Вы здесь

Прочность сустава — это прочность связок

В предыдущих разделах было показано, что сохранение функциональной мобильности и надежности сочленения костей при выполнении движений с предельными амплитудой и нагрузкой обеспечивают практически все элементы суставного аппарата. Чем ближе к пределу движения, тем более проявляется взаимодействие активных и пассивных тормозов и ограничителей. Наблюдаются функциональное дублирование и синергизм — важные признаки мобилизационной надежности системы сустава. В связи с этим максимум торможения достигается у предела движения, когда реализуются все тормозные возможности каждого элемента.

Пределом прочности сустава при одиночном движении следует считать такую максимальную нагрузку, когда ни один из элементов сустава не начал разрушаться, и по прекращении нагрузки все его элементы (правда, с различной быстротой) возвращаются в исходное, дорабочее состояние. Если суммарная прочность всех тормозов превышает прочность ограничителей, последние разрушаются. При слишком больших и резких нагрузках повреждаются и тормозы, и ограничители. Наиболее распространенной является травма связок суставов, поскольку из всех тормозов именно связки при довольно высокой прочности обладают наименьшей эластичностью. Следовательно, в первом приближении именно связки являются одним из важнейших проявлений надежности — механической прочности сочленения.

Разрывная прочность связок изучается биологами и инженерами с середины прошлого века. Однако, несмотря на обилие данных, функциональная анатомия не располагает исчерпывающими механическими характеристиками связочного аппарата суставов. Приходится признать отсутствие четкого и унифицированного подхода к решению проблемы. В литературе описан целый комплекс разнообразных методов испытаний. Однако чрезвычайно большой разброс результатов, полученных на одноименных связках парных органов у одного и того же субъекта, или незначительное число наблюдений не дают основания для корректных обобщений.



Схема фракционирования волокон связки при испытании костно-связочного препарата в разрывной машине

Наиболее распространенным методом является разрыв костно-связочного препарата. Для этого в местах прикрепления связок выпиливаются фрагменты кости, удобные для крепления в зажимах разрывной машины. Абсолютная точность репозиции естественного положения этих фрагментов в зажимах гарантировала бы существенное приближение условий испытания к фактической функции связки в целостном суставе. Осуществить же такую тонкую, многоплоскостную репозицию практически никогда не удается. Даже незначительное смещение фрагментов кости резко искажает хронологию и динамическое взаимодействие волокон, увеличивает неравномерность распределения нагрузки на отдельные структурные элементы связки (рис. 33).

Направление движения концов таранно-большеберцовой связки и мест ее прикрепления при растягивании ее по продольной кости

Отклонения от реальных условий усугубляются еще и тем, что в естественном движении у его предела места прикрепления связок не просто удаляются друг от друга, как зажимы разрывной машины, а движутся по некоторой дуге (рис. 34). Как показало морфологическое исследование, произведенное нами на крестообразных связках коленных суставов, зафиксированных в различных положениях, места их прикрепления ориентированы таким образом, что в торможении сгибания и разгибания голени участвует наибольшее количество волокон (на это указывает синхронизация расправления периодической извитости их коллагеновых пучков). Если же к естественному движению в сагиттальной плоскости присоединяется даже незначительная ротация, возникает резкая гетерохрония натяжения волокон связки.

Костные ограничители движений

Таким образом, при использовании разрывных машин для испытания специально приготовленных препаратов вероятность получения стабильных, надежных и реальных данных крайне мала. Так, исследуя прочность костно-связочных блоков задней таранно-малоберцовой связки на разрывной машине Р-5, мы не получили на правой и левой конечностях сколько-нибудь сходных результатов. Диапазон различий составлял 21—26,9%. В. П. Валуева, используя такой же метод, указывает, что предел прочности дельтовидной связки голеностопного сустава на однородном контингенте варьирует от 1 до 16 кГ, связки надколенника — от 42 до 239 кГ. Удельная прочность этих связок, по данным автора, колеблется от 0,07 до 1,91 кГ/мм2.

График разрыва костно-связочного препарата

График разрыва костно-связочного препарата при равномерном и медленном его растягивании (рис. 35) имеет особенности, характерные для испытаний сложно структурированных образцов. Анализируя результаты 72 испытаний на машине Р-5, удалось выделить несколько фаз.

