Биомеханика коленного сустава человека
Анатомо-биомеханические особенности коленного сустава
Коленный сустав по своему анатомическому строению и биомеханическим условиям является одним из самых сложных суставов человека. В образовании коленного сустава принимают участие суставные концы бедренной, большеберцовой костей, а также надколенник. Суставные поверхности мыщелков бедра эллипсоидной формы. При этом кривизна медиального мыщелка больше латерального. Верхние суставные поверхности мыщелков большеберцовой кости слегка вогнуты и не соответствуют кривизне суставных поверхностей мыщелков бедренной кости. Такое несоответствие несколько выравнивают располагающиеся между мыщелками бедра и большеберцовой кости межсуставные хрящи, или мениски (Синельников Р.Д., 1967).
Различия в параметрах кривизны медиального и латерального мыщелков бедренной кости, а также несоответствие их параметрам кривизны суставных поверхностей плато большеберцовой кости определяет характер движений в коленном суставе, где наряду с движением относительно фронтальной оси («сгибание – разгибание») имеет место ротационное движение. Таким образом, коленный сустав представляет собой сочетание блоковидного сустава с вращательным и относится к вращательно-блоковидным суставам (Синельников Р.Д., 1967).
Особенности анатомии коленного сустава и характер движений определяются особенностями торсионного развития нижних конечностей.
Известно, что угол между продольными осями бедренной и большеберцовой костями открыт кнаружи и в норме составляет 170–172°. В этом случае биомеханическая ось нижней конечности проходит через середины тазобедренного и коленного суставов и близко к наружному краю блока таранной кости, что определяет равномерную нагрузку на суставы и функцию всей конечности (Гафаров Х.З., 1990).
Исследованиями Х.З. Гафарова (1984, 1990) установлено, что при нормальном развитии нижней конечности дистальный конец продольной оси большеберцовой кости в процессе торсионного развития отклоняется от вертикальной оси кнаружи во фронтальной плоскости на 10–12 градусов, а ее проксимальный конец – кнутри на 4–6 градусов, при этом величина угла отклонения зависит от величины приведения бедра. Таким образом, угол отклонения продольной оси большеберцовой кости составляет 14–16°. Данное положение определяется тонусом и работой мышц нижней конечности. Отклонение проксимального конца голени кнутри, а дистального кнаружи происходит при внутренней торсии коленного сустава во фронтальной плоскости и по спирали снаружи кнутри, при этом проксимальный конец костей голени отклоняется снаружи кнутри и спереди назад (Гафаров Х.З., 1990). По этой причине коленный сустав получает физиологическое вальгусное положение.
При внутреннем скручивании коленного сустава поперечные оси мыщелков бедренной и большеберцовой костей в горизонтальной плоскости описывают дугу 18–22° по определенному радиусу, который находится в зависимости от длины сегментов бедра и голени. При этом поперечные оси мыщелков бедренной и большеберцовой костей в процессе внутреннего скручивания образуют с фронтальной плоскостью угол 4–8°, пересекая ее спереди назад. Дистальный отдел костей голени, скручиваясь кнаружи, отклоняется латерально (кнаружи), при этом обеспечивается физиологический вальгус в коленном суставе. В результате этого биомеханическая ось нижней конечности проходит у наружного края блока таранной кости, что определяет равномерную нагрузку в над- и подтаранном суставах, и способствует правильному развитию сводов стопы и ее рессорной функции (Гафаров Х.З., 1990).
Отклонение дистального конца голени в процессе торсионного развития уменьшает нагрузку на внутренний отдел ростковых пластин бедренной и большеберцовой костей. Это способствует большему развитию внутреннего мыщелка бедра, что в дальнейшем обеспечивает сохранение параллельности щели коленного сустава по отношению к горизонтальной плоскости и равномерную нагрузку на суставы нижней конечности (закон Вольфа, Гюнтера, Фолькманна).
Исследования биомеханики движений в коленном суставе последних десятилетий XX века выявили более сложный характер движений. Этот характер определяется как совокупность смещений (скольжений – перекатываний) между мыщелками бедренной и большеберцовой костей и вращений в коленном суставе в трех плоскостях.
