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.