Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика. Учебник для вузов
 Скачать 6.47 Mb.
|
17.4. 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 Кинематические соединения скелета человека  Движение в суставах обеспечивается парой функциональных рабочих групп мышц: одноостные суставы обслуживает одна пара (две функциональные группы мышц); двухостные — две пары (четыре группы мышц); трехостные — три пары (шесть групп мышц). Локомоторные движения осуществляет нервно-мышечный аппарат (НМА). Для анализа движений и исследования их динамики необходимо знать размеры тела человека и отдельных его частей. Они измеряются в зависимости от пола, возраста, вида деятельности и др. В анатомо-физиологической практике принята классификация движений в суставах, связанных с осями плоскостей. Различают движения: 1) вокруг фронтальной оси (сгибание, разгибание); 2) вокруг сагиттальной оси (отведение, приведение); 3) вокруг продольной оси (вращение внутрь и вперед, вращение наружу). Круговое движение совершается при переходе движения с одной оси на другую. При анализе движений в суставе, необходимо учитывать ограничения на эти движения. Грудная клетка Грудную клетку образуют 12 грудных позвонков, 12 пар ребер с их хрящами, грудная кость и сложный связочный аппарат. Форму грудной клетки сравнивают с усеченным конусом, основание которого обращено книзу. Через верхнее отверстие грудной полости проходят: дыхательное горло, пищевод, кровеносные сосуды и нервы. Нижнее отверстие закрыто грудобрюшной преградой — диафрагмой — тонкой мускульно-сухожильной пластинкой, отделяющей грудную полость от брюшной. Полость грудной клетки содержит сердце и легкие с их серозными оболочками. Форма и особенно размеры грудной клетки подвержены значительным индивидуальным колебаниям, крайние степени которых граничат с патологическими состояниями. С пятнадцатилетнего возраста начинают обрисовываться половые различия. У мужчины все размеры грудной клетки значительнее и она имеет более близкое сходство с конусом, у женщин разница в диаметре верхней и нижней частей не так велика, грудная клетка короче и закругленнее. Упругость грудной клетки в пожилом возрасте уменьшается (реберные хрящи омелевают, подвижность ослабевает, грудная клетка становится более длинной и плоской). Скелет конечностей человека Скелет каждой конечности разделяется на пояс и свободный отдел (см. рис. 2.14). Пояс расположен в пределах туловища, является для конечностей опорой и соединяет их свободный отдел со скелетом туловища. Пояс верхней конечности состоит из двух отдельных парных костей — ключицы и лопатки. Свободный отдел состоит из трех частей: проксимальный (плечо), средний (предплечье) и дистальный (кисть). Пояс нижней конечности образован с каждой стороны одной тазовой костью. Тазовая кость сочленяется с крестцом и с ближайшей костью свободного отдела конечности (бедренной костью). Свободный отдел состоит из трех частей: проксимальной (бедро), средней (голень) и дистальной (стопа). Кости человеческого тела соединяются между собой посредством плотной волокнистой соединительной ткани, эластической ткани и хряща. Все соединения костей можно разделить на две группы: в первой связующая ткань представляет сплошную прослойку между костями; это непрерывные соединения — синартрозы, большей частью малоподвижные или неподвижные. Подвижность их определяется растяжимостью той ткани, которая соединяет кости. Вторую группу составляют прерывные соединения более или менее подвижные, иначе сочленения, или суставы; здесь в ткани, соединяющей кости, имеется полость, непрерывность связи между костями нарушается. Некоторые кости, например, позвонки, связаны между собой различными видами соединений, среди которых имеются суставы, синхондрозы, синдесмозы. Следует отметить, что суставы верхней конечности отличаются большей свободой и разнообразием движений, суставы нижней конечности также весьма подвижны при меньших степенях свободы в некоторых из