Бесспорным кажется утверждение, что тело человека – совершенный механизм. Однако порой возникает вопрос: отчего это природа не позаботилась, например, получше прикрепить шею к плечам – ведь с учетом анатомических нагрузок, падающих на нее, может показаться, что она должна быть твердой и надежной, как ствол дерева. Но давайте ознакомимся с особенностями анатомического строения позвоночника и выясним, можно ли считать его несовершенным.
Позвоночный столб состоит из 33–34 позвонков, из которых 24 (шейные, грудные, поясничные) соединены подвижно и 9–10 (крестцовые, копчиковые) – неподвижно. На позвоночник опирается череп. С нижней частью позвоночника связаны крестец и копчик – самые широкие его части. Крестец с копчиком соединены неподвижно и, в свою очередь, соединяются с бедренными костями.
Каждый позвонок устроен довольно сложно. Его анатомия отображена на рисунках 1 и 2.
Рис. 1. Позвонок человека (вид сверху): 1 – позвоночный канал; 2 – тело позвонка; 4 – кольцевой эпифиз; 5 – ножка дуги позвонка; 6 – остистый отросток; 7 – поперечный отросток; 8 – крючок тела позвонка
Рис. 2. Позвонки человека (вид сбоку): 1 – позвоночный канал (образуется позвоночными отверстиями, содержат спинной мозг); 2 – тело позвонка; 3 – межпозвоночная поверхность тела позвонка, обращенная к соседнему позвонку; 4 – кольцевой эпифиз; 5 – ножка дуги позвонка (часть дуги между телом и поперечным отростком); 6 – межпозвоночное отверстие (содержит спинномозговой нерв и мелкие сосуды); 7 – остистый отросток; 8 – поперечный отросток; 9 – дугоотростчатый сустав; 10 – верхний суставной отросток
Между телами двух позвонков находится эластичный межпозвоночный диск. Эти диски дают возможность позвоночнику двигаться в различных направлениях и смягчать удары. Если бы их не было, человек чувствовал бы удары на основание черепа при каждом шаге. Эти маленькие прокладки между позвонками состоят из желатинозного ядра со студенистым содержимым, которое заключено в оболочку, названную фиброзным кольцом. Межпозвоночный диск сверху и снизу защищен от контакта с костью хрящевыми пластинами (рис. 3.).
Рис. 3. Поперечный распил позвоночника: 1 – площадка тела позвонка; 2 – тело позвонка; 3 – межпозвоночный диск
При сгибании позвоночника в ту же сторону сжимаются и диски, выдавливая ядро в противоположном направлении (рис. 4). В сильном здоровом позвоночнике диск выполняет роль полноценного амортизатора. Однако если диск расслаблен, а также если позвоночник переносит нагрузки или резкие удары, ядро может выйти через внешнюю оболочку в позвоночный канал– образуется грыжа межпозвоночного диска.
Рис. 4. Перемещение межпозвоночного диска при сгибании (а) и разгибании (б) позвоночника (схема)
Дуги позвонков соединены между собой суставами. Дуги, суставы, поперечные и остистые отростки имеют сложный и достаточно мощный связочный аппарат, ограничивающий движения позвоночного столба.
Комплекс, состоящий из межпозвоночного диска, прилежащих к нему двух позвонков с суставами и связками, называется позвоночным сегментом.
Также в систему позвоночника входят мышцы, связки, сухожилия и кровеносные сосуды. Мышцы представляют собой пучки ткани, являющиеся своего рода источниками энергии для движений. Связки – это крепкие и гибкие образования из волокнистой ткани, соединяющие кости друг с другом. Сухожилия соединяют мышцы с костями и дисками. Кровеносные сосуды обеспечивают питание. Благодаря совместной работе этих элементов человек может двигаться.
Наиболее частые неприятности с позвоночником человек получает из-за патологии межпозвоночного диска и окружающих его образований. Он состоит из двух пластинок хряща, покрывающих площадки тел смежных позвонков, фиброзного кольца и заключенного в нем студенистого (пульпозного) ядра. Фиброзное кольцо состоит из плотных переплетающихся пучков соединительной ткани, расположенных вокруг студенистого ядра. Студенистое ядро образовано небольшим количеством хрящевых и соединительнотканных клеток и беспорядочно переплетающихся набухших соединительнотканных волокон.
