Опорно-двигательный аппарат
Основными морфофункциональными системами человека, интегрирующими все органы и ткани организма в единое целое являются: нервная, сердечно-сосудистая, пищеварительная, выделительная, эндокринная и костно-мышечная. Опорно-двигательный аппарат (ОДА) является частью костно-мышечной системы. Опорно-двигательный аппарат включает в себя всю совокупность органов и тканей опоры и движения: кости, суставы и другие виды соединения костей, мышцы, сухожилия, фасции, кожу и клетчатку со всеми особенностями их строения, кровоснабжения, иннервации и лимфооттока. Согласно международной клинической классификации выделяют 7 областей тела (голова, шея, грудь, живот, таз, позвоночник, верхние и нижние конечности), имеющих значимые анатомо-физиологические особенности. К ОДА относят позвоночник, таз, верхние и нижние конечности. Их рассматривают как особые структурные элементы опорно-двигательного аппарата, причем каждый из них состоит из морфофункциональных и биомеханических звеньев (сегментов, отделов):
- верхняя конечность — плечо, предплечье, кисть;
- нижняя конечность — бедро, голень, стопа;
- позвоночник — шейный, грудной, поясничный отделы;
- таз — крестец, копчик, тазовые кости.
В опорно-двигательном аппарате человека роль механически наиболее прочного пространственного каркаса для мышц, сухожилий, связок, фасций выполняют кости (костный скелет), а всевозможные виды движений происходят в суставах, полусуставах и в зонах мягкотканного соединения костей. Наиболее совершенным видом соединения костей являются суставы, представляющие собой пример анатомо-физиологического единства в организме человека. Любое нарушение этого единства со стороны морфофункциональной триады (суставной хрящ, синовиальная оболочка, синовиальная жидкость) сустава на почве повреждения, хронической травматизации или заболевания может закончиться развитием того или иного патологического состояния (хронический синовит, контрактура, деформирующий артроз и т.д.).
Опорно-двигательный аппарат в целом и костный скелет в частности в организме человека обеспечивают выполнение ряда важных функций:
- опоры и движения;
- защиты жизненно важных органов от воздействия внешних травмирующих сил, преимущественно механической природы;
- кроветворения;
- депо минеральных солей и микроэлементов.
За последние 150 лет интенсивного развития научной медицины точка зрения на роль и значимость костного скелета человека в жизнедеятельности организма постоянно менялась от неизменной субстанции и законченного продукта развития, до одной из самых лабильных систем организма. По современным воззрениям ни одна система, за исключением разве только циркулирующей крови, не подвержена таким глубоким и главное быстрым сдвигам и изменениям как костная.
В природе среди множества разнообразных факторов внешней среды, постоянно влияющих на организм человека и животных, огромная роль принадлежит механической энергии. Академик И.П. Павлов (1921), касаясь этого вопроса, писал, что «…принципы механической самозащиты, принцип механического иммунитета должен был достигнуть высочайшего совершенства». И это совершенство просматривается повсюду. Так, жизненно важные органы груди и живота, спинной и головной мозг в организме человека от воздействия различных видов внешней механической энергии надежно защищены целым рядом анатомических образований и механизмов самозащиты.
Толчки и неровности при ходьбе, беге, прыжках и любых других ударах, действующих вдоль вертикальной оси человека, первоначально гасят стопы — совершеннейшие биологические рессоры (демпферы) человека.
Эстафетную палочку противодействия деформирующим механическим воздействиям на организм человека на следующем этапе принимают коленные и тазобедренные суставы. Но, даже потеряв значительную часть первоначальной своей величины на передовых рубежах, ударный импульс все еще остается очень опасным для спинного и головного мозга. Огромная площадь и большая масса костей таза и крестца способствуют тому, что повреждающий импульс теряет свою остроконечную направленность и тем ослабляется.
Однако среди комплекса анатомических структур и физиологических механизмов механического иммунитета ведущая роль принадлежит самому сложному и эффективному демпферу человеческого тела — позвоночному столбу, но прежде всего межпозвонковым дискам. Их роль в организме человека огромна. Сумма 23 межпозвонковых полухрящевых дисков у взрослого человека составляет от 1/5 до ¼ высоты позвоночного столба. Межпозвонковые диски в шейном отделе позвоночника составляют 40% его высоты, в грудном отделе — 20% и в поясничном отделе — 33,3%. Чем выраженнее подвижность в том или ином отделе позвоночника (шейный, поясничный), тем большей массой межпозвонковых дисков он обеспечен.
