Биомеханические особенности функционирования коленного сустава

МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СПОРТА

БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

КОЛЕННОГО СУСТАВА

А.В. ВОРОНОВ, ФГБУ ФНЦ ВНИИФК; А.В. ШПАКОВ, ФГБУ ФНКЦ ФМБА

Аннотация

В статье рассмотрены особенности функционирования коленного сустава. Предложены способы профилактики травматизма коленного сустава на тренировках, а также способы повышения эффективности силовых упражнений. При исследовании особенностей функционирования коленного сустава авторами были использованы как литературные данные, так и результаты собственных исследований биомеханических характеристик коленного сустава методами МРТ и УЗИ.

Ключевые слова: коленный сустав, силовая тренировка, силы в связке надколенника, профилактика травматизма.

Abstract

In the paper the authors consider the peculiarities

of knee joint functioning in humans.

Methods for the prevention of knee joint injury

during sports training, as well as ways

to increase the effectiveness

of strength exercises are suggested.

As materials, the authors described both

the literature data and the results

of their own studies

of the functioning of the knee joint.

Keywords: knee joint, forces in knee ligament, force training, preventing injuries.

Введение

Особенности функционирования коленного сустава. Коленный сустав состоит из двух суставов:

- коленного, образованного бедренной и большебер-цовой костями;

- сустава «бедренная кость-надколенник».

Сагиттальный снимок коленного сустава, полученный

методом магнитно-резонансной томографии (МРТ) представлен на рис. 1. Коленный сустав обладает несколькими механическими особенностями:

1) при сгибании/разгибании имеет место как вращение относительно поперечной и продольной осей (кручение), так и скольжение в сагиттальном направлении;

2) сустав с помощью связок и суставной сумки соединяет наиболее массивные сегменты тела человека - бедро и голень, составляющие 14% и 4,5% от веса тела человека соответственно [1, 2];

3) жесткость связки надколенника в несколько раз выше жесткости сухожилия четырехглавой мышцы. При

максимальном статическом усилии в коленном суставе удлинение сухожилия четырехглавой мышцы достигает 30 мм, а удлинение связки надколенника всего 4-5 мм [5];

4) в отличие от других суставов нижней конечности, мышцы-разгибатели коленного сустава не действуют непосредственно на голень. Сухожилие четырехглавой мышцы охватывает надколенник и переходит в сухожилие надколенника, прикрепляющееся к бугристости большеберцовой кости (см. рис. 1).

Результата™ и обсуждение

Биомеханические особенности функционирования сустава «бедренная кость-надколенник». Первоначальные представления о том, что надколенник есть простой блок, т.е. силы в сухожилии четырехглавой мышцы

СЧМ сн

^ ) и в связке надколенника ^ ) одинаковы [6], оказались некорректными. Эксперименты, проведенные на препаратах коленных суставов [3, 4, 7] (неспортс-

Ж )

Ш

Рис. 1. Сагиттальный снимок коленного сустава: 1 - область крепления связки надколенника к бугристости большеберцовой кости; 2 - связка надколенника; 3 - приблизительный центр вращении в коленном суставе в проекции на сагиттальную плоскость; 4 - надколенник; Г - сила в сухожилии коленной чашечки; ГУ - направление силы, сдвигающей суставные поверхности

менов)* и прижизненно с помощью метода МРТ [1] (на спортсменах) показали, что передаточное соотношение сил в коленном суставе (ПССК) изменяется в зависимости от угла в суставе:

ПССК = ^СН/^СЧМ.

Движение надколенника относительно бедренной кости есть не только скольжение, но и вращение, приводящие к изменению плеч тяги и направления действия сил FСН и ^СЧМ относительно точки контакта надколенника с бедренной костью (рис. 2).

Угол в коленном суставе до 160°

Угол в коленном суставе больше 160

d2 > d

d2 < di

Рис. 2. Влияние надколенника на перераспределение сил

между сухожилием четырехглавой мышцы (ГСЧМ) и связкой надколенника (ГСН):

• - условная точка контакта надколенника с бедренной костью; й 1, й 2 - плечи тяги сухожилия четырехглавой мышцы и связки надколенника соответственно

Значения ПССК, полученные по уравнению (1) на препаратах и прижизненно, в зависимости от угла в коленном суставе**, представлены на рис. 3.