В зрелом возрасте в центре ядра может находиться небольшое количество жидкости, в детском и молодом возрасте жидкость всегда содержится в ядре. Несмотря на видимость полной герметизации студенистого ядра, между ядром и внепозвоночными тканями происходит активный обмен жидкости. Поэтому межпозвоночный диск нужно рассматривать как систему, находящуюся в равновесии благодаря притоку и оттоку из него жидкости. При увеличении нагрузки по оси позвоночника происходит отток жидкости из дисков, а устранение такой нагрузки приводит к ее притоку. При любом изменении механической нагрузки на диск, что происходит при всех движениях позвоночника, он действует как насос. Естественно, чем моложе человек и эластичнее диск, тем крупнее студенистое ядро и активнее протекает этот процесс. Так, например, после ночного отдыха студенистое ядро приобретает максимальные размер и плотность, поэтому утром высота диска увеличивается. К вечеру же, особенно при больших нагрузках на позвоночник, величина (а значит, и упругость студенистого ядра) и высота диска уменьшаются, причем эти колебания могут доходить до 1/3 высоты дисков.
Студенистое ядро представляет собой центр, вокруг которого происходят взаимные перемещения смежных позвонков. При сгибании позвоночника студенистое ядро перемещается кзади, при разгибании – кпереди, при боковых наклонах – в сторону выпуклости. При условии сохранения жидкого студенистого ядра, а также окружающего его эластичного и упругого фиброзного кольца сегмент может в полной мере выполнять буферную функцию, совмещая свойства рессоры и амортизатора (рис. 5). Эти свойства позвоночника известны давно. Буферная функция тем совершеннее, чем больше жидкости имеет студенистое ядро, чем больше эластичность и выше тонус фиброзного кольца, позволяющего ядру смещаться при движениях. С возрастом эти свойства межпозвоночного диска постепенно утрачиваются.
Между подвижными костями суставов позвоночника находится прозрачная желтоватая жидкость, которую называют синовиальной. Она служит в качестве смазки для свободного движения костей в суставе и находится в специальной оболочке.
Рис. 5. При вертикальной нагрузке на позвоночник межпозвоночный диск смягчает сжатие, а связки между остистыми отростками, растягиваясь, амортизируют нагрузку
Каждый межпозвоночный диск шире тел прилежащих к нему позвонков, его края немного выступают за пределы их тел (рис. 6). С боков и спереди он покрыт передней продольной, а сзади – задней продольной связками.
Рис. 6. Связочный аппарат позвоночника
Скреплены связками и верхушки поперечных отростков по обеим сторонам, капсулы суставов позвоночных дужек, которые усиливаются за счет туго натянутых связочных тяг – передней и задней.
Все связки вместе способствуют стабильному соединению позвонков и позволяют позвоночному столбу выдерживать большие механические нагрузки.
Функция связок заключается в ограничении движений и предотвращении превышения их предела. Поэтому, например, при наклонах позвоночника на выпуклой стороне дуги связка натягивается и не допускает дальнейшего движения (рис. 7).
Рис. 7. Натяжение передней продольной связки при разгибании позвоночника: 1 – межпозвоночный диск; 2 – студенистое ядро; 3 – передняя продольная связка
Прочно сращенная с телом позвонка передняя продольная связка имеет внутренний слой, способный продуцировать костную ткань. Любой процесс, способный пробудить костеобразуюшую функцию передней продольной связки, приводит к такому костеобразованию. Сама же передняя продольная связка не вовлекается ни в воспалительный, ни в опухолевый, ни в какой-либо другой процесс и не обызвествляется. По мере продуцирования новой кости передняя продольная связка отодвигается от позвоночника, покрывая эти напластования спереди и по бокам.
Определенные особенности имеет анатомия позвонков в шейном отделе. Они заключаются прежде всего в том, что в боковой проекции тела шейных позвонков выглядят не прямоугольниками, как в других отделах, а параллелограммами с наклоном вперед и вниз (рис. 8).
