Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ БИОМЕХАНИКА

Вела беседу специальный корреспондент журнала "Наука и жизнь" кандидат биологических наук Е. Каликинская

О биомеханике - науке, занимающейся изучением движений живых существ, журнал уже писал (см. "Наука и жизнь", №№ 2, 3, 5-7, 1968 г.). С тех пор прошло немало времени. Сейчас биомеханике приходится решать важные медицинские задачи. достижения этой науки помогают облегчить жизнь пациентам с нарушениями опорно-двигательного аппарата. На вопросы редакции отвечает заведующий лабораторией клинической биомеханики Московского центра медицинской реабилитации доктор медицинских наук В. Беленький.

- Виктор Евгеньевич, главная область ваших научных интересов - позвоночник человека. Этот объект отличается какими-то особенными свойствами?

- Да, конечно. Судите сами. Прежде всего, его отличает необычайная прочность. Поясничные позвонки могут выдержать нагрузку свыше тонны! Правда, это уже "запредельные" величины. Нагрузки, которые переносит позвоночник в обыденной жизни, тоже впечатляют. Например, если человек держит относительно небольшой груз, наклонившись вперед, то нагрузка на позвоночник превышает 200 килограммов.

Обеспечим библиотеки России научными изданиями!

- То есть любого из нас можно сравнить с борцом-тяжеловесом?

- Вызывает удивление не только это, а "продуманность" и разнообразные свойства этой живой конструкции. Позвонки выполняют как опорную, так и двигательную, и защитную функции. Каждый элемент позвонка предназначен решать свою задачу: тело позвонка является несущей конструкцией, отростки осуществляют кинематическую функцию, дужка играет защитную роль. При этом прочность позвонка в продольном направлении втрое выше, чем в поперечном. Эта анизотропия обусловлена особенностью расположения трабекул - костных балок внутри кости. Структура тела позвонка определяет также большую прочность при сжатии, чем при растяжении. Опорную функцию выполняет не только тело позвонка, но и его задний комплекс. Если нагрузка превышает 150 килограммов, часть ее начинает восприниматься задними костно-суставными элементами.

Представьте желоб, в который заливают раствор цемента. Когда раствор застывает, получается относительно прочный столб. Но его прочность можно увеличить, если перед заливкой раствора в середину желоба поместить металлический прут и натянуть его. Так создается предварительно напряженная, более прочная конструкция. Аналогично устройство позвоночника.

Но это еще не все. Можно также представить наш позвоночник как стержень, к которому при увеличении нагрузки присоединяются дополнительные опорные элементы.

По мнению некоторых исследователей, часть нагрузки принимают на себя еще и грудная и брюшная полости - своеобразные цилиндры, заполненные воздухом и жидкостью. Роль этих опорных элементов особенно велика при подъеме тяжести. Благодаря работе мышц живота жесткость стенок цилиндров увеличивается и давление в грудной и брюшной полостях возрастает. Таким образом, нагрузка на позвоночник при действии механизма наддува снижается приблизительно вдвое. Это одновременно и очень прочная, и весьма гибкая конструкция.

- Эта конструкция еще и движется. И здесь действуют какие-то особые законы?

- Да, причем движение человеческого тела характеризуется очень сложной механикой. Попробуем представить хотя бы в общих чертах взаимодействие сил, определяющих движение звеньев тела. Внешние силы - это вес тела, сила инерции, внутренние - усилия мышц.

Рассмотрим такую аналогию. Вы сели за весла, выгребли на середину реки и развернули лодку по течению. Теперь, работая веслами, вы поддерживаете определенную скорость движения лодки и одновременно удерживаете ее в фарватере реки. Мы видим здесь два этапа: первый - начальный "рывок" от берега до середины реки, второй - движение по течению реки. На такие же этапы можно "расчленить" и движения тела. На старте ходьбы мы затрачиваем значительную энергию, чтобы придать своему телу необходимое ускорение, а затем, двигаясь по инерции, лишь добавляем часть своих мышечных сил, чтобы идти в нужном темпе и в нужном направлении.