Несомненно, что величина вращательного движения значительно преобладает над остальными видами движений, которые составляют: в передне – заднем направлении 5–10 мм, во внутренне – наружном направлении 2–5 мм и так называемая «компрессия – дистракция» при нагрузке 1–2 мм. При этом само вращательное движение является сложным и происходит в трёх плоскостях: во фронтальной плоскости (ротационное движение), в сагиттальной плоскости «сгибание – разгибание», и в вертикальной плоскости «отведение – приведение» (Johnson R.J., 1988; Lafortune M.A., Cavanaugh P.R., Sommer H.J., 1992; Woo S.L.Y., Livesay G.A., 1994; Putz R., 1995).
Вращательное движение в коленном суставе, которое осуществляется между суставными поверхностями мыщелков бедренной и большеберцовой костей сопряжено с движением «скольжение – перекатывание». При этом движении суставная поверхность мыщелков большеберцовой кости проходит сложный путь перемещений по суставным поверхностям мыщелков бедра, различающимися между собой размерами и радиусами кривизны. Описанная кривая траектории движения между суставными поверхностями мыщелков бедра и большеберцовой кости получила название «вершина кубика» («vertex cubis») (Menshik A., 1974, 1975).
Таким образом, при максимальном сгибании в коленном суставе осуществляется вращение относительно фронтальной оси 135° с одновременным (4–8°) вращением мыщелков большеберцовой кости кнутри и перемещением в переднее – заднем направлении до 10 мм.
При этом проксимальный конец большеберцовой кости оказывается развернутым кнутри и выдвинутым кпереди относительно дистального суставного конца бедра.
Рис. 1.1. наглядно демонстрирует величину и направление перемещений мыщелков бедренной и большеберцовой костей при максимальном сгибании в коленном суставе.
а б в
Рис. 1.1. Перемещение мыщелков большеберцовой кости относительно мыщелков бедра при максимальном сгибании в коленном суставе: а – положение разгибания; б – сгибание 90° в – максимальное сгибание в суставе
При полном разгибании в коленном суставе мыщелки бедренной кости выстоят несколько кпереди относительно мыщелков бедра (рис. 1а); сгибание 90° – незначительное выдвижение мыщелков большеберцовой кости кпереди от бедренной кости (рис. 1б). При максимальном сгибании – выдвижение мыщелков большеберцовой кости относительно мыщелков бедра кпереди на 10 мм с внутренней ротацией относительно вертикальной оси – перемещение и наслоение малоберцовой кости на большеберцовую, при этом кпереди выдвигается наружный мыщелок большеберцовой кости (рис. 1в).
Данные положения имеют принципиальное прикладное значение в клинике, так как объясняют механизм и особенности переломов костей, составляющих коленный сустав при травме.
Источник
В
Рис.
6. Основные сгибатели колена.
коленном суставе происходит сгибание
(flexio) и разгибание (extensio) голени, а также
наружная и внутренняя ротация голени
относительно бедра.Основными
сгибателями являются мышцы (рис. 6),
ограничивающие с боков подколенную
ямку (полуперепончатая и полусухожильная
с медиальной стороны и двуглавая с
латеральной они действуют наиболее
эффективно, когда тазобедренный сустав
согнут. Дополнительными сгибателями
являются грациозная, портняжная и
медиальная часть икроножной (с внутренней
стороны), а также подколенная и латеральная
часть икроножной (с наружной стороны).
Когда колено находится в согнутом
состоянии («разблокировано») большеберцовая
кость может совершать ротационные
движения на бедренной кости, 40 градусов
наружу и 30 градусов внутрь: латеральная
группа мышц подколенной ямки и мышца,
напрягающая широкую фасцию бедра,
вращают голень наружу, а медиальная
группа и подколенная мышца — внутрь.
М
Рис.
7.
едиальная, латеральная и промежуточная
широкие мышцы начинаются на бедренной
кости (рис.7) и представляют собой мощный
разгибательный аппарат, который
стабилизирует колено, особенно при
нагрузке. Медиальная широкая мышца
располагается наиболее дистально и
максимально сокращается на последних
10 градусах разгибания, принимая участие
в блокировании медиальной ротации бедра
на большеберцовой кости. Прямая мышца
бедра (четвертый компонент квадрицепса)
берет свое начало на передней верхней
ости подвздошной кости и, таким образом,
действует на два сустава (тазобедренный
и коленный).При прямом
положении нижней конечности голень
является прямым продолжением бедра,
образуя с ним угол около 180°. Ligg.
collateralia очень сильно натянуты, что не
дает возможности делать движения в
сторону. Почти до последнего предела
натянуты и крестообразные связки и
задняя поверхность суставной сумки. Из
этого исходного положения возможно
активное сгибание до 130°, после чего
можно получить пассивное сгибание до
150-160° (путем наружного нажима на голень
или бедро). При последней степени сгибания
обе крестообразные связки закручиваются
и удлиняются ad maximum, а надколенник
смещается книзу от facies patellari по суставным
плоскостям condyli femoris. При этом положении
контуры колена закруглены. Наибольшую
степень ротации голени возможно получить
при сгибании под углом около 70°. Внутреннее
вращение возможно только около 10°, ему
препятствует закручивание крестообразных
связок, а наружное около 40°, т.к. ему
препятствует lig. collaterale tibiale.