Огромная роль в амортизирующих возможностях позвоночника принадлежит пульпозным ядрам межпозвонковых дисков, т.к. именно они обеспечивают оптимальную противоударную сводчатую форму замыкательных пластинок тел позвонков. Многочисленные специально выполненные биомеханические исследования человека, предпринятые в интересах развития реактивной авиации и космонавтики в 50-60 годы прошлого века, показали, что межпозвонковые диски не являются пассивными амортизирующими образованиями, а имеют свою тонкую систему регуляции, в результате которой функциональные свойства диска могут изменяться в зависимости от меняющихся условий нагрузки.
О значимости защитной функции опорно-двигательного аппарата по отношению к жизненно важным органам и системам человеческого организма, об изумительных возможностях «механической самозащиты» человека и амортизирующих способностях нижних конечностей и позвоночника убедительно говорят данные, впервые полученные в 1968 году, а затем неоднократно проверенные и подтвержденные. Было установлено, что величина ускорений на пятках, регистрируемых при беге и ходьбе, в 17 раз уменьшается на уровне поясничного отдела позвоночника и в 27 раз на уровне головы.
Современные представления о значении опорно-двигательного аппарата и костного скелета, как составной его части, в жизнедеятельности организма базируются на научных данных, полученных многими поколениями исследователей, сумевших доказать взаимосвязь и взаимозависимость формы, архитектоники кости от ее функции, зависимость внутренней структуры скелета от работы мышц и направления силовых нагрузок. Были заложены основы современной биомеханики, установил прочностные характеристики разных костей, их снижения в процессе старения человека. Так, если предел прочности на сжатие диафиза бедренной кости составляет 15-30 кг/см², то головки бедра — 0,7-1,5 кг/см², а шейки и того меньше — 0,33-0,45 кг/см². Если статическая нагрузка, приводящая к разрушению головки и шейки бедренной кости, в возрасте 25 лет составляет 1350 кг, то к 32 годам она снижается до 852 кг, а к 82 годам — до 446 кг.
Форма, строение и физиологические отправления всех органов человеческого организма пребывают в тесном анатомо-физиологическом единстве и взаимозависимости. Видный отечественный анатом и один из основателей русской школы спортивной медицины П.Ф. Лесгафт писал, что «…все органы человеческого тела устроены таким образом, что при наименьшем объеме и наименьшей трате материала они в состоянии проявить наибольшую деятельность». Однако, в указанном единстве в организме человека, в опорно-двигательном аппарате в том числе, пребывают различные ткани, значительно отличающиеся друг от друга не только по строению и конкретной физиологической принадлежности, но и по прочностным характеристикам. Так, биомеханические особенности нервной ткани резко отличаются от таковых мышечной, костной — от всех других разновидностей соединительной ткани (сухожилия, связки, фасции и др.). По этой причине порог механического повреждения каждой из них определяется степенью их прочности на разрыв, сжатие, сдвиг, а также их эластичностью, упругостью, вязкостью. По этой причине каждый из этих показателей будет влиять как на результат естественной статической и динамической нагрузки, так и на исход любого повреждающего импульса. Многоплановые биомеханические исследования позволили установить, что компактная кость при действии деформирующего усилия на разрыв в 230 раз прочнее мускулатуры с одинаковой площадью поперечного сечения, что максимальное напряжение всех мышц бедра может развить усилие эквивалентное только 1/7 части запаса прочности, свойственной диафизу бедренной кости у человека средних физических возможностей. Такое разительное отличие обусловлено не только тем, что плотность, модуль упругости и другие биомеханические характеристики бедренной кости во много раз выше таковых у мягких тканей, но и тем, что внутренняя архитектоника и внешняя форма данной кости способствуют повышению сопротивления к действию поперечных и осевых нагрузок, а также к нагрузкам на изгиб, которые чаще всего встречаются в повседневной деятельности человека.
