Сколько степеней свободы в коленном суставах

Форма суставов стоит в тесной связи с их функцией. В учении о суставах находит свое наглядное выражение диалектическое положение о единстве и взаимообусловленности строения и функции. Изучение движений в суставах — артрокинематика — является одним из разделов биомеханики.

В суставах осуществляется движение костей относительно друг друга. Каждая отдельно взятая кость, если рассматривать ее как физическое тело, может совершать поступательные движения по трем направлениям и вращаться вокруг трех взаимно перпендикулярных осей. Соответственно этому она имеет 6 степеней свободы. В скелете кость утрачивает часть степеней свободы, поскольку суставы позволяют осуществлять лишь вращательные движения вокруг одной, двух или трех осей. Количеством осей вращения и определяется число степеней свободы отдельных звеньев скелета.

В анатомии выделяют сагиттальную, фронтальную и вертикальную оси. Движения, осуществляемые вокруг названных осей, определяют как сгибание (flexio) и разгибание (extensio) вокруг фронтальной оси, отведение (abductio) и приведение (adductio) вокруг сагиттальной оси, и собственно вращение (rotatio) вокруг вертикальной оси. В качестве особого вида рассматривают круговое движение (circumductio), при котором периферический конец кости движется по окружности.

При любом движении, кроме вращения вокруг собственной оси, каждая точка кости описывает в пространстве некоторую кривую линию. Если взять точку, находящуюся на механической оси кости, то все ее движения совершаются в определенной плоскости, которая всегда выпукла со стороны, противоположной суставу. Эта плоскость представляет собой сферу, или овоид, движения. Протяженность овоида движения зависит от амплитуды движений в суставе. Это понятие помогает описывать и графически представлять движения в суставах.

Число степеней свободы и типы движений в суставах зависят от формы суставных поверхностей. К одноосным суставам с одной степенью свободы относят блоковидные и цилиндрические суставы. Двухосными с двумя степенями свободы являются эллипсоидные, седловидные и мыщелковые суставы. К многоосным суставам с тремя степенями свободы принадлежат шаровидные, чашеобразные и плоские суставы.

В некоторых руководствах, преимущественно старых, выделяется еще один вид суставов – тугие суставы, или амфиартрозы. Под этим названием выделяется группа сочленений с различной формой суставных поверхностей, но сходных по другим признакам: они имеют короткую, туго натянутую суставную капсулу и очень крепкий, нерастягивающийся вспомогательный аппарат. Тугие суставы смягчают толчки и сотрясения между костями. В амфиартрозах движения имеют скользящий характер и крайне незначительный объем.

Важное значение в артрокинематике имеет понятие о конгруэнтности суставов. Суставные поверхности имеют почти всегда различную площадь и кривизну. Поверхности, которые полностью соответствуют друг другу, называются конгруэнтными. Если такое соответствие отсутствует, говорят о неконгруэнтных поверхностях. Если сравнить тазобедренный и плечевой суставы, то можно видеть, что в тазобедренном суставе сочленяющиеся поверхности более подходят одна к другой, чем в плечевом суставе. Поэтому тазобедренный сустав является в большей степени конгруэнтным. Конгруэнтность поверхностей в каждом суставе не является постоянной, она изменяется при движениях и в зависимости от нагрузки. При нагружении сустава площадь контакта суставных поверхностей возрастает, и конгруэнтность увеличивается. Это способствует более равномерной передаче нагрузки на суставные концы костей.

Исходя из анализа конгруэнтности суставных поверхностей, Мак-Конейл различает в каждом суставе замкнутое и разомкнутое положения. Замкнутым является такое положение, при котором достигается максимальная конгруэнтность сустава. При замкнутом положении связки, укрепляющие сустав, натянуты и напряжены, они прижимают суставные поверхности друг к другу и полностью проявляют свою стабилизирующую функцию. Сустав в замкнутом положении максимально устойчив, количество степеней свободы в нем падает до нуля. При всех других положениях сустав является разомкнутым. При этом суставные поверхности становятся неконгруэнтными, связки расслабляются и могут быть реализованы все степени свободы для данного сустава.

