза 50 кг при наклоне туловища в 70° сопровождается давлением на диск до 489 кг.

При удерживании груза в вертикальном положении и при незначительных наклонах сила сжатия диска складывается из веса верхней половины тела, веса груза и уравновешивающей силы мышц разгибателя спины. При максимальном сгибании туловища, по данным электромиографин, активная деятельность мышц разгибателя практически выключается, поэтому противодействующая сила целиком приходится на счет напряжения связочного аппарата пояснично-крестцового отдела позвоночника (Ф. Ф. Огиенко, 1971).

Таким образом, возникающие силы сдавления не являются чрезмерными, чтобы вызвать повреждение здоровых межпозвонковых дисков. Другую картину мы наблюдаем у больных остеохондрозом: болевой синдром наступает при попытке поднять даже небольшой груз (10 - 20 кг), особенно при крайнем наклоне туловища вперед. При этом, как указывает Р. В. Овечкин (1971), инерция веса груза еще не преодолена и действие сил сдавления диска достигает максимума.

Исследования сотрудников нашей клиники (А. Е. Дмитриев, В. Д. Козлов, В. А. Костин, 1970) показали, что у спортсменов высокой квалификации (например, при подъеме штанги весом 100 кг) фактическое уменьшение силы сдавления дисков происходит не только за счет значительного развития мышечного аппарата. Важным фактором является рациональный динамический стереотип упражнений, при котором создается ускорение штанги в начальный период подъема и наиболее активно участвуют мышцы брюшного пресса, а затем спортсмен использует силу инерции.

Упругое и практически несдавливаемое ядро диска при движении перемещается в противоположную сторону: при сгибании позвоночника - кзади, при разгибании - кпереди, при боковых изгибах - в сторону выпуклости (А. П. Николаев, 1950).

Одной из характерных особенностей позвоночного столба является наличие четырех так называемых физиологических кривизн, расположенных в сагиттальной плоскости:

1) шейный лордоз, образованный всеми шейными и верхнегрудными позвонками. Максимум выпуклости приходится на уровень С₅ и С₆;

2) грудной кифоз. Максимум вогнутости находится на уровне Th₆ - Th₇;

3) поясничный лордоз, образующийся последними грудными и всеми поясничными позвонками. Максимум выпуклости на уровне тела L₄;

4) крестцово-копчиковый кифоз.

В норме крестец находится под углом 30° по отношению к фронтальной оси тела. Вертикальная установка человека, в частности, определяется положением оси таза и пояснично-крестцовым углом. Резко выраженный наклон таза вызывает для сохранения равновесия поясничный лордоз.

Кривизны позвоночника являются следствием специфической особенности человека и обусловлены вертикальным положением туловища. У новорожденных позвоночник представляет собой прямую линию; изгибы отсутствуют (рис. 6, А). Когда ребенок начинает поднимать голову, появляется шейный лордоз; когда начинает сидеть, образуется грудной кифоз, когда начинает ходить, возникает поясничный лордоз. Окончательное формирование изгибов заканчивается в 15 - 16 лет (З. А. Ляндерс, Л. К. Закревский, 1967). Благодаря изгибам шейные и поясничные диски выше в вентральном отделе, а грудные - в дорсальном (Раубер, 1919; Jacobi, 1927).

Рис. 6. Возрастные изменения позвоночника. А - позвоночник новорожденного; физиологические изгибы отсутствуют; Б - позвоночник пожилого человека; равномерное уменьшение высоты межпозвонковых дисков и обызвествление связочного аппарата

Изгибы позвоночника удерживаются активной силой мышц, связками и формой самих позвонков. Это имеет важное значение для поддержания устойчивого равновесия без излишней затраты мышечной силы. Изогнутый таким образом позвоночник благодаря своей эластичности с пружинящим противодействием выдерживает нагрузку тяжести головы, верхних конечностей и туловища. Линия тяжести перекрещивает S-образную линию позвоночника в нескольких местах.

По общепризнанному мнению, S-образный профиль позвоночника является результатом ортостатического положения человека. Известно, что прямой столб крепче в отношении нагрузки, чем изогнутый, однако при двойной изогнутости конструкция обладает большей крепостью, чем конструкция с одинарным изгибом. S-образная форма смягчает толчки и удары при движениях. Самой перегруженной дугой S-образной рессоры является поясничный лордоз, амортизирующий нагрузки всего торса и противонагрузки со стороны нижних конечностей и таза при вертикальном положении человека.