В тесном анатомо-физиологическом единстве с функцией защиты жизненно важных органов человека находятся, такие функции скелета как кроветворная и депо минеральных солей. Как в филогенезе, так и в онтогенезе четко просматривается единая родословная (мезодерма) костной ткани и источников гемопоэза. Один из основных кроветворных органов животных и человека, каковым является красный костный мозг, природа разместила ни в каком-либо отдельном органе, а именно в костях, причем не в одной-двух, а в их большинстве, гарантировав тем самым максимальную устойчивость и непрерывность процесса кроветворения на протяжении всей жизни от внешних механических, термических и химических повреждающих воздействий.
Аналогичным образом природа распорядилась и в отношении участия костной ткани в минеральном обмене. Хорошо известно, что 99% всего кальция, составляющего в свою очередь 2% массы тела взрослого человека, содержится в скелете, и лишь 1% — в крови и мышцах. Были получены неопровержимые факты высокой лабильности, быстрых и глубоких изменений костной ткани. Доказано, что в эпифизах бедренной и большеберцовой костей экспериментальных животных за 50 дней обновляется 29% всего минерального состава, тогда как в диафизах этих же костей — всего 7% минеральных компонентов. Научные данные по биомеханике, анатомии и физиологии ОДА, накопленные фундаментальной наукой имеют важное прикладное значение в повседневной клинической практике травматологов-ортопедов:
1. У взрослого человека в метаэпифизарных отделах длинных трубчатых костей кровоток интенсивнее и осуществляется он за счет не одного, а нескольких дублирующих источников кровоснабжения. Именно поэтому сохраняется красный костный мозг, постоянно нуждающийся в полноценном поступлении питательных веществ и кислорода.
2. При участии скелета, как наиболее прочной механической составляющей опорно-двигательного аппарата в повседневной физиологической нагрузке (ходьба, бег, занятия спортом, труд), метаэпифизарные зоны длинных трубчатых костей, обладающие значительно меньшими прочностными характеристиками на сжатие и растяжение, способны выполнять возложенные на них функции только при условии постоянных и более интенсивных процессов физиологической регенерации костной ткани. Доказательством этого и является более интенсивная замена минерального компонента кости в эпифизах.
3. Возраст, сопутствующие заболевания, несбалансированное питание, длительная гиподинамия — основные факторы, способствующие развитию системного остеопороза. Боль и обусловленное ею дальнейшее снижение естественной подвижности человека, в свою очередь, все более усугубляют степень остеопороза — формируется стойкий замкнутый патологический круг, для «разрыва» которого требуется много времени при активном участии пациента и настойчивости врача.
4. Приступив к интенсивному освоению морских глубин и космического пространства, человечество столкнулось с патогенным влиянием новых экстремальных факторов внешней среды, а именно отсутствия привычного гравитационного давления (невесомость) или, наоборот, пребывания в течение длительного времени под повышенным давлением. Так, первый длительный (18 суток) космический полет А. Николаева воочию показал необходимость срочной замены ранее принятой концепции реадаптации космонавтов к земным условиям. Аналогичную проблему позже пришлось решать и США. В 1967 г. были опубликованы данные, свидетельствующие о том, что у астронавтов корабля «Джемени-5» за 8 суток пребывания в космическом пространстве деминерализация в центральном сегменте пяточной кости составила 15,1%, а во второй фаланге V пальца левой кисти — 23,2%. Применяя рентгенофотометрический метод определения минеральной насыщенности костей, было установлено, что за 70-73 дней организм животного при обычной гиподинамии теряет в среднем 110-120 грамм фосфатно-кальциевых солей.
5. Как представители фундаментальных дисциплин, так и клиницисты практически полностью отказались от чисто механистических подходов к оценке роли скелета и костной ткани в организме человека. Без мускулатуры, иннервации, адекватного кровоснабжения и лимфооттока скелет немыслим в качестве системы опоры и движения. Более того, исходя из опыта лечения пострадавших с множественными и сочетанными повреждениями ОДА, стало ясно, что клиническую и прогностическую тяжесть механической травмы в итоге определяет не столько сложность и распространенность костных разрушений, сколько выраженность, стойкость и глубина повреждений и некомпенсированных расстройств мягких тканей — мышц, сосудов, нервов и т.д.