них (например, в тазобедренном по сравнению с плечевым, или в голеностопном по сравнению с лучезапястным и т. д.). Нижние конечности человека служат исключительно для опоры и передвижения тела, а верхние, свободные от этой работы, развились в орган трудовой деятельности. Кроме скелета, система органов движения включает мускулатуру (см. рис. 13.2). Мышца соединяется с костью сухожилием посредством врастания коллагеновых волокон в надкостницу или надхрящницу, либо непосредственно в кость или хрящ. Сухожилия обеспечивают крепление мышц к костям, а также передачу мышечных усилий. Прочность сухожилия при растяжении достигает от 44 до 67 МПа, хотя для дельтовидного сухожилия было получено значение разрушающего напряжения порядка 0,6 МПа. Поперечнополосатые мышцы теснейшим образом (анатомически и физиологически) связаны со скелетом, образуя вместе с ним систему органов опоры и движения. Общее число скелетных мышц в теле человека — более 600. Масса их составляет у женщин до 28—35% от массы тела, у мужчин — до 40—45%, у спортсменов — 55—65%. Приблизительно 50% общей массы скелетных мышц приходится на нижние конечности, 30% — на верхние конечности и 20% — на мышцы головы и туловища. Скелетные мускулы, которые начинаются от костей (иногда от фасций и их производных), к костям и прикрепляются. Важным в механике является вспомогательный аппарат мышц, включающий фасции, синовиальные сумки, влагалища сухожилий, блоки мышц, сесамовидные кости. Фасции — фиброзные оболочки, покрывающие мышцы и отдельные группы мышц. Фасции выполняют опорную функцию, крепятся к кости образуя фасциальные футляры. Синовиальные сумки — тонкостенные изолированные мешочки, не связанные с полостью сустава и содержащие синовиальную жидкость. Влагалища сухожилий — защитные приспособления сухожилий мышц в местах их наиболее тесного прилегания к кости (в области кисти и стопы). Они уменьшают трение, облегчая работу мышц. Обычно мышцы действуют на кости, соединенные между суставами, так что получается тот или иной род рычага. Особенно ясно выражено это на конечностях: здесь длинные кости образуют систему легких и прочных рычагов, и в то же время представляют обширную поверхность, где прикрепляется высокодифференцированная мускулатура. Примером рычага первого рода может служить работа мышц при удержании головы (рис. 17.40) или тела в тазобедренном суставе. При удержании груза в руке, согнутой в локтевом суставе, образуется рычаг второго рода (рис. 17.41.).  Рис. 17.40. Рычаги первого рода: р — вектор парциального центра тяжести; М — вектор приложения мышечной силы; r и r1 — плечи рычагов  Рис. 17.41. Рычаги второго рода: Р — вектор парциального центра тяжести; М - вектор приложения мышечной силы; r и r1 — плечи рычагов  Рис. 17.42. Структурная схема опорно-двигательного аппарата человека (по A. Moreckietal, 1981) В механике подвижное соединение двух звеньев, находящихся в непосредственном соприкосновении, называют кинематической парой. Кинематические пары могут быть вращательными и поступательными. В зависимости от числа ограничений, накладываемых на движение, звенья могут совершать от одного до пяти движений. В человеческом организме число независимых движений костей в суставах может составлять от одного до трех. На рис. 17.42 показана кинематическая схема ОДА человека, на которой кости представлены в виде звеньев кинематической цепи, а суставы — кинематических пар. При исследовании движений человека широко применяют кинематические модели на основе уравнений движения системы твердых тел, которые соответствуют отдельным сегментам тела по геометрическим и масс-инерционным характеристикам; элементы модели соединяются вращательными шарнирами, диапазоны поворотов которых соответствуют амплитудам угловых движений суставов; механические связи модели с окружающей средой часто заменяют действием сил реакции, что позволяет сохранять структуру модели при различных движениях. Важной особенностью таких биомеханических моделей является их ветвящаяся структура типа «дерево». Отсчет координат может начинаться от различных элементов в зависимости от того, какие из них находятся в контакте с опорой. В зависимости от целей исследования можно условно разделить модели такого типа на две группы: кинематические и динамические (И.