Биомеханика опорной функции голеностопного сустава при вальгусной установке стопы

Голеностопный сустав находится в особом положении: 1) через него передается тяжесть тела на стопу; 2) центр вращения блока таранной кости является биомеханическим центром, из которого силовые линии передаются на поверхность опоры стопы [110].

Из работы братьев W. и E.Weber [478] известно, что продолжительность двухсторонней опоры в два раза больше, чем односторонней, следовательно тело человека достаточно длительное время находится в контакте с площадью опоры.

Г.А.Коган [104] ввел следующий анализ статики стопы: сила тяжести тела, производя давление сверху вниз на таранную кость, разлагается в месте сочленения таранной и пяточной костей на две силы, направленные к передней и задней точкам опоры стопы (рис.21).

Анализ статики стопы по Г.А.Когану [104]

Рис.21. Анализ статики стопы по Г.А.Когану [104]: g - направление силы тяжести сверху вниз; grgu - противодействие силе тяжести в точках опоры снизу вверx;Mscl] - сила тяги икроножных мышц; Mscl - противодействие силе тяжести в центре голеностопного сустава.

На основании этих данных Я.Б.Рывлин [211] пришел к выводу, что существует главная сила, точкой приложения которой является суставная поверхность пяточной кости, и две составляющие, являющиеся результатом ее разложения по двум направлениям к точкам опоры стопы (рис.22).

Анализ статики стопы методом параллелограммов сил по Я.Б.Рывлину [211]

Рис.22. Анализ статики стопы методом параллелограммов сил по Я.Б.Рывлину [211]: а - вектор силы, 1 - начало вектора, 2 - конец вектора, 1-3 и 1-4 - составляющие силы вектора, 5 и 6 - параллельные линии, проведенные для образования параллелограмма сил.

По J.H.Stevens [400] в статике наружная лодыжка испытывает мощное боковое давление вследствие образования рычага эксцентричности при вальгусном положении пяточной кости (рис.23)..

Схема образования рычага эксцентричности по J.H.Stevens [400]

Рис.23. Схема образования рычага эксцентричности по J.H.Stevens [400]: а - перевод пятки в положение вальгуса при образовании рычага эксцентричности; б - возникновение силы бокового давления наружной лодыжки; в - увеличение рычага эксцентричности при неправильно сросшихся переломах лодыжек

Путем математических расчетов J.H.Stevens доказал, что при весе тела в 150 фунтов внутренняя лодыжка испытывает давление 300 фунтов, а наружная - 600 фунтов на дюйм суставной поверхности. В своих расчетах он исходил из того, что мы ходим на наружном крае стопы, а потому в опорной колонке голени стопа располагается эксцентрично кнаружи от средней линии колонки. Такое положение стопы образует рычаг эксцентричности, который стремится перевести пятку в положение вальгуса.

E.Teubner [404] сравнивает голеностопный сустав с балкой на двух подпорках: твердым ложем - внутренней лодыжкой и подвижным ложем - наружной лодыжкой (рис.24).

Схема голеностопного сустава по E.Teubner с соавт. [404]

Рис.24. Схема голеностопного сустава по E.Teubner с соавт. [404].

В работе B.J.Weber [479] приводится, что в норме при ходьбе давление, приходящееся на лодыжки, составляет 200 - 300 кг.

В биомеханике опорной функции голеностопного сустава основную роль играет сила веса тела Р, действующая в виде статической нагрузки. Так как в норме движения в голеностопном суставе возможны только в одной плоскости, то вес тела Р, как вектор силы, передается по оси голени в центр тяжести таранной кости О, независимо от ее положения.

Центр тяжести таранной кости О, ввиду однородности костной структуры, совпадает с ее геометрическим центром. Для определения геометрического центра таранной кости О, представили ее в виде выпуклого многогранника в 3-х проекциях: сагиттальной, фронтальной и опорной. В каждой из проекций таранная кость имеет форму многоугольника, геометрический центр которого находится графическим или координатным способом.

Графический способ заключается в разбивке многоугольника на треугольники с последовательным нахождением центров тяжести каждого из этих треугольников. Центр тяжести каждого треугольника находится в точке пересечения его медиан. Найдя центр тяжести одного из треугольников, рассматривают далее центры тяжести отрезков, образованных соединением найденного центра тяжести и неиспользованных вершин треугольников в отношениях, пропорциональных количеству использованных вершин.

Координатный способ заключается в построении произвольной системы координат и нахождении на ней координат узловых точек.

На рис. 25 и 26 показано нахождение центра тяжести таранной кости О во фронтальной и сагиттальной плоскостях графическим и координатным способами.

Нахождение центра тяжести таранной кости О во фронтальной и сагиттальной плоскостях графическим методом

Рис.25. Нахождение центра тяжести таранной кости О во фронтальной и сагиттальной плоскостях графическим методом:

A(x,yi); B(xyy2): С(х3уз); Д(х4у4); Е(х,у,).

