Биомеханика пищеварительной системы
Пищеварительный аппарат своим назначением имеет принятие пищи извне, механическую и химическую ее обработку и выведение во внешнюю среду неиспользованных пищевых остатков. Конечным результатом этого процесса является перевод пищевых веществ в растворимое состояние и всасывание их в кровь, посредством которой они доставляются живым тканям.
Пищеварительный аппарат можно рассматривать как своего рода трубку (общей длиной 10—14 м), начинающуюся краниально — ротовой щелью и заканчивающуюся каудально — задним проходом. У человека различают: полость рта, глотку, пищевод, желудок, тонкую и толстую кишку. Последние четыре отдела входят в понятие пищевого канала.
Стенки пищевого канала на всем протяжении состоят из трех оболочек: слизистой, обращенной в просвет канала; серозной, покрывающей органы снаружи; и мышечной.
Мускулатура пищеварительного аппарата служит передвижению принятой пищи в кранио-каудальном направлении, обеспечивает перемешивание ее для возможно большего контакта с пищеварительными соками и регулирует переход пищевых масс из одного отдела в другой.
Основными функциями пищеварительного аппарата являются секреторная, моторная и всасывательная. Секреторная функция заключается в выработке железистыми клетками пищеварительных соков: слюны, желудочного, поджелудочного и кишечного соков и желчи. Моторная, или двигательная, функция осуществляется мускулатурой пищеварительного аппарата и обеспечивает жевание, глотание и передвижение пищи вдоль пищеварительного тракта, а также выбрасывание непереваренных остатков. Всасывание осуществляется слизистой оболочкой желудка, тонких и толстых кишок. Сокращение гладких мышечных волокон стенки желудка обеспечивает моторную, иначе говоря, двигательную функцию желудка. Значение ее состоит в перемешивании содержимого желудка и передвижении пищи из желудка в кишку. Перистальтика осуществляется непрерывно с определенным ритмом и скоростью. Так, перистальтика желудка составляет 3 м (3 волны в минуту), а кишечника — 6 м/с, но изменяется при некоторых заболеваниях.
Перистальтика обеспечивает перемешивание, растирание и продвижение химуса. Она обусловлена последовательно смещающимися сокращениями и расслаблениями гладкомышечной мускулатуры (циркуляторной и продольной).
При физиологическом исследовании кишечника можно выявить две формы бегущих волн деформации: стоячие волны, наблюдаемые в эксперименте на изолированной кишке (или ее сегменте), и волны, распространяющиеся в продольном направлении, которые вызывают изменения внутриполостного давления и объема кишки.
Наряду с секреторной, органы пищеварительного тракта осуществляют также экскретную функцию, состоящую в выделении из организма некоторых продуктов обмена (например, желчных пигментов) и солей тяжелых металлов.
Все функции органов пищеварения подчинены сложным нервным и гуморальным механизмам регуляции.
Схема расположения внутренних органов представлена на рис. 17.35, а, а на рис. 17.35, б представлено моделирование механических связей.
Продвижение и переваривание пищи в желудочно-кишечном тракте происходит в результате перистальтики желудка и кишок. Перистальтические движения наступают в результате сокращения мускулатуры, происходит как бы волнообразное движение. Эвакуаторная функция желудка связана с перистальтическими сокращениями мускулатуры и поступлением пищи в двенадцатиперстную кишку.
При нарушении перистальтики возникает метеоризм, колиты и другие нарушения; замедление эвакуации желудочного содержимого наблюдается при хронических гастритах.
В норме пустой желудок находится в спавшемся состоянии, а при поступлении пищи — начинается перистальтическая функция. Перистальтика желудка обусловлена тонусом желудочной мускулатуры.
О перистальтике желудка, т. е. о состоянии тонуса мускулатуры, можно судить по данным рентгенологического исследования, по электрогастрографии или по радиотелеметрии и др.
Желудочно-кишечный тракт, как полый орган с гладкой мускулатурой, функционирует в результате сокращения кишечной мускулатуры.
Главные функции кишечника — секреторная, двигательная и всасывательная — осуществляются неодинаково в разных отделах.