  • 1.    Фаза равномерного увеличения сопротивления разрыву.
  • 2.    Фаза относительной его стабилизации.
  • 3.    Фаза ступенчатого уменьшения сопротивления разрыву.
  • 4.    Фаза резкого его снижения.
  • 5.    Фаза остаточного, незначительного напряжения.

Индивидуальные отличия от типичных параметров касаются лишь продолжительности отдельных фаз.

Первая фаза отражает постепенное увеличение числа волокон, тормозящих движение. При этом, вследствие нарушения естественного положения мест их прикрепления, происходит динамическое фракционирование связки: часть волокон лишь расправляется, исчезает их провисание. Предварительно расправленные волокна претерпевают более глубокие структурные изменения. Периодическая извитость их коллагеновых пучков постепенно исчезает. Предел пропорциональности (σ Пц) строго соответствует коэффициенту извитости пучков, находящихся в свободном состоянии. Данная часть волокон достигает предела пропорциональности растяжения более или менее синхронно. В этот момент диаметр фиксирует максимальную нагрузку.

Во второй фазе часть волокон, предел растяжимости которых превышен, разрывается (отрывается). Однако наибольшее сопротивление растягиванию сохраняется за счет последовательного рекрутирования все новых и новых комплексов волокон, замещающих травмированные. Кривая графика в этот момент приобретает характерный ступенчатый вид.

В третьей фазе резерв не полностью растянутых волокон истощается. Происходит скачкообразное снижение разрывной нагрузки.

Когда последние комплексы волокон достигают предела растяжения, наступает четвертая фаза: нагрузка резко уменьшается.



В пятой фазе незначительное остаточное напряжение поддерживается при довольно большом удлинении уже разорванной связки. Его создает адвентиция связки и прослойки рыхлой соединительной ткани.

Особенность локализации мест прикрепления большинства связок крупных суставов состоит в том, что наружно расположенные волокна имеют наибольшую длину, а следовательно, при равном для всех волокон относительном удлинении способны к большему абсолютному удлинению. Самые короткие волокна обычно примыкают к суставной щели; их абсолютное удлинение значительно меньше. Однако в момент движения, антагонистом которого является данная связка, место прикрепления этих волокон движется по дуге меньшего радиуса, чем место прикрепления наружных волокон. И хотя полной синхронизации все же не происходит, в ходе длительного функционального приспособления создаются условия для относительно одновременного натяжения всех волокон связки, что обеспечивает проявление ее максимальной прочности.

Следует отметить, что данная закономерность обнаруживается в так называемых стандартных позициях, когда связка выполняет роль антагониста движению, выполняемому в плоскости, перпендикулярной плоскости естественных движений данного звена (например, боковая большеберцовая связка при отведении голени). Более сложные движения увеличивают асинхронность натяжения волокон связки, что снижает суммарное сопротивление растягиванию и увеличивает опасность травматизации.

Типичным повреждением является не разрыв связки, а отрыв ее в месте прикрепления, как правило, вместе с костным фрагментом — так называемый отрывной перелом (перелом Дюпюитрена). Аналогичную картину повреждений описывают многие авторы. По нашим наблюдениям, величина отломка кости прямо связана с качеством репозиции естественного положения мест прикрепления связок. Если вектор расхождения суставных концов совпадает с направлением основных пучков связки, отрывается значительный кусок кости, армированный зрелыми остеонами. При заметных отклонениях вектора отрывается поверхностная костная пластинка. В случае особо резких отклонений, связанных, в частности, с закручиванием связки вокруг продольной оси, отрыв происходит на границе костной ткани и волокон связки.

Таким образом , чем больше угол отклонения вектора растягивающей силы от направления основных пучков связки, тем меньшую прочность она проявляет. Приходится признать также, что приданном способе испытаний регистрируется прочность не собственно связки, а узко локализованного участка ее прикрепления к кости. Все это усложняет условия испытания связок на прочность и дает основание предполагать, что большой разброс экспериментальных данных объясняется недостаточной корректностью экспериментальной модели.