Исследование нормального коленного сустава
Осмотр.
Поверхностное расположение коленного
сустава облегчает осмотр и позволяет
прощупать обширные отделы бедра и
голени, участвующие в образовании
сустава. Осмотром коленного сустава
определяют ось нижней конечности. В
норме ось нижней конечности проходит
от центра вращения головки бедренной
кости через середину надколенника до
середины голеностопного сустава (рис.
8, а).
а
в
б
б
в
а
Рис.
8. Формы коленных суставов.
Направление
оси бедра к оси голени подвержено
значительным индивидуальным, возрастным
и половым вариациям. В детском возрасте
наблюдается как физиологическое явление
искривление коленных суставов выпукло
кнаружи: внутренние поверхности колен
у маленького ребенка не соприкасаются
(genu varum) (рис. 8, б). Такая форма ног независимо
от пола сохраняется в среднем до 3—4-го
года жизни. С этого времени физиологическая
установка genu varum начинает постепенно
исчезать, переходя в genu rectum и затем в
genu valgum (рис. 8, в). У лиц мужского пола
нередко не происходит наружного
отклонения голени; ось голени у мужчин
часто совпадает с осью бедра (genu rectum).
У. девочек эволюция установки бедра и
голени совершается значительно быстрее.
Физиологическая установка genu valgum у
женщин выражена значительно резче, чем
у мужчин. К старости независимо от пола
приходиться чаще наблюдать genu varum.
При
детальном осмотре области коленного
сустава видно, что рельеф его образован
костными и мышечными возвышениями и в
меньшей степени связками. Когда колено
разогнуто, над поверхностью коленного
сустава возвышается коленная чашка. По
бокам, кнаружи и кнутри от нее заметны
два западения, ограниченные проксимально
краями т. т. vastus medialis et lateralis. Снаружи и
изнутри колена выступают медиальный и
латеральный мыщелки бедра, ограничивающие
вышеназванные западения (парапателлярные
ямки). Дистальной их границей служат
заметно выдающиеся мыщелки голени.
Парапателлярные ямки имеют при
исследовании большое практическое
значение, так как они соответствуют
месту, где сумка коленного сустава
располагается непосредственно под
кожей. При осмотре в профиль передний
контур бедра над коленной чашкой в
нормальных условиях образует западение.
Этот отдел в клиническом отношении
также представляет большое практическое
значение, так как здесь расположен
верхний заворот сумки коленного сустава.
Подколенная ямка ограничена снаружи
сухожилием двуглавого мускула, изнутри
— полуперепончатой мышцей.
При
осмотре ноги сзади с максимально согнутым
коленным суставом голень, несмотря на
наличие в положении разгибания
физиологического ее отклонения кнаружи
(genu valgum), ложится на бедро; ось голени
при согнутом коленном суставе совпадает
с осью бедра. Из этого можно заключить,
что физиологическое отклонение осей
бедра и голени при разогнутом колене
определяется формой передних отделов
мыщелков бедра.
Ощупывание.
Ощупывание области коленного сустава
дает возможность определить следующие
отделы костной основы колена: коленную
чашку (надколенник) — спереди на всем
ее протяжении; мыщелки бедра — спереди,
где они не прикрыты коленной чашкой, и
с боков; мыщелки большой берцовой кости;
бугристость большой берцовой кости
(tuberositas tibiae) там, где прикрепляется
собственная связка надколенника (lig.
patellae proprium); суставную щель и головку
малой берцовой кости. Из мягких тканей
легко пальпируются сухожилия мышц и
собственная связка надколенника. Сумка
сустава нормально не прощупывается.
Амплитуда
движений.
