Биомеханика травм и заболеваний опорно-двигательного аппарата (ОДА)
Важными факторами в возникновении травм и заболеваний ОДА являются изменение расположения центра тяжести (ЦТ) человеческого тела, его проекция на площадь опоры, а также пространственное соотношение между вектором ЦТ и различными суставами, степень подвижности ОДА (см. рис. 2.6; 2.7; 2.9).
Исследования показывают, например, что сила продольного удара, при которой разрушается бедренная кость, находится в пределах от 10,6 ± 2,7 кН (жесткий удар) до 18,3 ± 6,9 кН (удар через амортизирующую подкладку (И.Ф. Образцов и др., 1988).
На рис. 18.2, а, приведены данные измерений при жестком ударе по коленному суставу в направлении тазобедренного сустава (без амортизирующей прокладки) в положении сидя. В течение первой миллисекунды (МС), т. е. пока удар сместится не более чем на 1 %, сжатия кости еще нет (кривая 2), однако возникает значительный изгиб — около 30% от разрушающего.
Прогибу вперед (в сагиттальной плоскости), видимо, способствует первоначальный анатомический изгиб кости (рис. 18.3). Далее изгиб вперед нарастает до 0,6—0,65%—до момента разрушения. Так же быстро нарастают продольные деформации бедренной кости и в течение неполных 3 мс достигают предельного значения — около 1,2—1,25% с очень быстрым разрушением (0,2 мс). Обычно разрушение наблюдается в пределах диафиза (см. рис. 18.3) (И.Ф. Образцов и др., 1988).
Трещины разрушения возникают на передней поверхности кости; часть приложенной энергии передается еще до разрушения на шейку, головку бедренной кости и на тазобедренный сустав.
Рис. 18.1. НапряженноеРис. 18.2.Перемещения тканей бедра:
состояние бельшеберцовой а — жесткий удар, б — удар при
кости при продольном использовании защитной прокладки
сжатии средней податливости
Рис. 18.3.Деформация бедренной кости при продольном изгибе: А — область разрушения
При наличии амортизирующей прокладки (см. рис. 18.2, б) сила удара достигает 14—15 кН, ее наибольшее значение возникает только через 5 мс, скорость нарастания ударной силы в течение первых 1,5 мс будет в 10 раз меньше, чем при ударе без прокладки.
Кроме того, значительная часть энергии удара гасится боковыми колебаниями бедренной кости в сагиттальной и фронтальной плоскостях (см. кривые 3 и 4) с собственной частотой около 140— 150 Гц. Разрушения кости не происходит.
Предел прочности кости на изгиб для первой группы равен 384 кг/см, для второй — 106 кг/см, т. е. он уменьшился более чем в 3 раза.
Создаваемые работой мышц силы передаются на кости посредством сухожилий, которые обладают значительной прочностью главным образом на разрыв. Так, например, ахиллово (пяточное) сухожилие взрослого человека выдерживает нагрузку от 270 до 500 кг.
Повреждение сухожилий может быть открытым и закрытым. Закрытые повреждения, т. е. без повреждения кожи, называют подкожными. Эти разрывы характерны для сухожилий разгибателей.
Подкожный разрыв сухожилия может наступить в результате резкого мышечного сокращения и от удара тупым предметом. Разрыв сухожилия может наступить вследствие дегенеративных изменений после относительной или абсолютной перегрузки тканей; хронических воспалений и переохлаждения (R. Suckert, 1967; К. Vittel, 1974), а также если механическая нагрузка превышает выносливость на разрыв; при максимальном напряжении мышцы (толчок, бросок и др.), неожиданная остановка активного движения (ручной мяч, футбол и др.); пассивное растяжение работающей мышцы при одновременном напряжении антагонистов (маневренные движения при падении или столкновении, движения при страховке); прямая тупая травма максимально напряженного при беге или в прыжке сухожилия (толчок, удар, столкновения и пр.).
Наиболее часто в спорте высших достижений повреждается ахиллово (пяточное) сухожилие.
