Влияние физических нагрузок на суставы

За время жизни человек делает (0,5—0,7)·10⁹ движений в крупных суставах рук, 6·10⁹ движений пальцами рук (к примеру, шины современного автомобиля изнашиваются после 25—30 млн оборотов).

При ходьбе, беге, рабочих движениях кости, хрящи суставов, мышцы, сухожилия подвергаются нагрузке, однако напряжения в кости редко превышают 50 МПа. Нагрузка на суставы зависит от общей массы тела. К примеру, при ожирении суставы человека подвергаются большим воздействиям.

Рис. 18.35.Изгибные деформации большеберцовой кости при различных видах нагрузки

При обычной ходьбе в фазе 15% от начала опорного цикла возникает изгибающий момент на голень человека величиной около 50—60 Н·м, в фазе 45% от начала опорного цикла значение изгибающего момента возрастает до 90—130 Н·м (A. Capazzo et al., 1984). Изгибные деформации голени разнообразны (рис. 18.35). Они могут возникать от вибраций на частотах собственных колебаний костей, вызванных, например, ударом, при соприкосновении пятки с землей (особенно без обуви). В начале опорной фазы ударная волна проходит через кость, причем линейное ускорение достигает 20—80 м/с² длительностью 15—25 мс (L. Light et. al. 1980). При скорости ходьбы 1м/с нагрузка в тазобедренном суставе может достигать 6 кН, что на порядок выше веса тела (D. Gebauer, Н. Orley, 1978).

В спорте высших достижений ускорения намного выше, что ведет к значительным, хотя и кратковременным, нагрузкам на биомеханические системы. Например, во время бега отрицательное ускорение голени достигает 500 м/с², а в конце удара при исполнении приемов карате — даже 4000 м/с² (S. Wilket et. al., 1983).

Таблица 18.1

Максимальные нагрузки на суставы нижней конечности при спринтерском беге 9,5 м/с (по W. Bauman, 1981)

Вид нагрузки	Величина нагрузки
Момент в голеностопном суставе, Н·м: М ха — сагиттально	330+30
Муа — фронтально	125±50
Мza — горизонтально	20+11
Сила в голеностопном суставе FTc, H	8900±1000
Момент в коленном суставе, Н·м: Мck — сагиттально	150+40
Mfk — фронтально	160+55
Мтк — горизонтально (в отношении большеберцовой кости)	40+15
Максимальное натяжение в ахилловом сухожилии, Н	6600±660
Максимальное натяжение в собственной связке надколенника, Н	3000±800

При спринтерском беге, прыжках в длину, тройным и в высоту вертикальная составляющая силы опорных реакций достигает 5— 7 кН, а горизонтальная — до 3—4 кН. Соответственно резко возрастают нагрузки на все суставы и сухожилия (табл. 18.1).

Например, сила на поверхности голеностопного сустава может достигать 9000 Н. Это значит, что ахиллово сухожилие создает противодействующий момент в сагиттальной плоскости до 300 Н·м и тягу до 6000 Н. Напряжение растяжения достигает 60 МПа — около 60% предельно допустимого. Во время прыжков в длину напряжение в сухожилии может достигать 73—75 МПа, что еще ближе к предельным значениям.

Особенности механизма повреждения коленного сустава обусловлены анатомическими и функциональными его особенностями, а также видом и тяжестью травмы. Выделяют острые и хронические травмы (подвывихи, микротравмы), прямое и непрямое силовое воздействие. Наиболее частой причиной повреждений коленного сустава в спорте являются падения с поворотом при фиксированной стопе и слегка согнутом суставом (рис. 18.36). Такой механизм травмы типичен для футбола (рис. 18.37), дзюдо, самбо, горнолыжного спорта, баскетбола, гандбола и др. Действие сил в зонах, расположенных ниже границы разрыва суставной сумки и связок, гиалинового суставного хряща и волокнистого хряща менисков при повторных микротравмах может привести к дегенеративным тканевым изменениям.

Рис. 18.36.Типичный механизм травмы капсульно-связочного аппарата:

падение с поворотом при фиксированной стопе, отведение голени

и наружная ротация верхней половины туловища

Рис. 18.37.Схематическое изображение механизма травмы, показанной на рис. 18.36

Дегенеративные изменения в мениске вследствие хронической перегрузки, например, у футболистов, могут привести к разрывам мениска от подчас минимальной травмы.

На рис. 18.38 и рис 18.39 представлены типичные виды травм.

На рис. 18.40, сравнивая взаимное положение отметок на суставных поверхностях, можно видеть результат влияния связок на движения костей: взаимное движение поверхностей гиалинового хряща состоит из обкатывания со скольжением. При сгибании колена бедренная кость сдвигается назад относительно большеберцовой кости с проскальзыванием, начинающимся приблизительно с 15—20° поворота и заканчивающимся незадолго до конца сгибания; при разгибании бедренная кость смещается вперед. Вследствие этого нельзя указать определенную ось вращения в суставе: для каждого положения костей имеется своя мгновенная ось вращения. При этом в переднем положении бедра оси вращения значительно смещаются кверху благодаря

Рис. 18.38.Типичные виды спортивной травмы в коленном суставе

(по К. Франке, 1981): 1 — повреждения мениска (футбол, скоростной спуск на лыжах, волейбол, борьба, глубокое приседание), 2 — повреждение крестообразной связки (футбол, скоростной спуск на лыжах, борьба), 3 — комбинированное повреждение капсулы, связок и мениска (футбол, скоростной спуск на лыжах, борьба), возможно при всех тяжелых торсионных травмах; 4 — перелом мыщелков большеберцовой кости (мотоспорт)

Рис. 18.39.Типичная травма коленного сустава при перегрузке

(К. Франке, 1981):