Из разогнутого положения ноги (180°)
активное сгибание колена совершается
в пределах 128°. Пассивно этот вид движения
в коленном суставе может быть увеличен
на 30° (Молье). Такое крайнее сгибание
получается во время приседания на
корточки или при насильственном
прижимании пятки к ягодице. Из разогнутого
положения коленного сустава пассивно
возможно получить переразгибание в
пределах 12°. Общий размах пассивных
движений в коленном суставе равен, по
Молье, 170°. При согнутом колене появляется
еще один вид движений — ротация кнаружи
и кнутри мыщелков большой берцовой
кости по отношению к неподвижному
суставному концу бедра или соответственное
движение бедра при фиксированной голени.
При разогнутом колене это движение
исчезает. Когда колено согнуто под углом
в 45°, то вращение голени возможно в
пределах 40°, при сгибании под прямым
углом — 50°, при сгибании до 75° амплитуда
вращения достигает 60° (Молье).
Размах
движений проверяют следующими приемами.
В лежачем положении больного при
соприкосновении подколенной поверхности
с плоскостью стола коленный сустав
может быть пассивно переразогнут так,
что пятка приподнимается над поверхностью
стола на 5—10см.
Сгибание
в крайнем пределе допускает соприкосновение
пятки с ягодицей.
Боковые
движения (отведение и приведение) в
разогнутом колене отсутствуют. При
согнутом колене и расслабленных боковых
связках возможны в незначительных
пределах боковые движения. Ротация
аналогична боковым движениям.
Передне-задняя смещаемость голени по
отношению к бедру при целости крестообразных
связок отсутствует как при разогнутом,
так и при согнутом колене.
При
сгибании и разгибании колена суставной
конец голени совершает по отношению к
мыщелкам бедра два движения: вращательное
и плоскостное; суммарный итог таких
движений можно представить, сравнив их
с движением катящегося не полностью
заторможенного колеса.
По
нейтральному 0-проходящему методу
амплитуда нормальных движений в коленном
суставе равна: экст./флек.—5°/0/140°/.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Источник
Коленный сустав — самый крупный сустав человеческого тела. В образовании его принимают участие бедренная, большеберцовая кость и надколенник. Кроме суставных поверхностей этих костей, покрытых хрящом, коленный сустав укреплён целым рядом крепких связок. Скольжение в нём облегчается благодаря наличию суставной жидкости, синовиальной оболочки (сумки сустава), со многими заворотами. Стабильность сустава при ходьбе и беге зависит не только от связок и мышц сустава, но и от внутрисуставных хрящевых пластинчатых тел — менисков, лежащих на суставной поверхности голени. Основные связки коленного сустава — сухожилие четырёхглавой мышцы, переходящее в собственную связку надколенника, боковые связки и внутрисуставные крестообразные связки.
Коленный сустав является мыщелковым суставом. Из разогнутого положения он работает как блоковидный сустав. По мере сгибания голени благодаря уменьшению радиуса кривизны суставной поверхности мыщелков бедренной кости в нем могут происходить также движения, несколько сходные с движениями в шаровидном суставе (небольшие пронация, супинация и циркумдукция).
Рисунок 6 — Коленный сустав правый
Мыщелки бедра выпуклы по направлению книзу и кзади. Соответственно им на мыщелках большеберцовой кости имеются небольшие вдавления. Равномерность давления мыщелков бедра на мыщелки большеберцовой кости (например, при положении стоя) увеличивается благодаря наличию двух менисков: медиального и латерального, которые увеличивают конгруэнтность суставных поверхностей в коленном суставе. Они способствуют смягчению толчков при движениях, изменяя не только свое положение, но и форму. При сгибании и разгибании ноги в коленном суставе движение в основном происходит между мыщелками бедра и менисками, в то время как при пронации и супинации — между менисками и большеберцовой костью. Мениски имеют приблизительно полулунную форму. Их наружный край утолщен, по направлению же к центру они истончаются, их внутренний край острый [Рисунок 6] [1].
Медиальный мениск больше латерального, что связано с большей величиной внутреннего мыщелка бедренной кости. Оба мениска спереди соединены между собой при помощи поперечной связки колена, а своими концами прикреплены к межмыщелковому возвышению большеберцовой кости [Рисунок 7].