Повреждения мышц могут быть как открытыми, так и закрытыми (рис. 18.4). На верхней конечности чаще всего повреждаются двуглавая, надостная, дельтовидная, большая грудная, трехглавая мышца плеча и мышцы предплечья.
Непрямой механизм травмы характеризуется внезапным резким сокращением напряженной мышцы. Под воздействием растягивающей нагрузки сократившаяся мышца, потеряв эластичность, разрывается.
Рис. 18.4.Прямая травма напряженных мышц или сухожилий у футболиста
На рис. 18.5 и рис. 18.6 показаны относительно частые (типичные) спортивные травмы (и заболевания) плечевого пояса и верхней конечности и их причинная зависимость от видов спорта. При оценке возникшей травмы или заболевания ОДА у спортсменов, необходимо принимать во внимание функциональные моменты. Все мышцы верхней конечности проходят по меньшей мере через один сустав, который они приводят в движение, и нарушения трофики, иннервации, а вследствие этого и функции в дальнейшем по своим проявлениям выходят далеко за пределы, обусловленные собственно травмой.
Вывихи в плечевом суставе являются типичной травмой в таких видах спорта как борьба дзюдо, самбо, вольная, греко-римская, прыжки в воду, прыжки на лыжах с трамплина и др.
Вывих плеча составляет 50—60% всех вывихов. Такая частота их объясняется анатомо-физиологическими особенностями плечевого сустава: суставная впадина лопатки в 3—4 раза меньше головки, имеющей шаровидную форму, суставная сумка обширна и тонка.
Травматические вывихи в плечевом суставе возникают чаще при прямой травме, например при падении (рис. 18.7, а и б) или ударе.
Рис. 18.5.Относительно частые (типичные) последствия хронических спортивных микротравм плечевого пояса и верхних конечностей: 1 — относительно частые (типичные) спортивные травмы в области плечевого пояса и верхней конечности, 2 — плечелопаточный периатрит, 3 — спортивная борьба, спортивные игры, метание, каноэ, гимнастика, 4 — артроз в акромиально-ключичном сочленении, 5 — борьба, тяжелая атлетика, метание, 6 — тендинозы в месте прикрепления, 7 — воспаление клювовидного отростка, 8 — ручной мяч, волейбол, водное поло, метание копья, теннис, 9 — эпикондилит, 10 — ручной мяч, метание копья, фехтование, теннис, настольный теннис, 11 — неврит локтевого нерва, 12—метание копья, фехтование, борьба, 13—хондропатия в области локтевого сустава, 14 — вратарь, борьба, 15 — паратендинит (разгибатели кисти), 16 — теннис, настольный теннис, волейбол, 17 — стилоидит локтевой кости, 18 — прыжки в воду, фехтование (К. Франке, 1981)
Рис. 18.6.Относительно частые (типичные) спортивные травмы верхней конечности: 1 — отрыв длинного сухожилия двуглавой мышцы, 2—торсионный перелом диафиза плечевой кости, 3 — надмыщелковый перелом плечевой кости, 4 — вывих в локтевом суставе, часто с отрывом внутреннего надмыщелка, 5 — полный перелом диафиза предплечья, 6 — дисторсия в лучезапястном суставе (К. Франке, 1981)
Чаще встречаются передние вывихи и очень редко — задние (рис. 18.8).
Вывихи в локтевом суставе составляют 18—27% всех вывихов. Чаще всего вывихи предплечья возникают во время падения на вытянутую руку при переразгибании в локтевом суставе (рис. 18.9).
Рис. 18.7.Механизм вывихов плеча:
a — падение назад на выставленную руку;
б — падение вперед на вытянутую вперед руку
Рис. 18.8.Виды вывихов плеча: а — передний подклювовидный, б — передний внутриклювовидный, в — передний подключичный, г— нижний подмышечный, д — задний подакромиальный, е — вывих с полным поворотом плеча кверху
Рис. 18.9.Механизм травмы при вывихе предплечья
Наиболее часто встречаются задние вывихи обеих костей предплечья и вывих одной лучевой кости кпереди. Остальные виды вывихов предплечья наблюдаются редко.
