Рассматривая позвоночный столб с позиций биомеханики, его можно представить как сложную двигательную цепь с большим числом степеней свободы, а учитывая наличие физиологических изгибов, – как плоскую пружину, выполняющую роль амортизатора нагрузок движений. Эта плоская пружина становится видна при профильном исследовании позвоночника, который имеет четыре физиологических искривления: два из них вершинами направлены кпереди (шейный и поясничный) и два – кзади (грудной и крестцово-копчиковый).
Такая установка нехарактерна для детского возраста. Формирование изгибов позвоночника начинается у ребенка вместе с удерживанием головы в положении сидя (шейный изгиб) и заканчивается в период, когда он начинает ходить. По мнению многих исследователей, полное, окончательное закрепление сформированных физиологических искривлений позвоночника заканчивается у детей к шести-семи годам.
Выраженность изгибов очень тесно связана между собой. Усиление одного из них неминуемо влечет пропорциональное увеличение противоположно направленного. В этом проявляется одно из свойств пружины. Основная линия вертикальной нагрузки делит пополам синусоиду позвоночного столба, пересекая ее в четырех точках таким образом, чтобы сохранились пружинящие дуги.
Первая из них амортизирует нагрузку головы. Она наименее выражена, позвонки невелики по размеру, величина сочленяющихся дисков составляет 1/7–1/8 толщины тел позвонков. Вторая выдерживает вес головы, верхних конечностей и грудной клетки и заканчивается на уровне последних ребер. Третья, поясничная, самая мощная и перегруженная часть амортизатора, берет на себя нагрузки корпуса тела и перенапряжения со стороны нижних конечностей и таза. На этом уровне осевая линия суммарного вертикального напряжения проходит по срединным отделам межпозвоночных дисков.
Для того чтобы удержать в описанном оптимальном состоянии позвоночный столб и придать ему необходимую гибкость и подвижность, природа окружила его очень продуманным мышечно-связочным корсетом, наиболее плотным и жестким в поясничном отделе.
Связочный аппарат, обеспечивая стабилизацию кинематической цепи позвоночника, действует по принципу противотяги, тормозя движение сторон, противоположных их расположению. Вдоль передней поверхности тел позвонков и межпозвоночных дисков проходит мощная передняя продольная связка, препятствующая разгибанию.
Связки, препятствующие сгибанию, объединяют остистые отростки позвонков и выстилают заднюю и переднюю часть позвоночного канала. Боковые движения уравновешиваются симметричными межпоперечными связками. Именно на связочный аппарат выпадают нагрузки растяжения при произведении движений максимального сгибания и разгибания. Нормальное функционирование позвоночника возможно только при условии антагонистического равновесия трех связочных групп.
В вертикальном положении тела поясничный изгиб удерживается не только выраженным связочным аппаратом, но и хорошо развитой мускулатурой. Наиболее глубоко располагаются короткие мышцы спины – межпоперечные (связывающие поперечные отростки позвонков) и межостистые. И те и другие активно участвуют в проведении движений наклонов позвоночника в сторону, разгибании корпуса. Поверх них проходит так называемый многораздельный мускул спины, простирающийся от крестца до второго шейного позвонка, и разгибатель спины; глубокие слои имеют отношение к вращательному движению позвоночника.
Наиболее мощными являются более поверхностно расположенные, симметричные, длинные мышцы спины и прежде всего общий разгибатель, начинающийся от крестца и гребней подвздошных костей и доходящий до затылка. Эта мышца, как это видно из ее названия, разгибает позвоночник и отдельные его части, опускает ребра, разгибает голову. Весь аппарат играет большую роль в формировании физиологических изгибов позвоночника, общей статике. Эти мышцы создают вертикально направленное напряжение.
Противотяга обеспечивается мышцами тела и нижних конечностей. Из них нас будет особенно интересовать только одна – грушевидная, имеющая форму вытянутого треугольника, основание которого располагается на передней поверхности крестца, а вершина – в области верхних отделов бедренной кости. Эта мышца проходит через седалищное отверстие с внутренней поверхности таза на внешнюю, вместе с сосудисто-нервным пучком, функционально обеспечивая вращение бедра кнаружи.