Рис. 8. Форма и расположение позвонков в шейном и верхнегрудном отделах позвоночника в боковой проекции: а – форма тел шейных позвонков; б – наклон тел позвонков вперед и вниз
Во-вторых, верхняя поверхность тел шейных позвонков слегка вогнута, а их боковые участки значительно приподняты и образуют так называемые крючки тела позвонка. Нижние поверхности их тел имеют выпуклую форму соответственно вогнутой форме нижележащего позвонка (рис. 9). Крючки тела позвонка в норме никаких суставов не образуют.
Рис. 9. Форма тел шейных позвонков в прямой проекции. 1 – крючок тела позвонка; 2 – межпозвоночный диск
Обращает также внимание своеобразие последнего поясничного сегмента – очень часто тело позвонков этой зоне имеет клиновидную форму (острие клина направлено кзади). Именно такая форма способствует наиболее равномерному распределению нагрузки на всю поверхность диска.
Другая особенность касается высоты межпозвоночных дисков. Принято считать, что высота поясничных дисков нарастает сверху вниз. В норме высота последнего диска почти в 75 % случаев меньше высоты предыдущего, примерно в 15 % равна ей и только в 7–10 % случаев больше высоты остальных дисков.
В идеале развитие всех анатомических элементов позвоночного сегмента должно происходить гармонично, они должны соответствовать друг другу. К примеру, длина связок должна быть такой, чтобы не допускать перерастяжения диска и повреждения отростков при различных движениях позвоночника. Однако, к сожалению, такая гармония наблюдается редко (рис. 10).
Рис. 10. Возможные варианты изгибов и вращений позвоночного столба в норме. Размер движений между двумя соседними позвонками очень мал, однако сумма небольших амплитуд позволяет осуществлять в пространстве движения достаточно большого объема
Так, длина связок может допускать движения большего объема, чем позволяет эластичность диска, что приводит к его перенапряжению. В этих случаях при форсированных движениях в ткани диска могут возникать травмы, вплоть до его разрывов и вывихов.
От взаимоотношений и взаимосоответствия элементов позвоночного сегмента зависит и его подвижность. Неполное соответствие всех элементов позвоночного сегмента предрасполагает к травмам и перегрузкам этих элементов. Если высота диска достаточно велика, а длина связки мала, то при форсированных движениях, особенно с нагрузкой, достаточно эластичный диск, перемещаясь в выпуклую сторону, может полностью натянуть переднюю или заднюю продольную связку, а если усилие достаточно велико, то и оторвать ее от места прикрепления к телу позвонка (рис. 11).
Рис. 11. Отрыв передней продольной связки от тела позвонка (а) и образование остеофита на месте отрыва (б) (схема): 1 – место отрыва передней продольной связки; 2 – костеобразавание на месте отрыва связки
У молодого человека диск может выпячиваться за счет своей эластичности, оставаясь при этом неповрежденным. В месте отрыва передняя продольная связка начинает продуцировать кость.
Теперь остановимся на распределении нагрузок в нормальном и деформированном позвоночнике. Позвоночный столб создает опору для шеи, головы и туловища, поэтому его естественная S-образная форма представляет собой как бы пружину, компонентами которой являются позвонки. Полностью сформированный позвоночный столб имеет физиологические изгибы вперед (шейный и поясничный лордозы) и назад (грудной и крестцовый кифозы) (рис. 12).
Рис. 12. Позвоночный столб (вид сзади и сбоку). Естественные функциональные изгибы: 1 – крестцовый кифоз; 2 – поясничный лордоз; 3 – грудной кифоз; 4 – шейный лордоз
При этом шейный отдел поддерживает голову, поэтому она должна располагаться по возможности ближе к точке центра тяжести по вертикальной оси. Грудной отдел позвоночника, располагаясь больше кзади, создает, таким образом, пространство грудной полости для внутренних органов. Поясничный отдел позвоночника, выступая вперед в пространство брюшной полости, несет основную массу верхней части тела.