Р= Х0 = (х, +х2 + х3 + х4 + х5)/5 ; Y„ = (у, + у2 + у3 + у4 + УзУ-5;

Р = (ВД).

Как видно из схем на рис. 25, центр тяжести О таранной кости находится в sinus tarsi.

Третья проекция центра тяжести таранной кости О на опорной плоскости находится методом параллельного перенесения (рис.26).

Нахождение центра тяжести таранной кости О на опорной плоскости методом параллельного перенесения

Рис.26. Нахождение центра тяжести таранной кости О на опорной плоскости методом параллельного перенесения

Таким образом получено, что центр таранной кости 0 находится в sinus tarsi. Одновременно этот центр тяжести является и центром вращения таранной кости вокруг фронтальной оси при тыльном и подошвенном сгибании стопы.

Следовательно, вектор силы веса тела Р по оси голени, независимо от углов тыльного и подошвенного сгибания стопы, с любой точки суставных поверхностей большеберцовой и таранной костей передается в центр ее тяжести sinus tarsi - точку 0 (рис.27).

Биомеханические особенности центра тяжести таранной кости. Где

Рис.27. Биомеханические особенности центра тяжести таранной кости. Где: Р - вектор нагрузки веса тела, 0 - биомеханический центр в sinus tarsi.

Центр тяжести таранной кости О является биомеханическим центром, из которого силовые линии нагрузки Р распределяются на стопу. Распределение силы веса тела Р определяется видом и фазой нагрузки голеностопного сустава. Различают два вида нагрузки голеностопного сустава: статическую и динамическую. При статической нагрузке голеностопного сустава и стопы имеем две фазы:

1 фаза - опорная - вес тела Р распределяется на составляющие в сагиттальной плоскости стопы;

Распределение силы веса тела Р на составляющие в опорной фазе статической нагрузки голеностопного сустава и стопы

Рис.28. Распределение силы веса тела Р на составляющие в опорной фазе статической нагрузки голеностопного сустава и стопы.

2 фаза - пронационная - вес тела Р при наличии угла физиологического вальгуса стопы (у), передается из сагиттальной плоскости во фронтальную плоскость.

В опорной фазе статической нагрузки голеностопного сустава и стопы (у = 0), имеем две составляющие силы веса тела Р: Р]И Р2, расположенные в сагиттальной плоскости (рис.28). Сила Р/ направлена по пяточной оси к задней точке опоры стопы, сила Р2 - по плюсневым осям к передним точкам опоры стопы. Причем силу Р2 можно представить в виде двух составляющих Р'2 = Р"2, направленных к точкам опоры переднего плеча рычага стопы, которыми являются головки 1 и 5 плюсневых костей.

Приводим расчет распределения сил, действующих в опорной фазе нагрузки голеностопного сустава.

По теореме синусов имеем: Р2 /sin? = P//sinp = P/sin (?+/?); откуда Pj= Р2 sinp/sin?, следовательно, если Z.?> А р, то sinp/sin? > 1, то есть Р]> Р2.

Значение силы, действующей в опорной фазе по пяточной оси:

Значение сил, действующих в опорной фазе по плюсневым осям:

Следовательно, в опорной фазе статической нагрузки голеностопного сустава и стопы (у = 0), в Зх точках опоры стопы действуют три основные силы: Pj, Р'2, Рп2

Во 2-й фазе статической нагрузки, вследствие пронации пяточной кости и образования между осью голени и осью стопы пронацион- ного угла у, распределение веса тела Р на составляющие изменяется (рис.29).

Биомеханическая схема изменения нагрузки голеностопного сустава и стопы в пронационной фазе статической нагрузки

Рис.29. Биомеханическая схема изменения нагрузки голеностопного сустава и стопы в пронационной фазе статической нагрузки

Во фронтальной плоскости в пронационную фазу вес тела Р распределяется на две составляющие: Р' = Pcos у - составляющая сагиттальной плоскости стопы; Р" = Psin у - составляющая оси пронации во фронтальной плоскости. Причем сила Р" направлена в сторону внутренней лодыжки и возрастает с увеличением угла пронации у, а сила Р' направлена вдоль сагиттальной плоскости стопы и определяет ее нагрузку (рис.30).

Распределение нагрузки голеностопного сустава и стопы в пронационную фазу

Рис.30. Распределение нагрузки голеностопного сустава и стопы в пронационную фазу.

Исходя из этих данных, в пронационную фазу статической нагрузки голеностопного сустава и стопы (у >0), на переднее плечо рычага стопы приложена сила Р2, определяемая: Р2 = Р' sin? / sin(?+/?), или Р2 = Р sin? cosy / sin(?+fi).

На заднее плечо рычага стопы приложена сила Pj, определяемая формулой: Р} = Р’ sinp/sin(?+/7), или Pj = P sinр cosy / sin(?+Р).