Сила мышц, поддерживающих физиологические изгибы, выпрямляющих туловище, достаточно велика. По некоторым данным, она составляет в среднем 123 кг у мужчин и 71 кг у женщин. Наиболее значительно их напряжение при попытке выведения тела из состояния неуравновешенности (например, падения).
Позвоночному столбу, как осевому органу тела, предназначено выполнение двух основных механических функций: с одной стороны, он должен быть жестким и неподвижным, а с другой стороны – гибким. Это и становится возможным благодаря его специфическому строению. Позвоночный столб как единое целое можно сравнить с мачтой корабля (рис. 13, а). Мачта, «закрепленная» в тазовой области, поднимается до уровня головы, а на уровне плеч она, как рея, несет плечевой пояс.
На многих уровнях находятся также связочные и мышечные тяги, прикрепленные по типу удерживающих канатов. Они соединяют мачту с основанием, тазом. Вторая система удерживающих канатов натянута в форме ромба, вертикальная ось которого больше, чем поперечная. В положении стоя на двух ногах силы натяжения удерживающих канатов в целом уравновешены, мачта стоит вертикально. В положении на одной ноге (рис. 13, б), когда вес тела перенесен только на эту конечность, таз немного опрокидывается в сторону опорной ноги, а позвоночный столб описывает волнообразную линию. При этом поясничный отдел приобретает выпуклость в сторону опорной ноги, грудной отдел – вогнутость в противоположную сторону, шейный отдел позвоночника, в свою очередь, имеет выпуклую кривизну, как и поясничная часть. Управляемые центральной нервной системой мышечные тяги автоматически включают свое натяжение и тем самым поддерживают необходимое равновесие.
Рис. 13. «Мачта корабля», закрепленная в тазовой области, поднимается до уровня головы, а на уровне плеч она, как рея, несет плечевой пояс
При вертикальном положении вес человека через тела позвонков передается на межпозвоночные диски, причем идеальной, т. е. наиболее щадящей для диска, она будет в том случае, если распределится равномерно по всей его площади. В таких условиях буферные свойства диска проявляются в наибольшей мере при наименьшей угрозе его повреждения. Строгое соответствие формы отдельных позвонков форме изгибов позвоночника способствует равномерному распределению статической нагрузки по всей поверхности диска. Нарушения же формы позвонков и всего позвоночника обусловливают неравномерную нагрузку на диски. Особенно неблагоприятны такие нарушения в уже сформированном (взрослом) позвоночнике, поскольку у детей в процессе роста и формирования позвоночного столба соседние сегменты, приспосабливаясь к этим деформациям, отчасти компенсируют их.
Нарушения формы позвоночника, приводящие к изменениям нагрузки на диски, могут возникнуть под влиянием факторов, действующих вне позвоночника. Простейшим примером является резкое ограничение подвижности в тазобедренном суставе. Это неизбежно приведет к искривлению позвоночного столба, и он в таком положении будет функционировать при стоянии, ходьбе, работе.
Нагрузка на диски в разных сегментах одного и того же отдела неодинакова. Такая неравномерность нагрузки с перегрузкой задних участков дисков предрасполагает к их дистрофическому изменению. Постоянная перегрузка приводит к преждевременному старению диска, а затем и к перегрузке соответствующих участков тел позвонков, нагрузка на которые также увеличивается вследствие уменьшения буферных свойств диска. Этот процесс ускоряется при дополнительных профессиональных и спортивных нагрузках и раньше всего проявляется в наиболее подвижных сегментах.
Неравномерность нагрузок еще больше возрастает при нарушениях нормальной формы позвоночного столба. Так, например, юношеский диспластический кифоз вызывает компенсаторное увеличение шейного и поясничного лордозов, что обусловливает еще большую неравномерность нагрузки на шейные и поясничные диски, а иногда и на дугоотростчатые суставы. Неблагоприятное перераспределение длительных статических нагрузок может быть связано также с вынужденными позами у людей некоторых профессий (например, у машинисток, швей и др.).
Таким образом, анатомические особенности как нормального, так и деформированного позвоночника предрасполагают к перегрузкам его определенных анатомических структур, что приводит к их дистрофическому изменению – преждевременному старению.