Рассматривая позвоночный столб с позиций биомеханики, его можно представить как сложную двигательную цепь с большим числом степеней свободы, а учитывая наличие физиологических изгибов, – как плоскую пружину, выполняющую роль амортизатора нагрузок движений. Эта плоская пружина становится видна при профильном исследовании позвоночника, который имеет четыре физиологических искривления: два из них вершинами направлены кпереди (шейный и поясничный) и два – кзади (грудной и крестцово-копчиковый).
Такая установка нехарактерна для детского возраста. Формирование изгибов позвоночника начинается у ребенка вместе с удерживанием головы в положении сидя (шейный изгиб) и заканчивается в период, когда он начинает ходить. По мнению многих исследователей, полное, окончательное закрепление сформированных физиологических искривлений позвоночника заканчивается у детей к шести-семи годам.
Выраженность изгибов очень тесно связана между собой. Усиление одного из них неминуемо влечет пропорциональное увеличение противоположно направленного. В этом проявляется одно из свойств пружины. Основная линия вертикальной нагрузки делит пополам синусоиду позвоночного столба, пересекая ее в четырех точках таким образом, чтобы сохранились пружинящие дуги.
Первая из них амортизирует нагрузку головы. Она наименее выражена, позвонки невелики по размеру, величина сочленяющихся дисков составляет 1/7–1/8 толщины тел позвонков. Вторая выдерживает вес головы, верхних конечностей и грудной клетки и заканчивается на уровне последних ребер. Третья, поясничная, самая мощная и перегруженная часть амортизатора, берет на себя нагрузки корпуса тела и перенапряжения со стороны нижних конечностей и таза. На этом уровне осевая линия суммарного вертикального напряжения проходит по срединным отделам межпозвоночных дисков.
Для того чтобы удержать в описанном оптимальном состоянии позвоночный столб и придать ему необходимую гибкость и подвижность, природа окружила его очень продуманным мышечно-связочным корсетом, наиболее плотным и жестким в поясничном отделе.
Связочный аппарат, обеспечивая стабилизацию кинематической цепи позвоночника, действует по принципу противотяги, тормозя движение сторон, противоположных их расположению. Вдоль передней поверхности тел позвонков и межпозвоночных дисков проходит мощная передняя продольная связка, препятствующая разгибанию.
Связки, препятствующие сгибанию, объединяют остистые отростки позвонков и выстилают заднюю и переднюю часть позвоночного канала. Боковые движения уравновешиваются симметричными межпоперечными связками. Именно на связочный аппарат выпадают нагрузки растяжения при произведении движений максимального сгибания и разгибания. Нормальное функционирование позвоночника возможно только при условии антагонистического равновесия трех связочных групп.
В вертикальном положении тела поясничный изгиб удерживается не только выраженным связочным аппаратом, но и хорошо развитой мускулатурой. Наиболее глубоко располагаются короткие мышцы спины – межпоперечные (связывающие поперечные отростки позвонков) и межостистые. И те и другие активно участвуют в проведении движений наклонов позвоночника в сторону, разгибании корпуса. Поверх них проходит так называемый многораздельный мускул спины, простирающийся от крестца до второго шейного позвонка, и разгибатель спины; глубокие слои имеют отношение к вращательному движению позвоночника.
Наиболее мощными являются более поверхностно расположенные, симметричные, длинные мышцы спины и прежде всего общий разгибатель, начинающийся от крестца и гребней подвздошных костей и доходящий до затылка. Эта мышца, как это видно из ее названия, разгибает позвоночник и отдельные его части, опускает ребра, разгибает голову. Весь аппарат играет большую роль в формировании физиологических изгибов позвоночника, общей статике. Эти мышцы создают вертикально направленное напряжение.
Противотяга обеспечивается мышцами тела и нижних конечностей. Из них нас будет особенно интересовать только одна – грушевидная, имеющая форму вытянутого треугольника, основание которого располагается на передней поверхности крестца, а вершина – в области верхних отделов бедренной кости. Эта мышца проходит через седалищное отверстие с внутренней поверхности таза на внешнюю, вместе с сосудисто-нервным пучком, функционально обеспечивая вращение бедра кнаружи.