Сила Р" направлена перпендикулярно сагиттальной плоскости стопы, а следовательно, и любому направлению силы, лежащему в этой плоскости и проходящему через sinus tarsi. То есть сила Р" перпендикулярна силе Р2, а силы Р Р2, Р'2, Р"2 лежат в одной опорной плоскости, перпендикулярной сагиттальной плоскости стопы (рис.31).

Распределение составляющих силы веса тела Р в передней опорной плоскости в пронационной фазе нагрузки голеностопного сустава и стопы

Рис.31. Распределение составляющих силы веса тела Р в передней опорной плоскости в пронационной фазе нагрузки голеностопного сустава и стопы.

В этом случае с изменением угла пронации у будет изменяться опорная нагрузка переднего отдела стопы. Силу Р", действующую в направлении внутренней лодыжки и лежащую в передней опорной плоскости АОВ, представим в виде суммы сил, действующих по плюсневым осям, которые обозначим Р"з и Р"4. По теореме синусов имеем: P7sin2(p = Р Vsin(90°- ср) = P3I coscp = P4I cosР"з = Р"4 = P412sin(p = jPsincp / 2sinq>.

Силы Р'2 и Рп4 действуют по одной плюсневой оси в противоположных направлениях, поэтому их результирующая Р4 равна их разности и направлена в сторону большей силы (Р'^или Р'^У Р4 = Рг,4~ Рг2= Р (siny / 2sinq> - sin?cosy / 2sin(?+p)cos(p).

Таким образом, с увеличением пронационного угла у сила Р4, действующая в области головки 5 плюсневой кости, уменьшается.

Силы Рп2 и Р"з действуют по другой плюсневой оси и одинаково направлены, поэтому их результирующая Рз равна их сумме и сона- правлена с ними:

Таким образом, с увеличением пронационного угла у сила Рз, действующая в области головки 1 плюсневой кости, возрастает. Следовательно, в пронационной фазе статической нагрузки стопы и голеностопного сустава действуют силы: Рз> Р4 и Р]. Причем сила Рз увеличивается на величину Р"з, а сила Р4убывает на величину Рп4, вплоть до нуля. При Р4 = 0 пронационный угол у определяется параметрами голеностопного сустава и стопы: /.?, Z. |3, Z. (р. В этом случае стопа имеет две основные точки опоры: С и В, в которых приложены силы Pj иР3(Р,= 0).

Неравномерное нагружение передних точек опоры стопы (Рз > Р4) приводит к возникновению эверсионного вращающего момента который значительно изменяет биомеханику стопы и голеностопного сустава. Голеностопный сустав находится в невыгодном с биомеханической точки зрения положении, т.к. испытывает нагрузку всего веса тела, который как вектор силы распределен в соответствии с его биомеханическими параметрами по костным осям (рис.32).

Распределение веса тела Р на составляющие в пронационной фазе статической нагрузки с возникновением эверсионного вращающего момента

Рис.32. Распределение веса тела Р на составляющие в пронационной фазе статической нагрузки с возникновением эверсионного вращающего момента.

При рассмотрении составляющих веса тела в сагиттальной, фронтальной и передней опорной плоскостях (рис.32) видно, что главной силой, определяющей пронацию, является сила Р", направленная в сторону внутренней лодыжки по межлодыжечной линии и возрастающая с увеличением угла пронации у.

Главными силами, определяющими опорную нагрузку стопы, являются силы Pj и Р2, величина которых определяется углами ? и /?. В таблице 7 показано изменение нагрузок переднего и заднего отделов стопы при увеличении углов ? и /? (при весе тела = 70кг).

Таблица 7

Распределение нагрузки на передний и задний отделы стопы при увеличении углов пяточной и плюсневой осей (? и р)

?/|3

30°/60°

35° /65°

40° / 70°

450/750

Pi

Р2

60,2/36

64,3/41,6

70 / 47,6

78,1 /56,9

Следовательно, с увеличением углов ?, Р и у возрастают силы Pi, Р2 и Р", что повышает статическую нагрузку голеностопного сустава. Установлено, что возрастание статической нагрузки приводит к увеличению общей площади опоры {а> а, А> А), что является одним из механизмов саморегуляции опорной функции стопы человека с биомеханической точки зрения (рис.33).

Увеличение общей площади опоры при возрастании статической нагрузки голеностопного сустава и стопы

Рис.33. Увеличение общей площади опоры при возрастании статической нагрузки голеностопного сустава и стопы

А.А.Кадьян [91] также считал, что назначение свода стопы заключается в увеличении поверхности опоры и амортизации толчков.

Таким образом, распределение силы веса тела на составляющие при опорной нагрузке голеностопного сустава зависит от угла пронации у, что имеет ведущее значение при изучении механогенеза повреждений.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >