Биомеханика торсионного развития берцовых костей и костей стопы у детей


Работа одно- и двухсуставных мышц голени способствует скручиванию лодыжечной вилки кнаружи в пределах 18-230, реже до 25-270. Из-за давления внутренней лодыжки сзади наперед происходит трансформация шейки таранной кости. Значительно уменьшается угол между телом и шейкой таранной кости в пределах 20-220. Это в свою очередь вызывает скручивание шеек таранных костей не только по горизонтальной, но и по фронтальной плоскости по продольной оси изнутри кнаружи. Такая трансформация шейки и головки таранной кости значительно повышает продольный свод стопы, а также улучшает амортизационные свойства стопы.

Biomechanics of torsion development of the tibial bones and the foot bones in children

Work one-and biarticular leg muscles helps to twist the ankle fork laterally within 18-230, rarely up to 25-270 . Because of the pressure inside the ankle is transformed back to front neck of the talus. Significantly reduced the angle between the body and the neck of the talus within 20-220 . This in turn causes   twisting necks   tali not only horizontal but also in the frontal plane of the longitudinal axis from the inside outwards. Such a transformation of the neck and head of the talus significantly improves the longitudinal arch of the foot, and improves dampening properties of the foot.

Процесс торсионного развития не ограничивается трансформацией только бедренной кости, т.к. усилия двухсуставных мышц передаются и на проксимальный отдел берцовых костей, что способствует синхронному скручиванию мыщелков бедренной кости и проксимального отдела большеберцовой кости внутрь относительно поперечной оси лодыжек [1-6].

Материал и методы исследования

В исследованиях были использованы математические, антропометрические, биомеханические методы, сухие и влажные анатомические препараты.


Рисунок 1. Схема скручивания костей голени под действием сил мышц, приложенных на их проксимальные и дистальные концы (а,б) 

 Биомеханика торсионного развития берцовых костей и костей стопы у детей

 

Возникновение скручивающих сил на концах большеберцовой кости объясняется схемами проксимального и дистального отделов берцовых костей относительно стопы по горизонтальной плоскости (рис. 1 а). Сухожилия мышц, огибающих внутренний мыщелок бедренной кости (портняжная нежная и полусухожильная), при ее внутреннем скручивании натягиваются как тросы, перекинутые через блок, и скручивают проксимальный отдел большеберцовой кости по направлению внутрь вслед за дистальным отделом бедренной кости. Большеберцовая кость испытывает давление сухожилий задней большеберцовой мышцы (ЗББ) мышцы длинных сгибателей пальцев (ДСП) стоп на внутреннюю лодыжку сзади, в связи с чем внутренняя лодыжка перемещается от фронтальной плоскости 2 кпереди (рис.1 б), а наружная – соответственно кзади; поперечная ось лодыжек 1 с данной плоскостью образует угол (первоначальное положение лодыжек показано пунктирными линиями). На рисунке 1 б приведены сравнительные величины плеча силы для длинной и короткой малоберцовых мышц: (ДМ и КМ) и мышц заднебольшеберцовых и длинного сгибателя пальцев (ДСП) (ЗББ). Таким плечом для первой группы мышц является расстояние l от точки 0 (проекция механической оси голени) до пересечения их сухожилиями, а для второй – расстояние  l 1 . Как уже было отмечено выше, различные по величине моменты сил между двумя упомянутыми группами мышц приводят к наружному скручиванию дистального отдела костей голени. Скручивание берцовых костей кнаружи в 4 года, а также на препаратах голени у здоровых людей, обследованных нами, в среднем составило 18-250 , что соответствует величине торсии у взрослых. Последняя возникает за счет поворота поперечной оси лодыжек 1 кпереди от фронтальной плоскости (рис.1 б).


На рисунке 2 (вверху) приведен влажный препарат кости левой голени новорожденного. Спицы, проведенные через поперечные оси мыщелков большеберцовой кости и лодыжек, параллельны друг другу, то есть торсия отсутствует. Влажный препарат костей голени ребенка 4-летнего возраста, у которого между спицами находится угол 230 , представлен на рисунке 2 (внизу).

Рисунок 2. Угол торсии на влажных препаратах костей голени в зависимости от возраста (объяснения в тексте)

Биомеханика торсионного развития берцовых костей и костей стопы у детей

 

Кроме перечисленных исследований было выполнено определение величины торсии на 156 костях голени новорожденных до 4 лет, у подростков и взрослых людей (всего 78 скелетов). Крайние величины торсии на этих сухих препаратах составили от +20  до + 350. На 124 костях голени (80%) наружная торсия равнялась 17-240, на 16 препаратах – 25-310 и на 12-32-350. На остальных препаратах с незначительной или умеренной варусной деформацией большеберцовой кости величина торсии была меньше, чем в основной группе (на 4 препаратах – 2-60).

Обсуждение результатов исследования

При торсии костей голени кнаружи тело таранной кости во фронтальной плоскости прочно удерживается лодыжечной вилкой, а сзади – сухожилием мышцы длинного сгибателя первого пальца (Д1п), таранной пяточной связкой, а также латеральным отростком в борозде пяточной кости снаружи. Внутренняя лодыжка, отклоняясь кпереди, в свою очередь оказывает давление на шейку таранной кости изнутри кнаружи.

Если у новорожденного угол между телом и шейкой таранной кости составляет 420 (рис. 3, вверху), то у ребенка старше 4 лет и взрослого человека (сухой препарат) – 200 (рис. 3, внизу).

Рисунок 3. Препараты левых таранных костей новорожденного и взрослого человека, вид сверху (объяснения в тексте)

Биомеханика торсионного развития берцовых костей и костей стопы у детей

 

Мышцы голени на стопу действуют также скручивающе, что проявляется супинацией заднего отдела стопы при одновременной пронации переднего отдела. Изменение направлений 3 основных групп мышц голени, вызывающих спиральное скручивание стопы за счет анатомических блоков, иллюстрируется схемой (рис. 4).

Рисунок 4. Схема расположения анатомических блоков сухожилий мышц голени 

Биомеханика торсионного развития берцовых костей и костей стопы у детей

 

Кости стопы могут совершать движения относительно взаимно перпендикулярных плоскостей. Это достигается за счет следующих анатомических блоков: лодыжек, заднего отростка таранной кости, верхнего и нижнего удерживателей сухожилий мышц разгибателей стопы. Костные блоки, изменяя направления сухожилий, распределяют их на супинаторы, пронаторы, сгибатели и разгибатели стопы. Первая группа мышц воздействует на стопу супинирующим, сгибающим и приводящим образом. Супинация стопы происходит в заднем отделе. Вторая группа мышц действует одновременно с первой, но пронирует передний отдел стопы. При нагрузке стопы, особенно в фазах опоры и заднего толчка, внутренняя порция икроножной, а также задней большеберцовой мышц и длинный сгибатель первого пальца максимально напрягаются. Эти мышцы супинируют пятку, а длинные и короткие сгибатели пальцев стопы увеличивают инклинацию ее переднего отдела в шопаровом суставе.

В создании инклинации переднего отдела стопы важную роль играет особенно длинная малоберцовая мышца. Сухожилие ее, пересекая стопу наискось с подошвенной стороны, прикрепляется к основаниям I и II плюсневых костей. Поэтому длинная малоберцовая мышца при сокращении не только пронирует наружный край стопы, но и вызывает ее инклинацию, поднимая тем самым продольный свод. Сложившееся положение среднего отдела стопы удерживается передней большеберцовой мышцей, вследствие чего создается благоприятный в биомеханическом смысле момент для задней большеберцовой мышцы при ротации костей голени и таранной кости кнаружи. Поперечная ось лодыжек принимает наиболее косое положение спереди назад, изнутри кнаружи относительно блока таранной кости, в связи с чем блок таранной кости оказывается крепко зажатым лодыжечной вилкой, совершенно исключая ее подвижность в надтаранном суставе в фазах опоры и заднего толчка. Таким путем механическая ось нагрузки голени переносится на середину пяточной кости, то есть ближе к наружному краю блока таранной кости, в результате чего исключается возможность распластания сводов стопы и сохраняется ее рессорная функция, т.к. нагрузка приходится на массивную кубовидную кость.

Смещение оси выглядит следующим образом (на рис. 5 а приведена схема костей стопы в переносной фазе и в момент переднего толчка).

Рисунок 5. Схема взаиморасположения таранной и пяточной костей левой стопы в зависимости от фазы шага, вид сверху (объяснения в тексте)

Биомеханика торсионного развития берцовых костей и костей стопы у детей

 

Таранная кость ротируется кнутри по горизонтальной плоскости относительно ладьевидной кости, ось шейки 1 выходит за внутренний край I плюсневой кости, а передний отдел стопы отводится кнаружи. Поперечная ось лодыжек 2 становится перпендикулярной к продольной оси тела таранной кости 3, а последняя становится параллельной к продольной оси пяточной кости 4. В фазах опоры заднего толчка (рис. 5 б) кости голени вместе с таранной костью ротируются кнаружи, передний отдел стопы приводится и пронируется. Ось шейки таранной кости 1 выходит за наружный край II плюсневой кости. Поперечная ось лодыжек принимает косое положение относительно продольных  осей таранной и пяточной костей. Оси последних образуют между собой угол 250 .

Поэтому при ходьбе одновременно возникают супинирующие пяточный отдел и пронирующие передний отдел стопы силы, вызывающие скручивание стопы по ее продольной оси. Противоположные по направлению силы встречаются на уровне шопарова сустава, так как сухожилие длинной малоберцовой мышцы проходит под кубовидной костью и при сокращении  способствует пронации наружного края стопы. Пронацию переднего отдела стопы усиливают короткая малоберцовая мышца и длинный разгибатель пальцев стопы. Встреча в шопаровом суставе указанных выше сил вызывает скручивание шейки таранной кости снаружи внутрь, сверху вниз. Такое скручивание до 450 (норма) не завершается к 4 годам, подобно торсии костей голени. На рисунке 6 приведены фотографии влажных препаратов левых таранных костей (вид спереди) новорожденного (а), 4-летнего ребенка (б) и сухой препарат взрослого человека (в).