Шаг начинается с того, что нога отталкивается от опоры. Усилие заднего толчка передается другим звеньям тела. Они совершают движение по инерции. В то же время движения звеньев тела постоянно корректируются мышцами. Корректирующие мышечные усилия необходимы для того, чтобы в полной мере использовать силу инерции. То есть создать для последующего шага необходимые условия отталкивания от пола. Получается так: задний толчок подготавливается целенаправленным движением звеньев тела, и в первую очередь перемещением туловища, - его масса существенно больше масс других звеньев тела. А уже в момент отталкивания главная роль принадлежит мышцам. Они как бы завершают формирование заднего толчка. При этом одновременно должна быть выполнена и другая задача - удержание тела в вертикальном положении.

Вот какими сложными взаимодействиями обеспечивается самое простое и обыденное для нас движение - ходьба.

- А если с этой задачей тело не справляется, как установить, в чем причина?

- Мы используем специальный метод - электромиографию. Она дает информацию о вкладе той или иной мышцы в осуществление двигательного акта, будь то ходьба, стояние, какой-то вид производственной деятельности или спортивное упражнение. Принцип здесь такой: выявление особенности работы мышц на основании их электрофизиологических характеристик. Обычная электрическая активность мышц, или суммарная электромиограмма, - результат сложения активности отдельных двигательных единиц. Двигательная единица включает в себя нервную клетку и все иннервируемые ею мышечные волокна.

Во время движения происходит не просто сложение импульсов двигательных единиц, а их наложение друг на друга - интерференция. Мышечные волокна подразделяются на медленные и быстрые. Одни мышцы содержат в основном быстрые волокна, другие - медленные. Количество двигательных единиц в мышце широко варьируется - от нескольких сотен до нескольких тысяч. Потенциалы одной единицы имеют постоянную амплитуду. Изменяется только их частота: возрастает с увеличением усилия. При подключении двигательных единиц, когда мышца напрягается, происходит, по-видимому, следующий процесс. В мышце, как и в некоторых приборах, существуют два способа регулировки силы. Грубая, ступенчатая регулировка осуществляется путем включения и выключения двигательных единиц, а плавная, точная регулировка - путем изменения частоты их пульсации. Это как переключение скоростей в коробке передач.

Мы регистрируем электромиограмму в ходьбе. Параллельно записываются характеристики ходьбы. Это необходимо, чтобы установить, в какую фазу шага активна та или иная мышца, сгибается или разгибается при этом нога в суставе. Такие сведения дают возможность определить режим работы мышцы.

Подобная информация незаменима при планировании операций, связанных с изменением места прикрепления мышцы. Например, при пересадках мышц у больных с параличами. При этом мышца, "поставленная" на новое место, иногда хочет работать в прежнем режиме, что ставит под угрозу результат операции. С помощью биомеханических исследований мы можем детально проследить механизм выработки у мышцы нового двигательного акта, то есть понять, достаточно ли успешно она "переучивается".

Для этого регистрируют электрическую активность мышц у пациента после операции во время ходьбы. Иногда при этом выясняется, что при работе с "переученной" мышцей могут происходить невероятные вещи: она совершенно забывает свою новую функцию и вновь становится тем, чем была до операции.

Дело в том, что во время движения включается так называемый "динамический стереотип ходьбы", заставляющий пересаженную мышцу работать по привычной для нее программе. Чтобы полностью переучить мышцу, нужно "вырвать" ее из привычного участия в акте ходьбы, а также сформировать для нее новую задачу, закрепить ее движения в новом устойчивом стереотипе ходьбы.

- С помощью таких исследований можно "сделать" походку после операции или травмы более правильной?

- Да, и вот пример из моей клинической практики. Наблюдая за больными с эндопротезом тазобедренного сустава, я выделил группу пациентов с хорошим клиническим исходом. Эти люди сохранили практически полный объем движений оперированной ноги. Сила ягодичных мышц была вполне удовлетворительной: пациенты могли присаживаться на корточки и самостоятельно вставать. Однако они хромали, правда, несильно.