Другим, более строгим методом испытаний может быть определение прочности собственно связки. Как и в предыдущем методе (но на этот раз вполне закономерно) целью служит выражение прочности поперечного сечения в кГ/мм2. При этом возникают технические трудности, связанные с надежным креплением связки в зажимах разрывной машины. При использовании данного метода сразу же приходится отказаться от испытания коротких связок и связок, имеющих сложную конфигурацию. Более пригодны связки, сохраняющие размеры поперечного сечения по крайней мере на протяжении 3—4 см. Именно поэтому наиболее точные значения удельной прочности получены на связках позвоночника и фибулярной связке коленного сустава. Однако и в данном методе сильное сжатие в зажимах разрывной машины неизбежно и резко нарушает естественные условия функционирования связки. Искажается продольная ориентировка волокон. Эндотеноний, консолидирующий связку и, возможно, играющий роль внутреннего демпфера, выдавливается в промежутки между коллагеновыми пучками. Образуется ярко выраженный очаг концентрации напряжения. Вследствие этого в тех редких случаях, когда удается надежно закрепить связку, разрыв всегда происходит не в свободной ее части, а в месте сжатия у обреза зажима.

Очевидно, результаты таких испытаний лишь с большой осторожностью могут быть отнесены к дефинитивной структуре и состоянию связки.

Поскольку связка всегда функционирует в строгом взаимодействии со своими костными рычагами, исследование прочности изолированных связок представляется излишне академичным, так как проводится в отрыве от практики.



Схема функционального метода испытания прочности связок

Гораздо более перспективным, имеющим выраженное прикладное значение, является теоретически обоснованный и применяемый автором метод испытания связок в естественных условиях, т.е. в целостном сочленении (схема таких испытаний показана на рис. 36). С помощью предлагаемого метода могут быть решены следующие задачи.

  • 1.    Исследование прочности всего синергического комплекса пассивных суставных тормозов — как в основных, так и в промежуточных плоскостях. Примером решения этой задачи может служить проведенное нами моделирование типичной травмы локтевого сустава у метателей копья. Оказалось, что для отрыва локтевой окольной связки к кисти должно быть приложено усилие порядка 30 кГ.
  • 2.    Исследование парциальной механической прочности этих тормозов, в том числе и связок (при послойном препарировании или перерезке интактных компонентов сустава и сохранении исследуемых компонентов).

В качестве примера решения этой задачи приведем результаты испытаний связок голеностопного сустава. Прочность костно-связочного препарата (табл. 15), зафиксированная в разрывной машине, значительно ниже абсолютной разрывной прочности связки, измеренной с помощью метода, который мы называем функциональным. В его пользу свидетельствует также значительное уменьшение квадратического отклонения и ошибок средней, индивидуального разброса показателей прочности и различий в прочности парных связок, взятых от одного трупа.

Абсолютная разрывная прочность задней таранно-малоберцовой связки у мужчин 25-35 лет

В обоих случаях исследовались суставы людей — представителей индифферентных профессий для функции нижних конечностей. Если признать, что существуют различия, связанные с увеличением нагрузки на толчковую ногу (особенно у спортсменов), столь разительные расхождения могут быть только следствием несовершенства традиционного метода испытаний. В то же время при использовании функционального метода различия в прочности связок правой и левой конечностей оказываются недостоверными.

Важным моментом определения фактической прочности связок является соотношение плеч рычагов, учет которого возможен только с помощью функционального метода (для единообразия изменений и выигрыша в силе целесообразно использовать стандартное соотношение плеч рычагов — например, 1:4 и т.д.). Уравняв в вычислениях плечи рычагов, мы получим реальную, или абсолютную, прочность связки. При сохранении естественного соотношения длины звеньев скелета определяется реальная прочность связки при выполнении конкретного движения. Восстановив при испытаниях схему движений интересующего нас спортивного упражнения, можно с большой точностью определить, в какой степени она соответствует предлагаемой нагрузке.

Подводя итог всему сказанному в данной главе, можно сказать, что высокая надежность сочленения обеспечивается довольно сложным, многоплоскостным и относительно сбалансированным комплексом элементов функциональных систем. Наиболее важное значение при обычных и особенно при экстремальных нагрузках в современном спорте имеет система активного (мышечного) регулирования суставного угла. Очевидно, признание этого факта и дало основание П.Ф. Лесгафту подчеркнуть в своей «Теоретической анатомии»: «Мышцы — вот истинные, активные связки суставов!»