Исследования (Asmussen, 1960) показали, что у большинства людей линия тяжести головы, верхних конечностей и туловища лежит на 1,3 см кпереди от горизонтали, проведенной через оба ушных отверстия.

Нижний отдел мускулатуры спины при стоянии осуществляет противодействие силе тяжести, между тем как брюшные мышцы пассивны. Следовательно, у большинства людей линия тяжести проходит впереди позвоночника и последний поддерживается в прямом положении благодаря рефлекторному сокращению мышц спины, поэтому линия тяжести не увеличивает всех изгибов позвоночника, а скорее выпрямляет поясничный лордоз. При стоянии мышечный и связочный аппараты позвоночника находятся в известном напряжении, оказывая давление на тела позвонков (рис. 7).

Рис. 7. Нормальное расположение центра тяжести тела С и парциального центра тяжести верхней половины туловища Ср. по одной вертикальной оси

В настоящее время наличие физиологического сколиоза позвоночника почти никем не признается..Наряду с этим нельзя не учитывать данных Ф. Ф. Огиенко (1971) о неравномерном распределении нагрузки на межпозвонковый диск, обусловленном анатомической асимметрией тела человека: у 60% людей левая нога оказывается более длинной, у 20% ноги равны по длине и у 20% длиннее правая нога. Разница в длине ног обычно не превышает 1 см, но тем не менее при стоянии человек редко нагружает в одинаковой степени обе ноги. При преимущественной нагрузке правой ноги таз и поясничный отдел позвоночника слегка наклоняются влево, а грудной отдел позвоночника - в противоположную сторону (компенсаторно). Одновременно происходит некоторая ротация туловища, так как плечевой пояс поворачивается в сторону свободной ноги, т. е. влево. Большинство людей, являющихся правшами, при поднятии груза сгибаются не только вперед, но и частично вправо. Эти асимметрии, по мнению автора, составляют биомеханическую основу хронической микротравматизации, главным образом левых задне-боковых отделов диска (растяжение кольца и смещение в ту же сторону пульпозного ядра), и являются причиной преобладания левосторонней локализации болей при поясничном остеохондрозе.

Движения позвоночника обусловлены сокращением определенных групп мышц, располагающихся спереди и сзади него. Разгибатели по своей массе значительно превосходят сгибатели, что объясняется статической нагрузкой на позвоночный столб в вертикальном положении тела. П. Ф. Лесгафт (1905) установил, что мышцы, имеющие косое направление волокон, большую поверхность начала и небольшую протяженность (к ним относятся и разгибатели спины), способны проявлять большую силу при незначительном напряжении. Работа этих мышц, противодействуя силе тяжести, удерживает туловище в вертикальном положении, сообщает ему ту или иную позу. Эти мышцы названы Лесгафтом "сильными" в отличие от "ловких" длинных мышц (например, предплечья).

Связки позвоночника в динамическом аспекте служат для торможения движений в противоположную сторону. Так, разгибанию препятствует передняя продольная связка, сгибанию - задняя продольная, межостистая и желтая связки, боковым наклонам - межпоперечные связки. В нормальных условиях между связками-антагонистами существует физиологическое равновесие. Иногда связки выдерживают очень большую нагрузку. Об этом свидетельствуют данные Floyd и Silver (1955), проводивших электромиографические исследования мышц спины при движениях. ЭМГ-активность мышц была довольно большой и определялась во время движения, за исключением положения крайнего сгибания и крайнего разгибания. Именно в эти моменты вся нагрузка в виде растягивающей силы полностью приходилась на связочный аппарат.

Межпозвонковые суставы ограничивают свободную гибкость позвоночника, придавая ей определенное направление. Движение в этих парных суставах и диске происходит синхронно.