Секреторная, или пищеварительная, функция в основном осуществляется в верхнем отделе тонкого кишечника. Главную роль в выполнении этой функции играют выделяющиеся здесь ферменты поджелудочной железы, желчь и др.
Некоторую роль в кишечном пищеварении играют ферменты, выделяемые бактериями, населяющими кишечник. Тонкокишечное пищеварение касается всех групп пищевых веществ — жиров, белков, углеводов, нуклеиновых кислот.
Двигательная функция кишечника. В тонких кишках наблюдается два вида движений: перемешивающие, способствующие смешиванию кишечного содержимого с пищеварительными соками, и перистальтические, при которых происходит сокращение как круговой, так и продольной мускулатуры кишок. Сокращения круговой мускулатуры совершаются таким образом, что выше пищевого комка она сокращается, а ниже него расслабляется. Это способствует продвижению пищевой массы вперед. Сокращение продольных мышечных волокон вызывает укорочение соответствующего участка кишки и как бы надвигание его на пищевую массу, благодаря чему последняя опять-таки оказывается в более дистальном, т. е. расположенном ближе к толстой кишке участке.
Рис. 17.35.Внутренние органы человека (а). Моделирование механических связей (б). 1 — гортань, 2 — дыхательное горло, 3 — верхняя доля легкого, 4 — легочный ствол, 5 — сердце, б — диафрагма, 7 — желудок, 8 — селезенка, 9 — поперечная ободочная кишка, 10 — тонкая кишка, 11 — сигмовидная ободочная кишка, 12 — мочевой пузырь, 13 — слепая кишка, 14 — восходящая ободочная кишка, 75—желчный пузырь, 76—печень, 77—верхняя доля правого легкого, 18 — аорта, 79 — верхняя полая вена, 20 — плечеголовная вена, 27 — правая внутренняя яремная вена, 22 — правая общая сонная артерия
В верхней части тонкой кишки продвижение пищевых масс происходит быстро, в нижней — замедляется. Все движения в тонких кишках происходят под влиянием импульсов, возникающих в ауэрбаховском и мейснеровском сплетениях.
Двигательная функция толстой кишки сводится в основном к проталкиванию каловых масс по направлению к заднему проходу. В толстом кишечнике происходит три вида движений: малые и большие маятникообразные движения, при которых происходят перемешивание содержимого и уплотнение его благодаря всасыванию жидких частей, перистальтические движения, способствующие продвижению каловых масс по направлению к прямой кишке. Все движения в толстых кишках происходят медленнее и реже, чем в тонких.
Поступление каловых масс в прямую кишку влечет за собой дефекацию. Дефекация является рефлекторным актом, вызываемым раздражением каловыми массами нервных окончаний в слизистой оболочке прямой кишки. Это раздражение проводится к центру, расположенному в поясничной части спинного мозга. При этом возникают непроизвольные сокращения прямой кишки при одновременном открытии ее сфинктера. К ним присоединяется натуживание, заключающееся в произвольном сокращении мышц брюшного пресса. Эти сокращения повышают внутрибрюшное давление и тем самым способствуют лучшему извержению кала. Рефлекс дефекации может быть временно подавлен волевым усилием под влиянием импульса из коры головного мозга.
Расстройства секреторной функции кишечника могут выразиться в уменьшении или в увеличении выделения кишечного сока.
Расстройства двигательной функции кишечника выражаются в ускорении или замедлении продвижения содержимого по кишечному тракту. Вследствие ускоренного продвижения кишечного содержимого жидкие части его не успевают всосаться. В результате этого наступает диарея. При медленном продвижении и длительном пребывании в кишечнике каловые массы сильно уплотняются, в результате чего наступает запор.
Расстройство всасывательной функции кишечника выражается в недостаточном всасывании пищевых веществ в кишках. Эти расстройства зависят либо от слишком быстрого прохождения содержимого по кишечнику вследствие усиления перистальтики, либо от патологических изменений в кишечной стенке, или нарушения кровообращения в ней вследствие сердечной недостаточности, или застоя в системе воротной вены, либо, наконец, от недостаточности переваривания пищи в кишечнике, что препятствует переходу ее во всасываемую форму.
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