Наименьшее значение ПССК получено в диапазоне углов в коленном суставе от 60° до 150°. Как для коленного сустава спортсменов, так и неспортсменов надколенник «оптимизирует» передачу усилий от четырехглавой мышцы на голень при углах в коленном суставе больше 150 , значение коэффициента ПССК находится в диапазоне 0,9 < ПССК < 1,2. Такое перераспределение усилий между сухожилием четырехглавой мышцы и связкой надколенника, по-видимому, связано с прямохож-

дением человека. В диапазоне углов в коленном суставе 150-180 осуществляются передний и задний толчки при ходьбе и беге (основные наземные локомоции). При ПССК > 1 сила в сухожилии четырехглавой мышцы меньше, чем в связке надколенника, что «экономит» силы мышц-разгибателей коленного сустава при основных локомоциях человека. У спортсменов это соотношение существенно отличается от неспортсменов. Оптимальный коэффициент передачи*** равен ПССК = 1,4 при угле сгибания 90 . Можно предположить, что такие адаптационные изменения в коленном суставе связаны с тем, что во многих видах спорта мощные движения осуществляются при углах сгибания в этом суставе до 90° и меньше. Например: поднятие штанги, бег на коньках, прыжки на лыжах с трамплина.

60

180

80 100 120 140 160 Угол сгибания в коленном суставе

Рис. 3. Влияние сустава «бедренная кость-надколенник» на силы в сухожилиях четырехглавой мышцы и связке надколенника.

Пунктирная линия - результаты, полученные методом МРТ [1]

Изменение силы в связке надколенника за счет вращения надколенника с одной стороны способствует экономичности спортивных движений, с другой стороны определяет кинематические условия эффективной силовой тренировки четырехглавой мышцы. Такими условиями являются:

* Препараты коленных суставов получены от пожилых людей. Обозначили эти результаты как экспериментальные данные, полученные на неспортсменах.

** Угол в коленном суставе рассчитан между продольными осями бедра и голени. *** Рассчитано прижизненно по 9-ти сагиттальным снимкам коленного сустава спортсменов с помощью метода МРТ [1].

С*)

• силовую тренировку четырехглавых мышц следует выполнять таким образом, чтобы угол сгибания в коленном суставе был меньше 90 ;

• следует перебинтовывать верхнюю часть коленного сустава с целью уменьшения плеча тяги сухожилия четырехглавой мышцы в суставе «бедренная кость-надколенник».

Повышение травмобезопасности коленного сустава. Наиболее часто травмам в коленном суставе подвергаются передняя или задняя крестообразные связки. Эти связки оказывают сопротивление движению голени в передне-заднем направлении относительно бедра. Одна из причин травм крестообразных связок коленного сустава - смещение суставных поверхностей бедра и голени. На рис. 1 показаны силы, действующие в точке контакта связки надколенника и голени (точка 1).

Сила, смещающая голень относительно бедра в передне-заднем направлении, достигает 30% и более от силы тяги в связке надколенника (сила F, действующая в надколеннике, принята за 100%). Сила, направленная на сдвиг суставных поверхностей в коленном суставе (Гу, рис. 1), минимальна в диапазоне 90-120 (рис. 4, А).

При угле больше 100 сила тяги в сухожилии надколенника стремится сдвинуть голень вперёд по отношению к бедру (Гу > 0), при углах меньше 100 горизонтальная сила сдвигает голень назад (FY < 0).

Если зафиксировать нижнюю часть коленного сустава эластичным бинтом, происходит уменьшение угла наклона связки надколенника по отношению к продольной оси (7) голени* так, как это показано на рис. 4, Б. Сила, сдвигающая суставные поверхности, уменьшается на 20-25%, что снижает нагрузку на крестообразные связки коленного сустава.

Б

Угол сгибания в коленном суставе

Рис. 4. Силы, сдвигающие суставные поверхности: А - сила Гу , действующая на голень в месте крепления связки надколенника к голени в % от силы связки надколенника.