Причина этого - недостаточно четко скоординированная работа мышц, окружающих искусственный сустав. Нарушена обратная связь. О взаимном положении суставных концов сигнализируют также рецепторы суставной сумки. Поэтому стало ясно, что в такой ситуации могла бы помочь новая конструкция эндопротеза. Имело бы смысл при установке протеза сохранять хотя бы часть тканей суставной сумки. Тогда удалось бы избавиться от хромоты после протезирования.

Не так давно стало ясно, что есть еще один выход, более простой: искусственная коррекция движений посредством электрической стимуляции ослабленных мышц. Этот метод разработан в Центральном научно-исследовательском институте протезирования и протезостроения. Электростимуляцию проводят непосредственно во время ходьбы, и происходит искусственная коррекция походки. Метод сегодня уже взят на вооружение нашим отделением.

- А можно ли с помощью биомеханики предотвратить какие-либо виды травм позвоночника?

- Думаю, что да. Зная законы биомеханики, можно понять, почему происходят те или иные виды травм и тем самым получить ключ к их профилактике.

Снова приведу пример из практики. Вот как мне удалось раскрыть загадку, почему возникает компрессионный перелом позвоночника при падении на спину. Пациентка моего коллеги - девочка 12 лет - упала навзничь и почувствовала в спине сильную боль, как она сказала, "перехватило дыхание". При падении она успела "сложиться" и не ударилась головой.

Больная была немного скованна. Посмотрев рентгеновский снимок и не обнаружив ничего серьезного, мы отпустили девочку домой с диагнозом "ушиб".

Через несколько дней она пришла снова. Родители обратили внимание на то, что у дочери изменилась осанка и опять появились боли в спине. Новые снимки показали компрессионный перелом позвонков. Рассмотрев ситуацию с позиций биомеханики, удалось понять, что же произошло.

Дело все в том, что в момент удара позвоночник был согнут, и действие веса верхней и нижней частей тела в момент удара должно было привести к его разгибанию.

Давайте вспомним строение нашего опорного стержня. На конец остистого отростка одного из грудных позвонков, на который упала девочка, действует травмирующая сила. Под действием травмирующей силы позвонок повернулся вокруг центра вращения и передал полученный удар телу вышележащего позвонка. Как видим, поперечная сила трансформировалась в продольную. Такой механизм перелома я называю клавишным. Перелом происходит в результате сжатия одного из сегментов позвоночника.

Хотя удар у пациентки пришелся на нижнегрудные позвонки, сломались верхнегрудные. Произошло это вот почему. Представьте себе: если я ударю по торцу ножки тюльпана, его стебель согнется, а может быть, и сломается в том месте, где прямой участок переходит в изогнутый. В этом месте структура стебля может уступить травмирующему воздействию. То же происходит и с позвоночником. А если бы девочка в момент падения не прижала голову к груди, то есть не приняла позу тюльпана, перелома не было бы.

Однако перелом произошел, но обнаружился лишь спустя некоторое время. Почему? Можно предположить, что механическая волна, проходя вдоль позвоночника, разрушает костные структуры на каком-то одном или нескольких его уровнях. Это разрушение - растрескивание позвонка. В данном случае форма позвонков не изменилась, и это не проявилось на рентгенограмме.

- Можно ли было помочь девочке, если бы диагноз сразу был поставлен правильно?

- Конечно, если оградить ее от обычных нагрузок, испытываемых опорно-двигательным аппаратом при ходьбе, наклонах туловища. Тогда бы треснувший, а значит, потерявший прочность позвонок не деформировался бы. А так в результате травмы он приобрел клиновидную форму, что легко обнаружили при повторном рентгеновском исследовании. Вслед за фазой растрескивания позвонка наступила фаза его смятия. Этого можно было избежать, если бы диагноз был сразу поставлен правильно и девочка некоторое время соблюдала бы постельный режим. К сожалению, несмотря на научную публикацию, разъясняющую механизм такого рода травмы, до практических врачей эта информация не дошла.

- В книге "Диалог травматолога-ортопеда с биомехаником" вы написали, что с помощью открытий в биомеханике удалось уточнить некоторые приемы, применяемые в ортопедии. Расскажите об этом.

- Вот очень простой пример. Человек хромает на одну ногу, он пользуется тростью, помещая ее со стороны больной ноги. Оказалось, что гораздо полезнее делать все наоборот.