Рассмотрим эти положения применительно к конкретным суставам. В плечевом суставе замкнутое положение достигается при отведении и вращении наружу плечевой кости. При этом плечевая кость стабилизируется и может перемещаться только вместе с лопаткой. Замыкание локтевого сустава происходит при разгибании и супинации. В лучезапястном суставе замкнутое положение соответствует полному разгибанию кисти; подвижность в суставе при этом отсутствует. У коленного и голеностопного суставов замкнутым также является положение полного разгибания. Чтобы восстановить подвижность в суставе, его нужно привести в разомкнутое положение. Во всех приведенных случаях это достигается сгибанием в сочетании с небольшим вращением внутрь. При замыкании суставов создаются условия, способствующие переломам костей при травмах, ввиду того, что не может проявиться рессорное действие соединений. Так, перелом лучевой кости чаще всего происходит при падении на вытянутую руку с разогнутой кистью, когда лучезапястный и локтевой суставы находятся в замкнутом положении.

Описываемые в учебниках виды движений в суставах редко осуществляются в своей элементарной форме. Большинство движений являются сложными. Даже в таком, казалась бы, простом случае, как движения ногтевых фаланг пальцев, можно заметить, что при сгибании они слегка супинированы, а разгибание сопровождается пронацией фаланг. Сочетание сгибания и разгибания с некоторой степенью вращения характерно и для других блоковидных суставов. Например, в локтевом суставе при полном разгибании происходит пронация локтевой кости, а при сгибании она супинируется. Благодаря комбинации сгибания и разгибания с вращением блоковидный сустав выводится из замкнутого положения и снова приводится в такое положение. Подобного рода замыкающие и размыкающие движения относятся к обычным движениям в суставах.

Распространенным видом сложных движений является последовательное движение. При этом часть тела, например конечность, последовательно переводится из одного положения в другое и в результате серии движений может вернуться в исходное состояние. В данном случае говорят об эргономическом цикле. Подобные циклы характерны для различного рода повторяющихся рабочих движений.

Различают два вида вращательных движений: сочетанные и независимые. Сочетанное вращение имеет место при осуще­ствлении последовательных движений. Чтобы выявить сочетанное вращение, нужно опустить руку с полупронированным предплечьем так, чтобы ладонь была обращена к бедру. Затем рука поднимается вперед до горизонтального уровня и отводится в сторону на 90°, причем сохраняется полупронированное положение предплечья. После этого рука приводится к туловищу, и оказывается, что теперь она повернута к бедру уже не ладонью, а локтевым краем. Это значит, что в ходе последовательных движений произошло вращение наружу в плечевом суставе на 90°. Если из нового положения повторить тот же цикл движений, то снова произойдет поворот руки на 90°, и кисть будет обращена к бедру своей тыльной стороной. Произвести движения в третий раз, очевидно, уже не удастся. Таким образом было получено вращение в результате серии движений, которые сами по себе не являются вращательными. Такое сочетанное вращение возможно в любом суставе, имеющем 2 или 3 степени свободы. Всякое другое вращение называется независимым вращением.

Факторы, определяющие объем движений в суставах

Объем движений в каждом суставе зависит от целого ряда факторов.

Разность площадей сочленяющихся суставных поверхностей — главный фактор. Из всех суставов наибольшая разность площадей суставных поверхностей в плечевом суставе (площадь головки плечевой кости в 6 раз больше площади суставной впадины на лопатке), поэтому в плечевом суставе самый большой объем движений. В крестцово-подвздошном сочленении суставные поверхности по площади равны, поэтому движения в нем практически отсутствуют.

Наличие вспомогательных элементов. Например, мениски и диски, увеличивая конгруэнтность суставных поверхностей, увеличивают объем движений. Суставные губы, увеличивая площадь суставной поверхности, способствуют ограничению движений. Внутрисуставные связки ограничивают движения только в определенном направлении (крестообразные связки коленного сустава не препятствуют сгибанию, но противодействуют чрезмерному разгибанию).

