Принципы кинематики

По материалам Edward Benzel. Biomechanics of Spine Stabilization

Кинематика - это изучение движения твердых тел. По своей природе она предполагает применение физических принципов. Таким образом, дисциплины физики и кинематики невозможно полностью разделить, и обсуждение одной неразрывно переплетается с другой. Здесь предпринята серьезная попытка свести к минимуму обсуждение чрезмерно технической или клинически ненужной информации. Поэтому далее приводится дистилляция дисциплин физики и кинематики. Подчеркиваются актуальные принципы и законы, а также клинически важная информация, касающаяся спинальной инструментации.

2.1 Векторы, плечи рычага, изгибающие моменты и оси вращения

Силы, действующие на позвоночник, можно разложить на составляющие векторы. Вектор определяется здесь как сила, ориентированная в фиксированном и четко определенном направлении в трехмерном пространстве.

Сила, действующая на рычаг (плечо рычага), вызывает изгибающий момент. Изгибающий момент, приложенный к точке в пространстве, вызывает вращение или тенденцию к вращению вокруг оси. Эта ось, применительно к позвоночнику, называется мгновенной осью вращения (МОВ). Слово “мгновенная” включено, чтобы подчеркнуть, что ось вращения меняется (или скорее перемещается) в зависимости от приложенных нагрузок и сил. Для установления легко определяемой и воспроизводимой системы координат к позвоночнику применена стандартная декартова система координат. В этой системе есть три оси: x, y и z. Было использовано несколько определений осей x, y и z. Для упрощения терминологии здесь используются термины краниальный, каудальный, вентральный, дорсальный, правый и левый. Вращательные и поступательные движения могут происходить вокруг этих осей. Это дает 12 потенциальных движений вокруг МОВ: два поступательных движения вдоль каждой из трех осей (по одному в каждом направлении) и два вращательных движения вокруг каждой оси (по одному в каждом направлении). Эти потенциальные движения также можно рассматривать с точки зрения степеней свободы; таким образом, существует шесть степеней свободы вокруг каждой МОВ.

Для наших целей МОВ - это ось, вокруг которой каждый позвонковый сегмент вращается в любой данный момент. Это, по определению, центр системы координат (в плоскости, перпендикулярной МОВ) для каждого двигательного сегмента. Когда спинальный сегмент движется, есть ось, проходящая через позвонок или близко к нему, которая не движется; это ось, вокруг которой вращается тело позвонка (МОВ). Ее расположение варьирует в зависимости от врожденной кривизны позвоночника, а также других факторов.

Множество факторов, таких как дегенеративные заболевания, переломы, повреждения связок, установка инструментации и/или спондилодеза и сегментарное движение, могут влиять на положение МОВ (Рис. 2.3). Например, МОВ влияет степень дегенерации и деформации при спондилолистезе со спондилолизом. При прогрессировании дефекта дужек и клиновидной деформации МОВ смещается краниально.

5

В некотором смысле МОВ является опорой. Например, если позвоночник согнут, все точки вентральнее МОВ сближаются, а все точки дорсальнее МОВ удаляются друг от друга (Рис. 2.4). Важно отметить, что эти соображения очень важны в клинической практике. Например, как сгибание, так и разгибание шейного отдела позвоночника могут декомпрессировать нейрофорамены в зависимости от расположения МОВ. Если МОВ расположена в области фасеточного сустава, сгибание вызывает компрессию нейрофораменов, а разгибание декомпрессирует их. Хирург может определить и диктовать такое положение. Например, если хирург хочет добиться декомпрессии нейрофораменов путем разгибания позвоночника, ось, вокруг которой происходит движение сегмента (МОВ), должна располагаться дорсальнее нейрофораменов – возможно, в области фасеточных суставов (Рис. 2.5).

6

Расположение МОВ в момент разрушения позвоночного столба определяет результирующий тип разрушения. Хосикава и др. наблюдали это на свиной модели. Они отметили, что ось движения перелома (ОДП), по сути эквивалентная МОВ в момент разрушения, способствовала возникновению разрывно-вывиховых повреждений, даже когда прикладывались вертикальные сжимающие нагрузки.

7

Такое наблюдение должно заставить тщательно рассмотреть местоположение ОДП или МОВ при оценке пациентов с травмой позвоночника. Это могло бы помочь в клиническом принятии решений.

Необходимо считать МОВ динамичной. По мере движения в позвоночнике МОВ каждого задействованного спинального сегмента перемещается. В клинической ситуации МОВ определяется по динамическим рентгенограммам (например, рентгенограммам в сгибании и разгибании).

Однако МОВ зависит от метода ее определения. В настоящем контексте МОВ теоретическая. В позвоночнике, подвергшемся чрезмерным нагрузкам в момент разрушения, МОВ часто располагается в пределах тела позвонка в сагиттальной плоскости (см. Главу 5). Это предполагает, что тело позвонка вращается вокруг точки внутри, вентральнее или дорсальнее его границ (Рис. 2.6а).

4

Другое теоретическое предположение (или клиническая ситуация) заключается в том, что сгибание или разгибание, вызванные сгибанием или разгибанием соседних тел позвонков вокруг межпозвонкового диска, приводит к позиционированию МОВ в области межпозвонкового диска (Рис. 2.6б). Поэтому местоположение МОВ зависит от теоретической базы, на которой основано ее определение, и от способа ее определения. МОВ можно определить, как показали Уайт и Панджаби (Рис. 2.6в).

8

Центр вращения (ЦВ), примененный Смитом и Ферни, аналогичен МОВ.

9

Его определение и клиническое применение, однако, сопряжены с проблемами, схожими с теми, которые встречаются при работе с МОВ (Рис. 2.6г).

9,10

Когда вращение накладывается на поступательное движение, результирующая составляющая движения, описываемая вектором поступательного движения, называется винтовой осью движения (ВОД) (Рис. 2.6д). Она ориентирована в направлении поступательного движения. Винтовое движение может быть определено, в частности, с помощью этого параметра. Необходимо подчеркнуть, что определение каждой из описанных здесь осей подвержено ошибкам.

Понятия плеча рычага и изгибающего момента имеют решающее значение для понимания биомеханики позвоночника. Плечо рычага, связанное со спинальным имплантатом, определяется как тот “воображаемый рычаг”, который простирается от точки (МОВ) до точки приложения силы к позвоночнику (перпендикулярно направлению приложенной силы). Это верно независимо от природы приложения силы, естественной (например, от связок) или внешней (например, посредством инструментальных конструкций). Изгибающий момент (М) определяется как произведение приложенной силы (F) и длины плеча рычага (D):

Уравнение (2) M = F × D

где M = изгибающий момент, F = приложенная сила, а D = перпендикулярное расстояние от вектора силы до МОВ (плечо рычага; см. Рис. 2.6). Изгибающий момент по сути представляет собой крутящий момент, создаваемый силой (круговая сила). Более точно, крутящий момент - это момент силы с величиной. Приложение изгибающего момента приводит к концентрации напряжения, в результате чего разрушение становится более вероятным, как показано на Рис. 2.7а, б.