Рисунок 6. Скрученность шейки на препаратах левых таранных костей в зависимости от возраста, вид спереди (объяснения в тексте)

Биомеханика торсионного развития берцовых костей и костей стопы у детей

 

Ось головки и таранной кости новорожденного (а) расположена совершенно параллельно к горизонтальной плоскости, без скручивания. У 4-летнего ребенка ось головки таранной кости с горизонтальной плоскостью образует угол 200, а у взрослого человека – 450. Скручивание шейки таранной кости такое же, как у взрослых, мы обнаружили и у детей 7-8 летнего возраста. Следовательно, формирование стопы завершается к возрасту 7-8 лет.

Окончательное формирование разворота стопы до 9-180 в среднем при положении стоя и ходьбе (в среднем 100) происходит уже в юношеском возрасте (14-18 лет). Оно связано с индивидуальными особенностями проксимального конца бедренной кости, то есть зависит от величины угла ретрофлексии шейки. При уменьшении антеторсии до 10-120 максимально (в среднем до 180) возрастает угол ретрофлексии (УР). Увеличение (УР) отражается на всей нижней конечности в виде наружно-ротационной ее установки в пределах 9-180. Образованию угла разворота стопы способствует: отведение переднего ее отдела при наружной торсии костей голени и увеличение угла ретрофлексии шейки бедра. Поэтому при развороте стопы больше 100 за счет указанных факторов появляется впечатление о наличии внутреннего поворота заднего отдела стопы, хотя это всего лишь общая наружная установка конечности, обусловленной выраженным (УР). Оба фактора не отражаются на расположении пяточной кости. Это значит, что ахиллово сухожилие остается неподвижным и служит ориентиром относительно смещающихся лодыжек при торсии костей голени в норме.

Соотношение осей шеек, поперечных осей мыщелков бедренной кости и поперечной оси лодыжек новорожденного ребенка приводится по горизонтальной плоскости (рис. 7). Соотношение тех же осей взрослого человека после завершения процесса торсионного развития сегментов нижних конечностей представлено на рис. 8).

Рисунок 7. Соотношение осей костей нижней конечности новорожденного по горизонтальной плоскости

Биомеханика торсионного развития берцовых костей и костей стопы у детей

 Рисунок 8. Соотношение осей костей нижней конечности у взрослого человека по горизонтальной плоскости

Биомеханика торсионного развития берцовых костей и костей стопы у детей

Таким образом, механизм торсионного развития сегментов нижних конечностей в конечном этапе своего завершения обеспечивает «выстраивание» продольных осей в горизонтальной плоскости почти в одну линию (шейки бедра, поперечных осей мыщелков бедра и голени, а также поперечной оси лодыжек), оптимизируя биомеханику походки, вообще кинематику всех сегментов. Что касается не совпадения осей между шейкой бедра и ее мыщелков от 10 до 200, то это величина обеспечивает упругую деформацию бедренной кости при нагрузках, способствуя кровообращению в гаверсовых канальцах и лакунах, т.е. обеспечивая обмен веществ в кортикальных слоях костей. С другой стороны упругое скручивание бедренной кости при больших нагрузках усиливает прочность и способствует сохранению ее целостности при наличии изгиба диафиза кпереди и улучшает амортизационные свойства нижней конечности. Скрученность нижележащих костей (большеберцовая кости и кости стопы) также обеспечивают упругую деформацию, способствуя кровообращению в компактных слоях костей и амортизационные функции, как голени, так и стопы в виде рессоры. Последняя является наиболее совершенным природным амортизатором при толчках о дорожное полотно при ходьбе и особенно в беге и при других больших нагрузках.

 

Х.З. Гафаров

Казанская государственная медицинская академия

Гафаров Хайдар Зайнуллович — доктор медицинских наук, член-корреспондент АНТ, профессор, заведующий кафедрой травматологии и ортопедии

 

 

Литература:

1. Абальмасова Е.А., Лузина В.В. Врожденные деформации опорно-двигательного аппарата и причины их происхождения. — Ташкент: Медицина,1976. — 178 с.

2. Алякин Л.Н. Патологическая торсия костей голени у больных с последствиями полиомиелита: автореф. … канд. мед. наук. — Л., 1970.

3. Гафаров Х.З. Устранение патологической торсии костей голени при лечении деформации стопы // Вестн. хирургии им. Грекова. — 1984. — № 2. — С. 83-86.

4. Гафаров Х.З. Лечение детей и подростков с ортопедическими заболеваниями нижних конечностей. — Казань: Татарское книжное издательство, 1995. — 384 с.

5. Dupuis P.La Porsiontibiale. —Paris, 1951. — 115 р.

6. Duczguet P. Petentissement des vices de torsion Sur la hanche // Acta Orthop. — Belgica. — 1977. — Vol. 43, № 4. — Р. 433-489.