Изменения в скелете при воздействии нагрузок
Классические анатомические и экспериментальные исследования П. Ф. Лесгафта (1880—1881), Wolff (1892) иКоих (1895) положили начало функциональному направлению в морфологии опорно-двигательного аппарата. Обзоры литературы по проблеме взаимозависимости структурной организации и функции аппарата движения приводятся в работах Е. А. Коваленко, Н. Н. Гуровского (1980), А. Т. Бруско (1984), Kummer (1959), Burned 972). Применение рентгенологического исследования позволяет наблюдать приспособительные изменения аппарата движения в динамике у лиц разных возрастных групп и профессий. По форме и структуре костей ретроспективно можно судить о характере профессиональной деятельности человека, особенностях статики и локомоции животных.
Влияние функциональной нагрузки на структурную организацию аппарата движения реализуется через механические воздействия, которые в норме являются ведущим движущим фактором приспособительной перестройки костей к различным условиям двигательной активности. При функциональных перегрузках чрезмерные механические воздействия могут вызывать в костях патологическую перестройку. Нагрузка — это воздействие на кость механических сил, возникающих в процессе функционирования аппарата движения. Под влиянием нагрузки кости подвергаются деформированию. Различают нагрузки статические и динамические, а по виду вызываемой деформации кости — действующие на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг и скручивание. Мерой внутренних сил при деформации кости являются механические напряжения.
Статическая нагрузка — нагрузка, действующая постоянно или медленно изменяющаяся во времени. Динамическая нагрузка — это переменное, изменяющееся во времени по величине и направлению силовое воздействие. Как правило, динамические нагрузки обусловлены работой мышечной системы. Нормальная, или физиологическая, нагрузка—это такие механические воздействия на кость, которые, вызывая упругие деформации, являются необходимым фактором микроциркуляторного обеспечения трофики и сохранения устойчивой структурной организации кости. Понятие функциональной перегрузки четко не определено и различными авторами понимается неоднозначно.
Однако экспериментально-морфологические исследования последних лет дают основание под функциональной перегрузкой понимать такие состояния аппарата движения, которые вызываются чрезмерными механическими силовыми воздействиями, характеризуются острыми расстройствами внутрикостного кровообращения и развитием патологической перестройки. Функциональная перестройка кости. В настоящее время установлено, что в норме изменение формы и структуры костей происходит путем физиологической перестройки. Под функциональной перестройкой понимают перестройку структурной организации кости под влиянием стойких изменений условий функциональной нагрузки.
Перестройка кости обусловлена динамическими, а не статическими механическими напряжениями и осуществляется путем резорбции и отложения костной ткани на поверхности. Давно пытались выяснить значение механического фактора в механизме функциональной перестройки кости. Известны траекторная, биоэлектрическая и микротравматическая теория. Предполагалось также, что функция оказывает трофическое влияние на опорно-двигательный аппарат [Лесгафт П. Ф., 1880, 1881]. Однако эти теории не получили экспериментальных доказательств. В. И. Стецула и А. Т. Бруско (1975) высказали предположение о том, что в механизме функциональной перестройки роль механического фактора реализуется через упругие деформации, возникающие при двигательной нагрузке. В опытах с нагружением нативной кости в красящей жидкой среде было доказано [Бруско А. Т., 1984), что в костях под влиянием нагрузки возникают гидродинамические эффекты упругих деформаций, оказывающие влияние на внутрикостную микроциркуляцию.
Установлено, что нагрузки на сгибание вызывают наибольший гидродинамический эффект в диафизе, а осевые — в суставных концах. Гидродинамические эффекты усиливаются при нарастании и ослабляются при уменьшении функциональной нагрузки, вызывая перераспределение кровотока между различными бассейнами кровоснабжения кости и нарушение внутрикостной микроциркуляции и, следовательно, изменяя интенсивность метаболизма костной ткани. Эти перераспределительные нарушения микроциркуляции и являются непосредственной причиной возникновения полициклично протекающих (пока не наступит восстановление устойчивых гидродинамических соотношений между взаимодействующими бассейнами кровоснабжения) процессов адаптационной функциональной перестройки, приводящей к формированию структурной организации кости, адекватной нагрузке.