- Почему? Разве организм не подсказывает сам, как ему лучше?

- Подсказывает. Но в этом случае - не заглядывая далеко вперед. Больной сам выбирает для себя оптимальные условия ходьбы, сводя к минимуму, насколько это возможно, боль, появляющуюся при нагрузке ноги.

При этом, разгружая больную ногу, он перегружает здоровую. И при хроническом процессе здоровая нога в конце концов тоже станет больной.

Оптимальный - с точки зрения биомеханики - метод разгрузки больной ноги должен выбрать врач. Для начала я рекомендую взять трость в другую руку.

Чтобы нагрузить трость тяжестью тела, необходимо разместить проекцию его общего центра масс между опорной ногой и тростью. Для этого пациент при ходьбе должен весьма заметно наклонять туловище в сторону трости. Но трость, поставленная рядом с больной ногой, "не работает", потому что больному неудобно наклонять туловище в сторону больной ноги.

А теперь представим иную ситуацию: больная нога также в состоянии опоры, но трость находится с другой стороны. В этом случае общий центр масс может проецироваться в любую точку - от опорной ноги до трости. Пациент может теперь не наклонять туловище в сторону больной ноги, а держать его прямо, то есть рассредоточивать нагрузку равномерно между опорной ногой и тростью. Тогда на больную ногу будет приходиться лишь около 50 процентов тяжести тела. Если к тому же он наклонит туловище в сторону трости, то разгрузит больную ногу еще больше. Вместо трости можно дать такому больному костыль с подлокотником, и тогда он сможет еще больше разгрузить больную ногу.

Возникает вопрос: а нельзя ли с помощью трости дозированно нагружать больную ногу? Действующий макет такой трости уже существует. В трость встроены датчик силы, электронный узел, позволяющий контролировать величину прикладываемых к трости нагрузок, и звуковой сигнализатор. Врач имеет возможность задать диапазон допустимых нагрузок. Больной при стоянии и ходьбе должен опираться на трость с силой, величина которой укладывается в заданный диапазон. Если это условие нарушено, появляется звуковой сигнал. Прибор "пищит", сигнализируя, что что-то не в порядке. Пациенты прозвали его "ябедой", однако он дает возможность управлять процессом и регулировать восстановление больной ноги.

- А может ли такое исследование помочь спланировать операцию?

- Да, например, когда ортопеду предстоит исправлять деформации обеих ног. Нужно решить вопрос: какую ногу оперировать в первую очередь? Ответ не всегда лежит на поверхности, и здесь помогает биомеханическое исследование. В этом случае необходимо не только исследовать распределение нагрузки на ноги при стоянии и ходьбе, но и зарегистрировать электрическую активность мышц, записать и проанализировать боковые раскачивания туловища.

При этом выясняется, какую ногу больной больше щадит - правую или левую. Она-то и не справляется со своей нагрузкой в первую очередь. Анализ всех этих биомеханических данных позволит сделать обоснованный вывод и решить, какую ногу оперировать сначала, какую - потом.

Кроме того, обследовав больного до и после операции, можно сделать заключение о действенности проведенного лечения. Более того, биомеханические параметры можно использовать в качестве критериев оценки исходов лечения больных и эффективности различных методов.

- Чем вы занимались в последнее время, какие перспективные задачи решали?

- Не так давно была проведена работа по созданию новой модели эндопротезов суставов. При скольжении искусственных суставных поверхностей существующих сегодня конструкций эндопротезов возникает значительное трение. Это основная причина неудач при эндопротезировании. Мы попытались пойти по нетрадиционному пути устранения этого недостатка - заменить трение скольжения трением качения.

По нашему замыслу, поверхности суставных концов эндопротезов должны будут перекатываться одна по другой. В таком суставе движение осуществляется благодаря гибким связующим элементам, расположенным между суставными компонентами. Эти элементы выполняют функции крестообразных связок. Связующие элементы - ленты или тросики - погружены в пазы и потому не сминаются.

Выбрать форму суставных поверхностей нам помогли математики. Мы дали им кривые, описывающие движение в нормальном суставе, и они рассчитали оптимальные параметры суставных поверхностей эндопротезов.