Сила мышц, поддерживающих физиологические изгибы, выпрямляющих туловище, достаточно велика. По некоторым данным, она составляет в среднем 123 кг у мужчин и 71 кг у женщин. Наиболее значительно их напряжение при попытке выведения тела из состояния неуравновешенности (например, падения).
Позвоночному столбу, как осевому органу тела, предназначено выполнение двух основных механических функций: с одной стороны, он должен быть жестким и неподвижным, а с другой стороны – гибким. Это и становится возможным благодаря его специфическому строению. Позвоночный столб как единое целое можно сравнить с мачтой корабля (рис. 13, а). Мачта, «закрепленная» в тазовой области, поднимается до уровня головы, а на уровне плеч она, как рея, несет плечевой пояс.
На многих уровнях находятся также связочные и мышечные тяги, прикрепленные по типу удерживающих канатов. Они соединяют мачту с основанием, тазом. Вторая система удерживающих канатов натянута в форме ромба, вертикальная ось которого больше, чем поперечная. В положении стоя на двух ногах силы натяжения удерживающих канатов в целом уравновешены, мачта стоит вертикально. В положении на одной ноге (рис. 13, б), когда вес тела перенесен только на эту конечность, таз немного опрокидывается в сторону о*censored*й ноги, а позвоночный столб описывает волнообразную линию. При этом поясничный отдел приобретает выпуклость в сторону о*censored*й ноги, грудной отдел – вогнутость в противоположную сторону, шейный отдел позвоночника, в свою очередь, имеет выпуклую кривизну, как и поясничная часть. Управляемые центральной нервной системой мышечные тяги автоматически включают свое натяжение и тем самым поддерживают необходимое равновесие.
Рис. 13. «Мачта корабля», закрепленная в тазовой области, поднимается до уровня головы, а на уровне плеч она, как рея, несет плечевой пояс
При вертикальном положении вес человека через тела позвонков передается на межпозвоночные диски, причем идеальной, т. е. наиболее щадящей для диска, она будет в том случае, если распределится равномерно по всей его площади. В таких условиях буферные свойства диска проявляются в наибольшей мере при наименьшей угрозе его повреждения. Строгое соответствие формы отдельных позвонков форме изгибов позвоночника способствует равномерному распределению статической нагрузки по всей поверхности диска. Нарушения же формы позвонков и всего позвоночника обусловливают неравномерную нагрузку на диски. Особенно неблагоприятны такие нарушения в уже сформированном (взрослом) позвоночнике, поскольку у детей в процессе роста и формирования позвоночного столба соседние сегменты, приспосабливаясь к этим деформациям, отчасти компенсируют их.
Нарушения формы позвоночника, приводящие к изменениям нагрузки на диски, могут возникнуть под влиянием факторов, действующих вне позвоночника. Простейшим примером является резкое ограничение подвижности в тазобедренном суставе. Это неизбежно приведет к искривлению позвоночного столба, и он в таком положении будет функционировать при стоянии, ходьбе, работе.
Нагрузка на диски в разных сегментах одного и того же отдела неодинакова. Такая неравномерность нагрузки с перегрузкой задних участков дисков предрасполагает к их дистрофическому изменению. Постоянная перегрузка приводит к преждевременному старению диска, а затем и к перегрузке соответствующих участков тел позвонков, нагрузка на которые также увеличивается вследствие уменьшения буферных свойств диска. Этот процесс ускоряется при дополнительных профессиональных и спортивных нагрузках и раньше всего проявляется в наиболее подвижных сегментах.
Неравномерность нагрузок еще больше возрастает при нарушениях нормальной формы позвоночного столба. Так, например, юношеский диспластический кифоз вызывает компенсаторное увеличение шейного и поясничного лордозов, что обусловливает еще большую неравномерность нагрузки на шейные и поясничные диски, а иногда и на дугоотростчатые суставы. Неблагоприятное перераспределение длительных статических нагрузок может быть связано также с вынужденными позами у людей некоторых профессий (например, у машинисток, швей и др.).
Таким образом, анатомические особенности как нормального, так и деформированного позвоночника предрасполагают к перегрузкам его определенных анатомических структур, что приводит к их дистрофическому изменению – преждевременному старению.