Комбинация суставов. У комбинированных суставов движения определяются по суставу, имеющему меньшее число осей вращения. Хотя многие суставы, исходя из формы суставных поверхностей, способны выполнять больший объем движений, но он у них ограничен из-за комбинации. Например, по форме суставных поверхностей латеральные атлантоосевые суставы — плоские, но в результате комбинации со срединным атлантоосевым суставом они работают как вращательные. Это же относится и к суставам ребер, суставу кисти, суставу стопы и др.

Состояние капсулы сустава. При тонкой, эластичной капсуле движения совершаются в большем объеме. Даже неравномерная толщина капсулы в одном и том же суставе сказывается на его работе. Например, в височно-нижнечелюстном суставе капсула тоньше спереди, чем сзади и сбоку, поэтому наибольшая подвижность в нем именно кпереди.

Укрепление капсулы сустава связками. Связки оказывают тормозящее и направляющее действие, так как коллагеновые волокна обладают не только большой прочностью, но и малой растяжимостью. В тазобедренном суставе подвздошно-бедренная связка препятствует разгибанию и повороту конечности кнутри, лобково-бедренная связка — отведению и вращению наружу. Самые мощные связки находятся в крестцово-подвздошном суставе, поэтому движений в нем практически нет.

Мышцы, окружающие сустав. Обладая постоянным тонусом, они скрепляют, сближают и фиксируют сочленяющиеся кости. Сила мышечной тяги составляет до 10 кг на 1 см поперечника мышцы. Если удалить мышцы, оставить связки и капсулу, то объем движений резко возрастает. Кроме непосредственного тормозящего действия на движения в суставах, мышцы оказывают и косвенное — через связки, от которых они начинаются. Мышцы при своем сокращении делают связки неподатливыми, упругими.

Синовиальная жидкость. Она оказывает сцепляющее воздействие и смазывает суставные поверхности. При артрозо-артритах, когда нарушается выделение синовиальной жидкости, в суставах появляются боль, хруст, объем движений уменьшается.

Винтовое отклонение. Имеется только в плечелоктевом суставе и оказывает тормозящее воздействие при движениях.

Состояние кожи и подкожной жировой клетчатки. У тучных людей объем движений всегда меньше из-за обильной подкожной жировой клетчатки. У стройных, подтянутых людей, у спортсменов движения совершаются в большем объеме. При заболеваниях кожи, когда теряется эластичность, движения резко уменьшаются, а нередко после тяжелых ожогов, ранений образуются контрактуры, значительно препятствующие движениям.

Число степеней свободы движений соответствует количеству возможных независимых линейных и угловых перемещений тела.

Тело, ничем не ограниченное в движениях (может двигаться в любом направлении), называется свободным. Движение свободного тела воз­можно в трех основных направлениях — вдоль осей координат, а также вокруг этих трех осей; оно имеет 6 степеней свободы движения (рис. 5, а).

Наложение связей уменьшает количество степеней свободы (табл. 1). Если закрепить одну точку тела, то сразу снимается 3 степени сво­боды: тело не сможет двигаться вдоль трех осей координат; у него останутся только возможности вращения вокруг этих осей, т. е. только три степени свободы (см. рис. 5, б). Так соединены кости трехосных (ша­ровидных) с у с т а в о в.

При закреплении двух точек в теле возможно вращение лишь вокруг линии (оси), проходящей через обе точки (см. рис. 5, в). Так соединены кости одно­осных суставов, обеспечивающих одну степень свободы. Если же закреп­лены три точки (не лежащие на одной линии), то движения тела совсем невоз­можны (см. рис. 5, г). Та кое соединение неподвижно и, следовательно, не яв­ляется суставом.

