Биомеханика в коленном суставе

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.

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].