Ф. Образцов и др., 1983). Кинематическими называют модели, предназначенные для описания движений тела человека и дающие зависимости угловых и линейных перемещений (скоростей, ускорений) отдельных его точек в функции времени. Динамические модели позволяют оценивать распределение сил, напряжений и деформаций в различных сегментах, структурах и тканях тела человека, в частности, для модельной оценки переносимости различных динамических воздействий. Кинематика опорно-двигательного аппарата (ОДА) Рассмотрим кинематику руки человека (рис. 17,43). С точки зрения биомеханики, верхняя конечность может быть смоделирована многозвенным пространстввенным механизмом (рис. 17.43, д). Эта система имеет семь степеней свободы. Плечевой сустав является шаровидным, т. е. имеет три степени свободы. На рис. 17.43, г он представлен эквивалентной схемой одноосных шарниров, оси вращения которых пересекаются в одной точке, а звенья 1, 2 имеют нулевую длину. Значит, положение седьмой системы координат в абсолютной, нулевой системе координат определяет формула: где —— радиус-вектор точки С в абсолютной системе координатных осей;— радиус-вектор точки С в седьмой системе координат. Анализируя угловые перемещения, скорости и ускорения звеньев руки при исполнении различных целенаправленных движений типа «возьми-поставь» можно оценивать качественно и количественно процесс реабилитации пациента или использование протеза. Естественно, что при построении кинематической схемы и анализа движений нужно учитывать антропометрические данные (табл. 17.8) и ограничения, налагаемые на движения в суставах (табл. 17.9). На рис. 17.44 приведена схема двухзвенного механизма, которым моделируется движение нижней конечности в фазе опоры. Такая схема позволяет определить перемещение мгновенного центра вращения бедра. Считается, что плоское движение нижней конечности происходит в сагиттальной плоскости вокруг оси голеностопного сустава, остающейся неподвижной. За обобщенные координаты принимаются углы Ф[(0 и ф2(0- На рис. 17.44 показаны абсолютная и локальные оси координат. Положение точки С в абсолютной системе координатных осей находят по формуле: Здесь r2 = (0,0, О, 1)т; В2= A1A2, где Аi - матрица положения.  Рис. 17.43. Рука и ее кинематическая расчетная схема: б — скелет руки: 7 — ключица, 2 — клювовидный отросток лопатки, 3 — плечевая кость, 4 — лучевая кость, 5 — локтевая кость, 6 — трапециевидная кость, 7 — проксимальная фаланга большого пальца, 8 — кости запястья, 9 — пястные кости, 10 — фаланги пальцев, д — система координат звеньев; а — кинематическая схема: 1 — «плечевой» пояс, 2 — плечевая сферическая кинематическая пара, 3 — плечо, 4 — локтевая цилиндрическая пара, 5 — предплечье, 6 — кистевая сферическая пара, 7 — кисть, в — мышцы верхней конечности: 1 — трапециевидная, 2 — дельтовидная, 3 — трехглавая мышца плеча, 4 — клювоплечевая, 5 — двуглавая мышца плеча, 6 — плечевая, 7 — плечелучевая, 8 — длинный лучевой разгибатель запястья, 9 — короткий лучевой разгибатель запястья, 10 — разгибатель пальцев, 11 — длинная отводящая мышца большого пальца, 12—короткий разгибатель большого пальца, 13 — длинный разгибатель большого пальца, 14 — межкостная мышца, 15 — передняя зубчатая мышца, 16 — наружная косая мышца живота, 17 — круглый пронатор, 18 — лучевой сгибатель запястья, 19 — длинная ладонная мышца, г—динамическая модель: 1— туловище, 2 — плечевой шарнир, 3 — плечо, 4 — локтевой шарнир, 5 — предплечье, 6— шарнир кисти, 7— кисть. Стрелки — компоненты мышечных моментов в суставах Таблица 17.8 Статические антропометрические параметры (Б.Ф. Ломов и др., 1982)
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||