Основы биомеханики опорно-двигательного аппарата

Двигательный аппарат человека — это самодвижущийся механизм, состоящий из 600 мышц, 200 костей, нескольких сотен сухожилий.

Двигательный аппарат — функциональная совокупность костей скелета, сухожилий, суставов, мышц с их сосудистой сетью и нервными структурами, осуществляющих посредством нервной регуляции передвижение, позную активность, другие двигательные акты. [3].

Функции двигательного аппарата: опорная — фиксация мышц и внутренних органов; защитная — защита жизненно важных органов (головной и спинной мозг, сердце и др.); двигательная — обеспечение двигательных актов; рессорная — смягчение толчков и сотрясений; участие в минеральном обмене. [3].

Биомеханика костей

Кость — материал, который отличает позвоночных от других животных, совершенствовался на протяжении нескольких сотен миллионов лет эволюции животного мира, включая человека.

Кость сочетает в себе прочность железного бруска и легкость древесины. Кость является совершенным биоматериалом, который способен приспосабливаться к нагрузкам и самостоятельно восстанавливать свою структуру при повреждении или перегрузке. [3].

Функции скелета:

А — фронтальный срез верхней части бедренной кости. Б — рентгеновский снимок верхней трети бедренной кости (видны силовые линии). В — скиаграмма бедренной кости. Распределение силовых линий Рисунок 9 — Трабекулярная и кортикальная структуры кости.

Микроструктура кости представляет собой так называемую систему гаверсовых каналов, которые включает в себя каналы для снабжения кости кровью и концентрические слои кости вокруг центрального канала. Пространство между гаверсовыми системами образуют костные балки, между которыми расположены костные клетки — остеоциты (Рис.10).

Рисунок 10 — Микро-фото кортикального слоя кости.

Гаверсовы системы кости. Центральные каналы (обозначено стрелкой). Маленькие черные точки между гаверсовыми системами — остеоциты Известно, что полые (пустотелые) цилиндрические или профильные конструкции, при относительно небольшой массе обладают наибольшим моментом сопротивления изгибу и скручиванию. [3].

Трубчатая кость имеет форму цилиндра, при этом прочность кости определяется диаметром цилиндра и площадью сечения. На рисунке 11 изображены 3 упругих модуля с одинаковой площадью сечения и с различным диаметром, модули B и C — пустотелые.

Рисунок 11 — Способность противостоять изгибу различных упругих модулей с равной площадью сечения На кость действуют два вида сил: направленные вдоль механической оси прочности (сжатие и растяжение) и направленные поперечно продольной оси — срезывающие силы (сдвиг, изгиб, скручивание или торсия). Силовые воздействия, вызывающие напряжение и деформацию кости называются нагрузкой или механическим напряжением — это мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле под влиянием внешних воздействий. [3].

Механическое напряжение в точке тела измеряется отношением: упругой силы, возникающей в теле при деформации; к площади малого элемента сечения, перпендикулярного к этой силе.

Математически нагрузка выражается силой приложенной к площади нагружаемого объекта и измеряется в Н/м2 или в Паскалях.10 н/м2=1 миллиону Паскалей (1МПa). Прочность — свойство твердых тел сопротивляться разрушению (разделению на части), а также необратимому изменению формы (пластической деформации) под действием внешних нагрузок (Рис. 12, 13).

Рисунок 12 — Виды нагрузки: компрессия, растяжение, скручивание (срезывающая нагрузка).

Рисунок 13 — Кривая нагрузки — деформация кости Различают эластическую деформацию (обратимую деформацию кости) и пластическую (деформация, которая не исчезает после прекращения воздействия), которая развивается в результате механического напряжения.

Упругость (эластическая деформация) — свойство тел восстанавливать свои размеры, форму и объем после прекращения действия внешних сил или других причин, вызвавших деформацию тел. [3].

При возрастании нагрузки на кость в кости возникает механическое напряжение, которое приводит вначале к эластической деформации, а затем к пластической. В случае предельной нагрузки кость разрушается — происходит перелом кости (Рис. 14).

Рисунок 14 — Риск перелома кости в зависимости от величины и повторяемости нагрузки Нарушение структуры кости могут возникать и при небольших нагрузках, в том случае если эти нагрузки многократно повторяются длительное время. Такой нагрузкой может быть, например, продолжительная ходьба. Переломы костей, возникающие при продолжительной периодической нагрузке, называют стрессовыми переломами. Хорошо известны так называемые «маршевые переломы» , — переломы костей стопы, возникающие при длительной ходьбе в неприспособленной обуви. Стрессовые переломы чаще всего возникают в костях нижних конечностей, переломы чаще всего возникают в зонах максимального напряжения кости (Рис. 15).

Рисунок 15 — Наиболее частые зоны стрессовых переломов Факторы, способствующие стрессовым переломам: снижение прочности кости, биомеханические нарушения скелета, несоответствие структуры кости возникающим при нагрузке напряжениям, нарушение техники безопасности тренировки. [3].

Прочность костной ткани (устойчивость к пластической деформации и переломам) зависит от уровня физической нагрузки (она выше у лиц, регулярно занимающихся физкультурой и спортом и существенно снижается при гиподинамии или иммобилизации конечности), возраста (наибольшая прочность кости — в средней возрастной группе, наблюдается у лиц среднего возраста, прочность кости ниже в подростковом возрасте за счет физиологического остеопороза растущего организма, в пожилом и старческом возрастах за счет иволютивного остеопороза). Структура кости способна к самосовершенствованию, ее структуру определяют привычные механические напряжения, кость разрастается преимущественно по направлению тяги и перпендикулярно плоскости давления.