При столь обширной функции позвоночника между отдельными его сегментами не может быть большой подвижности; в противном случае позвоночник не мог бы служить надежной опорой. Кроме того, слишком большая подвижность между позвонками была бы опасна для спинного мозга. Вместе с тем движения многих сегментов, суммируясь, обеспечивают значительную подвижность позвоночника в целом. Степень подвижности в каждом сегменте прямо пропорциональна квадрату высоты (толщины) диска и обратно пропорциональна квадрату площади его поперечного сечения. Это ясно из простого примера. Если взять эластический стержень, то его подвижность в смысле сгибания - разгибания будет тем большей, чем меньше плоскость поперечного сечения по отношению к длине (В. Д. Штефко, 1947). Наименьшая высота у самых верхних шейных и верхних грудных дисков. Диски, расположенные ниже этого уровня, увеличиваются по высоте, достигая максимума на уровне L₅ - S₁ (И. Л. Клионер, 1962; А. Е. Рубашева, 1967, и др.), поэтому наибольший объем движения наблюдается в пояснично-крестцовом и нижнешейном отделах. Разгибание В ЭТИХ отделах сопровождается некоторым физиологическим сужением межпозвонкового отверстия, обусловленным смещением вперед суставного отростка нижележащего позвонка (Hadley, 1951). Наименьшая подвижность, отмечаемая в грудном отделе, зависит и от тормозящих влияний ребер, соединяющих грудную клетку в довольно жесткий цилиндр, а также от прилегания друг к другу остистых отростков, соединенных между собой мощным связочным аппаратом.

Общая длина всех дисков составляет у новорожденных 50% длины позвоночного столба. На протяжении периода роста тела позвонков растут быстрее, чем диски. У взрослых людей общая высота межпозвонковых дисков составляет 25 % длины позвоночника.

Движения позвоночника осуществляются по трем осям: 1) сгибание и разгибание по поперечной оси; 2) боковые наклоны вокруг сагиттальной оси и 3) ротационные (повороты тела) вокруг продольной оси. Возможны также круговые движения, совершаемые последовательно по всем трем осям.

Ротационные движения преобладают в шейном и верхнегрудном отделах. Сгибание и разгибание достигают наибольшего размаха в поясничном и шейном отделах, боковые движения - в нижнегрудном отделе. По данным Mollier (1924), при сгибании позвоночника практически сгибается только грудной отдел, а шейный и поясничный отделы выпрямляются, при разгибании же наоборот шейные и поясничные отделы разгибаются, а грудной отдел выпрямляется.

Проанализировав движения в поясничном отделе вокруг поперечной оси (сгибание и разгибание), Б. Л. Дубнов (1967) выявил следующие происходящие при этом изменения:

при сгибании: 1) растяжение задней продольной связки и волокон задней части кольца диска; 2) относительное смещение кзади ядра диска; увеличивающееся напряжение заднего полукольца; 3) растяжение желтых и межостистых связок; 4) расширение межпозвонкового отверстия и натяжение капсулы межпозвонковых суставов; 5) напряжение мышц передней брюшной стенки и расслабление разгибателей спины; 6) натяжение твердой мозговой оболочки и корешков;

при разгибании: 1) растяжение переднего полукольца диска; 2) относительное смещение ядра диска кпереди; 3) сокращение желтых связок (их укорочение) и расслабление межостистых связок; 4) сужение межпозвонковых отверстий; 5) растяжение мышц передней брюшной стенки и напряжение длинных мышц спины; 6) расслабление твердой мозговой оболочки и корешков.

Вопрос об амплитудах движения позвоночника обсуждается в многочисленных работах (П. Ф. Лесгафт, 1892; Weber, 1894; Volkman, 1899; Fick, 1911; О. В. Недригайлова, 1936, и др.). В табл. 1 приведены амплитуды движения позвоночника, выраженные в градусах, по данным М. Ф. Иваницкого (1962). Кроме того, возможно круговое движение вокруг промежуточных осей, а также удлинение и укорочение позвоночника за счет увеличения или сглаживания изгибов позвоночника при сокращении или расслаблении соответствующей мускулатуры (пружинящие движения).

Таблица 1

Следует, однако, отметить, что цифровые данные по материалам разных авторов, весьма широко варьируют. Так, например, сгибание позвоночника в целом изменяется в пределах 33 - 200°. Эти колебания, несомненно, связаны со многими факторами - степенью натренированности мускулатуры, возрастом и профессией, податливостью связочного аппарата и др.

Статико-динамический аппарат позвоночника находится под беспрерывным контролем мышц всего тела: туловища, живота, мышц, связывающих туловище с нижними конечностями, и даже под воздействием дыхательных мышц, включая диафрагму (В. Д. Чаклин, 1957).

Клиника "Семейный доктор"