(направление силы дано на рис. 1); Б - угол наклона связки надколенника к продольной оси голени. Пунктирная линия - без бинтования нижней части коленного сустава, сплошная - с бинтованием эластичным бинтом

Выводы

С целью повышения эффективности силовой тренировки мышц-разгибателей коленного сустава при выполнении силовых упражнений, например, таких как «приседания со штангой на плечах», следует:

- приседать ниже угла 90 в коленном суставе;

- для уменьшения плеча тяги сухожилия четырехглавой мышцы в суставе «бедренная кость-надколенник» можно рекомендовать перебинтовывать верхнюю часть коленного сустава эластичным бинтом, таким способом уменьшая плечо тяги мышцы, и, соответственно, увеличивая силу тяги четырехглавой мышцы бедра.

Коленный сустав наиболее часто подвержен спортивным травмам. Механические повреждения в суставе возникают как следствие больших нагрузок, действующих

на сжатие и сдвиг суставных поверхностей. В тренировочном процессе, особенно при силовых тренировках, невозможно избежать нагрузок, превышающих в несколько раз вес тела спортсмена и оказывающих разрушающее воздействие на суставы.

Наиболее травмоопасны силы, направленные на поперечное смещение суставных поверхностей. Блоковид-ная конструкция при выпрямленном суставе и наличие вращения-скольжения делает коленный сустав уязвимым к поперечным силам, действующим на бедро и голень. Поэтому при силовой тренировке с целью предотвращения травм следует использовать различные ортопедические устройства (наколенники, эластичные бинты), фиксирующие коленный сустав и повышающие жесткость коленного сустава к воздействию поперечных сил.

* Угол наклона связки надколенника к продольной оси голени оценивали с помощью ультразвукового исследования.

Литература

1. Воронов, А.В. Анатомическое строение и биомеханические характеристики мышц и суставов нижней конечности. - М.: Физкультура, образование и наука, 2003. - 203 с.

2. Зациорский, В.М., Аруин, А.С., Селуянов, В.Н. Биомеханика двигательного аппарата человека. - М.: Физкультура и спорт, 1981. - 140 с.

3. Eijden van T.M., Kouwenhoven, E, VerburgJ, Weijs, W.A. A mathematical model of the patellofemoral joint // Journal of Biomechanics, 1986. - Vol. 18. - No. 3. - Pp. 219229.

4. Eijden van T.M., Boer, GJ. de, Weijs, W.A. The orientation of the distal part of the quadriceps femoris muscle as a function of knee flexion-extension angle // Journal of Biomechanics, 1985. - Vol. 18. - No. 12. - Pp. 803-809.

5. Kubo, K, Kawakami, Y., Fukunaga, T. Influence of elastic properties of tendon structures on jump performance in humans // Journal Applied Physiology 1999. - Vol. 87. - No. 6. - Pp. 2090-2096.

6. Smidt, G. Biomechanical analysis of knee flexion and extension // Journal of Biomechanics, 1973. - Vol. 6. -Pp. 79-92.

7. Yamaguchi, G.T., Zajac, F.E. A planar model of the knee joint to characterise the knee extension mechanism // Journal of Biomechanics, 1989. - Vol. 22. - No. 1. - Pp. 1-10.

References

1. Voronov, A.V. Anatomical structure and biomechanical characteristics of the muscles and joints of the lower limb. - Moscow: Physical Education, Education and Science, 2003. - 203 p.

2. Zatsiorsky, V.M., Aruin, A.S., Seluyanov, V.N. Biome-chanics of the motor apparatus of man. - Moscow: Physical training and sports, 1981. - 140 p.

3. Eijden van T.M., Kouwenhoven, E, Verburg J., Weijs, W.A. A mathematical model of the patellofemoral joint // Journal of Biomechanics, 1986. - Vol. 18. - No. 3. - Pp. 219229.

4. Eijden van T.M., Boer, GJ. de, Weijs, W.A. The orientation of the distal part of the quadriceps femoris muscle as a function of knee flexion-extension angle // Journal of Biomechanics, 1985. - Vol. 18. - No. 12. - Pp. 803-809.

5. Kubo, K., Kawakami, Y., Fukunaga, T. Influence of elastic properties of tendon structures on jump performance in humans // Journal Applied Physiology 1999. - Vol. 87. -No. 6. - Pp. 2090-2096.

6. Smidt, G. Biomechanical analysis of knee flexion and extension // Journal of Biomechanics, 1973. - Vol. 6. -Pp. 79-92.

7. Yamaguchi, G.T., Zajac, F.E. A planar model of the knee joint to characterise the knee extension mechanism // Journal of Biomechanics, 1989. - Vol. 22. - No. 1. - Pp. 1-10.