Самым частым из вывихов в пястно-фаланговых суставах является вывих первого пальца. Вывих происходит в результате переразгибания первого пальца при падении на руку, во время игры в волейбол,гандбол и др.
Вывихи ключицы составляют от 3 до 15% всех вывихов. Преимущественно встречается у мужчин. Вывихи ключицы делятся на два вида: вывих наружного, или акромиального конца ключицы и внутреннего, или грудинного конца ее.
Вывихи в одном или обоих суставах ключицы возникает при сильных падениях (авто- и мотоспорт, велоспорт, горнолыжный спорт, прыжки на лыжах с трамплина и др.) или непрямых повреждениях при рычаговом движении рукой в борьбе самбо, дзюдо.
Переломы трубчатых костей возникают при прямом ударе по наружной поверхности плечевого сустава либо при падении на локоть или кисть. Переломы бугров плечевой кости чаще являются отрывными, т. е. возникают при чрезмерном мышечном сокращении. Переломы хирургической шейки обычно бывают результатом падения на локоть.
Переломы плечевой кости. Типичными спортивными травмами являются спиральные переломы плеча вследствие мышечной тяги при метании снарядов (копья, диска, гранаты и др.) и в играх (гандбол и др.) и надмыщелковые переломы плечевой кости у юниоров.
Механизм травмы у спортсменов — прямые и непрямые силовые воздействия. Примерами повреждений от прямого силового воздействия являются:
— перелом локтевого отростка при падении на находящийся в положении сгибания сустав;
— перелом после удара или толчка в травмированную область.
Большинство повреждений области локтевого сустава является следствием непрямого силового воздействия. При падении на вытянутую руку могут сработать механизмы сгибания и компрессии (рис. 18.10).
Рис. 18.10.Возникновение надмыщелкового перелома плечевой кости при переразгибании
Силы, действующие при рывке, приводят к надмыщелковым переломам при разгибании или вывихам, если произошло падение вперед, когда сустав находился в положении сгибания (рис. 18.11).
Рис.18.11. Возникновение надмыщелкового перелома плечевой кости
при разгибании
Падение назад на сустав, находящийся в положении сгибания, может также под влиянием сил, действующих при толчке, привести к надмыщелковому перелому (рис. 18.12).
Рис. 18.12.Возникновение надмыщелкового перелома плечевой кости
при сгибании
Повреждения в области предплечья встречаются на обоих костях в отдельности, вместе или в сочетании с повреждением в проксимальном, а также дистальном отделах лучелоктевого сустава (см. рис. 18.5, 18.6).
В механизме повреждения преобладает непрямая травма при падении на вытянутую вперед руку (см. рис. 18.7, 18.10). Это случается в основном на уроках физкультуры и в любительском спорте при падениях с гимнастических снарядов, катании на роликах, коньках или в играх, а также в мото- и велоспорте у взрослых.
Рис. 18.13.Механизмы травм при переломах локтевого отростка: а — механизм травмы, б — варианты переломов
Переломы локтевого отростка возникают, как правило, в результате прямого удара локтевой областью о твердый предмет (рис. 18.13).
Перелом головки и шейки лучевой кости возникают при падении на вытянутую руку, в результате чего происходит вклинивание головки луча в головчатое возвышение плеча.
Повреждение дистального эпифиза лучевой кости представляет собой наиболее частое повреждение костей предплечья в типичном месте.
Перелом нижнего эпифиза чаще всего возникает при падении на вытянутую руку, кисть которой находится в положении тыльного или ладонного сгибания (рис. 18.14).
Переломы костей кисти (рис. 18.15) и пальцев составляют до 1/8 переломов всех костей. Повреждения кисти могут относиться не только к кожным покровам, но и костям, мышцам, сухожилиям, а также нервам и сосудам.