Используя такой принцип построения эндопротеза сустава, можно конструировать искусственные шарниры с двумя и тремя степенями свободы.

На коленном суставе собаки мы проделали операцию, установив протез разработанной конструкции, который должен стать прообразом будущего метода протезирования суставов. Сделано уже несколько таких операций. Некоторые собаки смогли опираться на лапу, другие даже бегали и вставали на задние лапы. Хотелось бы добиться более определенных результатов, но, к сожалению, на этом работа закончилась. Чтобы продолжить исследование, необходимы заинтересованность фирмы, способной изготовить эндопротез, и наличие клиники, которая захотела бы его апробировать. Ни того, ни другого, к сожалению, пока не нашлось.

Еще одно перспективное направление: прогнозирование развития сколиоза. При одном типе сколиоза нагрузка на ноги разная, что особенно неблагоприятно сказывается на состоянии здоровья пациента. При другом - нагрузка одинакова на обе ноги. Мы предлагаем уже на ранних стадиях болезни контролировать распределение нагрузки на ноги и на основании этих данных прогнозировать характер, а может быть, и скорость искривления позвоночника. И тогда врачи лечебной физкультуры смогут обращать особое внимание на больных группы риска и так подбирать упражнения, чтобы не допустить развития сколиоза по неблагоприятному варианту. Это только два примера, на самом же деле планов и проектов у нас гораздо больше.



Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Медицина»

Детальное описание иллюстрации

Согласно экспериментальным данным, у человека весом 70 кг нагрузка на третий поясничный позвонок составляет: лежа на спине - 25 кг, лежа на боку - 75 кг, при стоянии - 100 кг, при небольшом наклоне туловища вперед - 150 кг. При поднимании небольшого груза нагрузка превышает 200 кг. Рисунки в тексте из книги В. Е. Беленького, Г. В. Куропаткина "Диалог травматолога-ортопеда с биомехаником" (М., Солид, 1996).
Обыкновенная ходьба представляет с точки зрения биомеханики сложнейший процесс, который наглядно изображен на рисунках (а - фронтальный разрез, б - плоскость, параллельная направлению движения, в - плоскости плечевого пояса, талии и таза). Во время ходьбы таз и позвоночник перемещаются во всех трех плоскостях. Происходят небольшие наклоны вперед и назад и при каждом шаге - скручивание по оси то в одну, то в другую сторону и наклоны в сторону опорной ноги. Форма позвоночника при этом постоянно меняется. Во фронтальном разрезе позвоночник выглядит то как буква S, то как буква С.
Чтобы человек мог сделать один шаг, в различные интервалы времени должно согласованно напрячься и расслабиться большое количество мышц. Запись основных волн электрической активности некоторых мышц при обычной ходьбе: а - икроножная мышца; б - передняя большеберцовая; в - длинная малоберцовая; г - прямая мышца бедра; д - двуглавая мышца бедра; е - полусухожильная (на рисунке не видна); ж - средняя ягодичная; з - большая ягодичная; и - длинная приводящая (на рисунке не видна); к - прямая мышца живота.
Схема "клавишного" перелома позвоночника. Стрелкой показано место и направление удара. Позвонок при ударе повернется вокруг центра вращения, образованного нижними суставными отростками этого позвонка и верхними отростками нижележащего позвонка, и передаст удар телу вышележащего позвонка, что приведет к его растрескиванию.
На рисунке слева больной опирается на трость со стороны больной ноги. Общий центр масс (ОЦМ) при этом проецируется на середину стопы. Чтобы разгрузить больную ногу и перенести основную тяжесть на трость, больной должен сильно наклониться в сторону трости, чего обычно не происходит. Гораздо эффективнее разгрузка больной ноги происходит, когда трость расположена со стороны здоровой ноги: тогда общий центр масс распределяется на любую точку между больной ногой и тростью, и больная нога нагружается меньше (справа).
Так выглядит новая модель коленного сустава, в котором трение скольжения заменено трением качения. Поверхности суставных концов эндопротезов перекатываются одна по другой. Движение обеспечивают гибкие связующие элементы, расположенные между суставными компонентами и выполняющие функции крестообразных связок.