Как известно, двуосные суставы (эллип­совидный — лучезапястный, седловидный — первый запястно-пястный) обеспечивают вторую степень свободы благодаря неполному взаимно­му соответствию своих суставных поверхностей (неконгруэнтность). По этой же причине, если рука в локтевом суставе согнута, возможны приведение и отведение локтевой кости в плечелоктевом сочленении (например, при поворотах отвертки, штопора, ключа вокруг оси, проходящей вдоль второй пястной кости. в преобладающей части суставов тела человека 2 или 3 степени свободы. При нескольких степенях свободы движений (двух и более) возможно бесчисленное множество траекто­рий. Значит, в движениях в неодноосных суставах отсутствует определенность, задаваемая спо­собом соединения. Тем более это характерно для цепей с несколькими неодноосными суставами.

Множество возможностей движений в суста­вах кинематической пары более чем с одной степенью свободы в отли­чие от технической пары требует для выполнения каж­дого определенного движения: а) выбор необ­ходимой траектории, б) управления движением по траектории (направлением и величиной скорости) и в) регуляции движения, понимаемой как борьба с помехами, сбивающими с траектории (см. гл. IV).

2.4. Геометрия движений

Число основных осей сустава соответствует количеству степеней свободы движений одного звена относительно другого. Плоскость движения перпендикулярна оси вращения и характеризует на­правление перемещения звена. Размах движений — это угловое перемещение звена из одного крайнего положения в другое.

В суставном движении различают ось, плоскость и размах. Все пары звеньев связаны в суставах неразрывно, как в шарнирах, поэтому они могут двигаться в основном только вокруг осей (не считая незначительного скольжения). Однако не существует суставов совер­шенно правильной геометрической формы. А если бы даже такие и были, то при сдавливании гиалиновых суставных хрящей форма су­ставных поверхностей нарушалась бы. Следовательно, геометрические оси вращения не постоянны и правильнее говорить о мгновенных осях вращения. В связи с этим количество осей в суставе означает в биоме­ханическом смысле только количество степеней свободы движения, а не постоянных геометрических осей вращения.

Продольные оси звеньев чаще всего не строго перпендикулярны геометрическим осям вращения. Поэтому различные точки звеньев движутся в плоскостях, параллельных друг другу, а сама продольная ось звена описывает поверхности, близкие к коническим. Таким обра­зом, плоскость движения в суставе характеризует, в какой плоскости движутся точки звена. Она перпендикулярна геометрической оси вра­щения и не обязательно совпадает с плоскостью движения продольной оси самого звена.

Размахом движений измеряется подвижность в каждом отдельном суставе1. Наибольший размах бывает в пассивных движениях; с уве­личением внешней нагрузки (вес отягощения, силы инерции) растя­гиваются мягкие ткани-ограничители. Размах же в активном движении меньше, чем в пассивном, так как там мышцы имеют предел силы, в то время как величина внешних сил не ограничена. К тому же сила собственных мышц пары звеньев при­ложена невыгодно при крайних положениях звеньев в суставе.

Подвижностью соседних звеньев в соединениях каждой пары обус­ловлена гибкость всей кинематической цепи в целом. Гибкость цепи (например, позвоночника) измеряется общим размахом движения концевого звена относительно другого конца цепи.

Общий размах движения в целом бывает меньше суммы размахов изолированных дви­жений в суставах, так как вследствие пассивной недостаточ­ности многосуставных мышц возникают дополнительные связи.

В процессе эволюции первые признаки конечностей, в том числе и нижних, появились у кистепёрых рыб. При изучении строения плавников этих существ обнаружили характерное строение конечностей: две кости (как голень), несколько мелких (аналог предплюсны) и трубчатые, напоминающие плюсну и фаланги пальцев.

С течением времени и совершенствованием живых организмов, произошли значительные структурные перестройки скелета, адаптирующие к наземному образу жизни.

В процессе эволюции с приобретением прямохождения верхние конечности утратили опорные функции, а конечности нижние полностью взяли на себя и эту задачу, и локомоцию (совокупность согласованных движений, посредством которых живое существо передвигается в пространстве).