Рис. 18.14.Механизмы травмы и виды смещений отломков
при повреждении дистального эпифиза лучевой кости:
а — перелом при падении на кисть в положении разгибания,
б — перелом при падении на кисть в положении сгибания,
в, г — схема смещения отломков при переломе дистального конца лучевой кости
Рис. 18.15.Типичные спортивные травмы кисти:
1 — разрыв сухожилий разгибателей (гандбол, волейбол, водное поло, защита ворот (вратари), 2—растяжение в межфаланговых суставах пальцев (волейбол, гандбол, водное поло, баскетбол, защита ворот (вратари), конный спорт, борьба), 3 — перелом костей запястья (бокс), 4 — переломовывих 1-го запястно-пястного сустава по Беннету (бокс), 5 — перелом ладьевидной кости (ручной мяч в закрытом помещении) (К. Франке, 1981)
4% повреждений и последствий неправильной нагрузки в спорте приходится на область кисти (J. Williams, 1973), хотя и здесь наблюдаются типичные повреждения и зависимость частоты травм от специфики отдельных видов спорта.
В механизме повреждения преобладают прямые травмы, например, при подхвате резко брошенного мяча, при ударе или толчке в борьбе и под действием непрямой силы при падении на вытянутую руку.
Наиболее часто встречаются переломы проксимального ряда костей запястья. Чаще других повреждается ладьевидная кость, реже — полулунная и еще реже — остальные кости запястья.
Перелом ладьевидной кости может произойти при падении на выпрямленную кисть (рис. 18.16), при прямом ударе по ладони. Иногда перелом может наступить при ударе кулаком о твердый предмет (см. рис. 18.16, б).
Рис. 18.16.Механизмы травмы при переломах ладьевидной кости: а — при падении на кисть, б — при ударе кулаком
Переломы костей пястья типичны при столкновении сжатой в кулак кисти (головок пястных костей) с препятствием, например, в скоростном спуске на лыжах, при игре в гандбол, в мото- и велоспорте, боксе и др.
Особой формой повреждения пястных костей является часто наблюдаемый у боксеров переломовывих в 1-ом пястно-запястном суставе (перелом Беннета).
Различают два типа переломов: внутрисуставные и внесуставные (рис. 18.17). Чаще всего возникает перелом основания 1 -ой пястной кости. При внутрисуставных переломах 1-ой пястной кости небольшой треугольный осколок ульноволярной поверхности основания 1-ой пястной кости остается на месте. Первая пястная кость под влиянием сгибателей и разгибателей вывихивается в запястно-пястном суставе в тыльно-радиальную сторону.
Переломы фаланг пальцев чаще возникает вследствие прямой или, реже, непрямой травмы. В результате перелома под влиянием межкостных и червеобразных мышц отломки фаланг пальцев смещаются под углом, открытым в тыльную сторону. Чаще встречается в играх (волейбол, гандбол, баскетбол и др.).
Прямые травмы — такие, как падение или удар — приводят к переломам лопатки, ключицы или вызывают разрывы сочленений.
Чаще всего повреждения в области плечевого пояса в спорте возникают при падении на вытянутую для амортизации руку (см. рис. 18.11, 18.8).
Перелом ключицы является наиболее частой травмой в спорте (прыжки на лыжах с трамплина, мото- и велоспорт, борьба и др.), при падении и прямой травме (удары и пр.), преимущественно в детском и подростковом возрасте. Они составляют от 3 до 16% переломов всех костей скелета.
Рис. 18.17.Механизм травмы и виды переломов 1-ой пястной кости:
а — удар 1-ым пальцем, б — удар по пястным костям, в — перелом типа Беннета, г — перелом Роланда, д — поперечный перелом диафиза, е — косой перелом диафиза
Рис. 18.18.Механизмы травмы при переломах ключицы: а — прямой,
б — непрямой
По механизму травмы переломы ключицы можно разделить на две группы. Это переломы, возникающие в результате прямого механизма травмы (удар по плечу, непосредственно по ключице). Вторую группу составляют переломы, возникающие от непрямого механизма травмы — удар или падение на область наружной поверхности плечевого сустава (рис. 18.18), падение на локоть, вытянутую руку, сдавление плечевых суставов с боков.
Перелом лопатки возникает преимущественно в результате значительного силового воздействия; вело- и мотоспорт, скоростной спуск на лыжах, прыжки на лыжах с трамплина и др. (рис. 18.19).
Рис. 18.19.Механизмы травмы при переломах лопатки: а — непрямой, б — прямой