Рисунок 7 — Мениски коленного сустава. (Дистальная поверхность коленного сустава. Крестообразные связки перерезаны, бедренная кость удалена)
Капсула коленного сустава имеет большие размеры, но в значительной своей части тонка. Коленный сустав укреплен целым рядом связок. Большеберцовая и малоберцовая коллатеральные связки соответственно идут от внутреннего и наружного надмыщелков бедренной кости к большеберцовой и малоберцовой костям. Внутри сустава располагаются крестообразные связки колена; передняя начинается от внутренней поверхности латерального мыщелка бедренной кости и направляется вниз, вперед и кнутри, прикрепляясь к переднему межмыщелковому полю большеберцовой кости, а задняя начинается от наружной стороны медиального мыщелка бедра, идет вниз, назад и кнаружи и прикрепляется к заднему межмыщелковому полю большеберцовой кости. В задней части суставной сумки коленного сустава находится крепкая косая подколенная связка, которая отчасти представляет собой продолжение волокон сухожилия полуперепончатой мышцы. Кроме указанной связки, в этом отделе суставной сумки постоянно встречается дугообразная подколенная связка, которая прикрепляется в средних отделах к косой подколенной связке. Спереди коленного сустава проходит сухожилие четырехглавой мышцы бедра, в составе которого имеется крупная сесамовидная кость — надколенник. Его функция заключается в увеличении плеча силы четырехглавой мышцы. Самая дистальная часть сухожилия, идущая от надколенника до бугристости большеберцовой кости, именуется связкой надколенника [1].
Синовиальная мембрана суставной капсулы коленного сустава имеет сложное строение. Она покрывает изнутри суставную капсулу и, подходя к крестообразным связкам, расположенным внутри сустава, окутывает их спереди и с боков и образует многочисленные складки, которые содержат некоторое количество жировой ткани. Из складок синовиальной мембраны наиболее выражены крыловидные складки, расположенные ниже надколенника. В синовиальной мембране находятся многочисленные синовиальные ворсинки, которых особенно много в окружности надколенника. Около коленного сустава имеется большое количество синовиальных сумок, из которых одни сообщаются с его полостью, другие же являются вполне самостоятельными.
Коленный сустав характеризуется исключительно высокой подвижностью в нем вокруг поперечной оси. В градусах эту подвижность можно выразить следующим образом: активное сгибание — 130°, пассивное сгибание — еще дополнительно 30°; максимальное разгибание из среднего положения — 10—12°. Таким образом, общая подвижность достигает 170°. По мере сгибания в коленном суставе его коллатеральные связки расслабляются, и тогда становятся возможными некоторые вращательное и круговое движения. При полном разгибании голени в этом суставе можно наблюдать так называемую «заключительную супинацию», которая связана с тем, что медиальный мыщелок бедра больше латерального.
Положения щели коленного сустава, равно как и связки надколенника, легко определяются спереди прощупыванием как при разогнутой, так (в особенности) и при согнутой голени. В согнутом положении можно легко прощупать по сторонам надколенника значительную часть суставной поверхности мыщелков бедра спереди [17].
Рисунок 8 — Биомеханика коленного сустава
Биомеханику коленного сустава легче рассматривать, если представить этот сустав в виде шара, расположенного на плоской площадке. Шар является суставным концом бедренной кости, а плоская площадка является большеберцовым плато. Мениски представляют собой эластичные прокладки и заполняют пространство между бедренными мыщелками и большеберцовым плато. Они помогают рационально перераспределять вес тела с бедренной на большеберцовую кость.
В случае отсутствия менисков весь вес тела распределялся бы в одной точке большеберцового плато. Мениски же распределяют вес практически по всей площади большеберцового плато. Эта роль менисков очень важная, так как помогает защищать суставной хрящ от чрезмерных нагрузок. Повреждение или отсутствие менисков приводит к неправильному распределению нагрузок в коленном суставе, что способствует развитию дегенеративных изменений суставного хряща [Рисунок 8].
В дополнение к функции защиты суставного хряща, мениски вместе со связками способствуют повышению стабильности коленного сустава. Стабильность сустава обеспечивается его «расклиниванием» менисками, имеющими клиновидную форму. Толщина менисков больше на периферии, чем в центральной части. Такая геометрия приводит к формированию неглубокой впадины на большеберцовом плато. Такая поверхность придает большую стабильность суставу, а также более эффективно перераспределяет статические и динамические нагрузки на суставную поверхность большеберцовой кости.
Таким образом, связки и мениски коленного сустава являются крайне важными структурами, способствующие стабилизации сустава. Напомним, что связки соединяют кости друг с другом. Без прочных связок, соединяющих бедренную и большеберцовую кости, коленный сустав был бы очень «разболтанным». В коленном суставе в отличие от других суставов нашего тела, геометрия образующих его суставных поверхностей костей не обеспечивает дополнительной стабильности [5].
Источник