1 — хондропатия надколенника и мыщелков бедра (футбол, глубокое приседание со штангой, скоростной спуск на лыжах, борьба дзюдо, гребля, волейбол); 2—дегенеративные повреждения мениска (футбол, скоростной спуск на лыжах, борьба дзюдо, штанга); 3—тендинозы в месте прикрепления; каудальный полюс надколенника, мыщелки, головка малоберцовой кости (прыжки, бег, игры с мячом, фехтование); 4 — апофизит бугристости большеберцовой кости (футбол, прыжки)

меньшей кривизне переднего края поверхности мыщелков. Это способствует наряду с действием связочного аппарата «запиранию» колена в выпрямленном положении, что важно для противодействия нагрузки при локомоциях (движениях) (R. Pick, 1911). Так как сочленованные поверхности не соответствуют друг другу по форме, то в каждый момент соприкасаются только небольшие участки поверхностей. Площадь контакта несколько увеличивается за счет двух менисков полулунной формы, лежащих по наружным краям мыщелков. Движение участков контакта при перекатывании и скольжении способствует лучшей смазке (С.Н. Barnett et al., 1961).

Рис. 18.40.Схема относительного движения поверхностей

коленного сустава (по I.A. Kapandji, 1970).

Вверху — бедренная кость, внизу — большая берцовая кость; слева — вид медиальной части сустава, справа — латеральной. Ромбы и треугольники — реперы, нанесенные в местах соприкосновения суставных поверхностей

Рис. 18.41.Повреждения внутреннего мениска:

а — разрыв переднего рога; б — продольный разрыв;

в — отрыв внутреннего мениска от капсулы

и боковой связки

Рис. 18.42.Механизм травмы при повреждении боковых связок коленного сустава (правого)

Повреждения менисков (рис. 18.41) — наиболее частый вид травмы коленного сустава. В 80% случаев повреждается внутренний мениск и в 20% — наружный. Чаще всего мениски повреждаются вследствие ротационных напряжений при нагрузке согнутого колена (см. рис. 18.36, 18.42). Отсутствие кровоснабжения полулунных хрящей является причиной их плохого срастания.

Биомеханика повреждения

Существенными функционально-анатомическими особенностями менисков, которые определяют относительно частое их повреждение являются следующие:

— воздействие «клещей мыщелков» на передний рог при выпрямлении из положения на носках;

— прочное волокнистое сплетение медиального мениска с медиальной боковой связкой;

— патологические образования — такие, как дискоидный мениск и ганглии;

— относительно хорошее состояние кровоснабжения околокапсульной зоны, в то время как свободный край мениска, впадающий в сустав, не имеет кровеносных сосудов.

Повреждения боковых связок коленного сустава. Чаще всего встречаются растяжение, частичный или полный разрыв боковых связок коленного сустава. Повреждения боковых связок могут произойти вследствие торсии в сторону или насильственном движении в сторону голени.

Полный разрыв боковых связок происходит от сочетания движений отведения или приведения голени в разогнутом положении коленного сустава с элементами наружной ротации голени (рис. 18.42).

Механика повреждения крестообразных связок — силовое воздействие на мыщелки большеберцовой кости либо мыщелки бедра и торсии (мотоспорт, хоккей с шайбой, футбол, горнолыжный спорт и др.). Передняя крестообразная связка, повреждается в 30 раз чаще, чем задняя.

На рис. 18.43 показан механизм повреждения крестообразных связок.

Рис. 18.43.Механизм повреждения крестообразных связок

и фиброзной капсулы в зависимости от воздействия прямой силы

на мыщелок бедра или мыщелок большеберцовой кости

Рис. 18.44.Схематическое изображение различных последствий одной

и той же нагрузки в зависимости от индивидуальной выносливости

(по Е. May, 1971)

При любом переломе сустава происходит также повреждение суставного хряща. Кроме того, он страдает при травмах со встречным и компрессионным действием.

При неправильной нагрузке на хрящевые поверхности коленного сустава, вследствие посттравматического нарушения механики сустава, или при вторичных структурных нарушениях, также травмируется суставной хрящ (рис. 18.44).

Перелом надколенника происходит чаще всего в результате прямой травмы — падения на колено или удара по надколеннику, реже — вследствие чрезмерного напряжения четырехглавой мышцы. Переломы надколенника могут носить различный характер: чаще поперечные, реже оскольчатые, звездчатые и т. д. (рис. 18.45).

Переломы таранной кости (рис. 18.46). Механизм перелома, как правило, непрямой — падение с высоты на ноги, резкое торможение автомашины при упоре ступнями в ее пол или рычаги управления и т. д.

Рис. 18.45.Механизмы повреждения надколенника и виды его переломов:

а — падение на колено, б — резкое сокращение четырехглавой мышцы, в — удар при резком торможении, г — поперечный перелом, д — отрывной,

е — оскольчатый

Рис. 18.46.Переломы таранной кости: а — шейки, б — тела, в — заднего отростка

Перелом пяточной кости. Механизм, как правило, прямой. Чаще всего перелом наступает при падении с высоты на область пяток (рис. 18.47). В этом случае возможен перелом обеих пяточных костей.

Однако наиболее часты компрессионные переломы пяточной кости (рис. 18.48).

При компрессионном переломе пяточной кости со смещением уплощается свод стопы, нарушаются взаимоотношения суставных поверхностей в таранно-пяточном и пяточно-кубовидном сочленениях.

Рис. 18.47.Механизм травмы при переломах пяточной кости

Рис. 18.48.Переломы пяточной кости: а — краевой вертикальный перелом пяточного бугра, б — краевой горизонтальный и клювовидный перелом пяточного бугра, в — изолированный перелом поддерживающего отростка, г — компрессионный перелом