Необходимо подчеркнуть, что только стойкие изменентя характера и величины нагрузки вызывают перестройку кости. В процессе производственной и бытовой деятельности у каждого человека складывается индивидуальный уровень двигательной активности — среднесуточный стереотип функциональной нагрузки, — которому соответствуют определенная структура и форма костей. В костях при анатомо-функциональном соответствии происходит относительно равномерное распределение механических напряжений, и в условиях сложившегося среднесуточного стереотипа функциональной нагрузки перестройка кости характеризуется сбалансированностью процессов костеобразования и костеразрушения. При стойких изменениях функции, когда увеличение или уменьшение нагрузки становится постоянным (изменение образа жизни, профессии и др.), становление нового уровня среднесуточного стереотипа функциональной нагрузки сопровождается нарушением равновесия остеогенеза и остеорезорбции.
Понижение уровня среднесуточного стереотипа функциональной нагрузки сопровождается преобладанием процесса рассасывания костной ткани над ее новообразованием, что приводит к истончению компактного слоя и костных перекладин, уменьшению массы кости и количества остеонов на единицу площади поперечного сечения диафиза, увеличению просвета центральных каналов, размеров костномозговой полости и костномозговых пространств, т. е. к развитию остеопороза. При повышении уровня среднесуточного стереотипа функциональной нагрузки в костях развиваются гипертрофические изменения, проявляющиеся увеличением массы кости и количества остеонов на единицу площади поперечного сечения диафиза, утолщением компактного слоя и костных перекладин, уменьшением объема костномозговой полости и размеров костномозговых пространств.
Характерной особенностью этих приспособительных процессов является однонаправленность изменений структурной организации всей кости (остеопороз или рабочая гипертрофия), продолжающихся до тех пор, пока не установится новый уровень среднесуточного стереотипа функциональной нагрузки, когда интенсивность костеобразования и костеразрушения уравновешивают друг друга. Заболевания и повреждения аппарата движения приводят к возникновению анатомо-функционального несоответствия, сущность которого состоит в нарушении естественных условий распределения механических напряжений в костях с возникновением в них зон пониженного и повышенного напряжения и реже перенапряжения. При анатомо-функционалыюм несоответствии на участках кости, подвергающихся повышенным функциональным напряжениям, наступают гипертрофические изменения — локальная рабочая гипертрофия, а пониженным — атрофические (локальный остеопороз).
Учитывая, что эти изменения направлены на компенсацию анатомо-функционального несоответствия и восстановление соответствия строения кости новым условиям распределения механических напряжений, их следует оценивать как компенсаторные. В основе адаптационных и компенсаторных процессов лежит функциональная перестройка, постепенно приводящая к формированию нового уровня анатомо-функционального соответствия. Адаптационные и компенсаторные изменения структурной организации и формы костей протекают без клинических проявлений, бессимптомно, поэтому медицинское значение их относительное.
Они выявляются при динамическом рентгенологическом исследовании и могут служить критериями для объективной оценки характера и направленности течения приспособительных процессов в костях, а также решения ряда прикладных вопросов, связанных с контролем состояния опорно-двигательного аппарата, особенно в неадекватных условиях его функционирования. Данные о роли механического фактора в механизме функциональной перестройки костей указывают на возможность направленного воздействия на внутрикостное кровообращение, а следовательно, и трофику путем изменения режима и величины функциональной нагрузки, что имеет важное практическое значение для разработки реабилитационных мероприятий. Патологическая перестройка кости. При анатомо-функциональном несоответствии в костях могут возникать участки перенапряжения с развитием патологических изменений, известных в литературе под многочисленными названиями.
Наиболее широко распространены такие, как «патологическая перестройка костей» [Зедгенидзе Г. А., 1944; Богоявленский И. Ф., 1976; Полежаев В. Г., 1980; Миронова 3. С. и др., 1982], «ползучий перелом» [Рохлин Д. Г., 1945], «усталостный перелом» [Zweyin filler, 1974] и «стрессовый перелом» [Morris, BBckenstaff, 1967; Devas, 1975]. Термином «лоозеровская зона перестройки» обычно обозначают подобные повреждения костей у больных с системными заболеваниями аппарата движения [Хмельницкий О. К. и др., 1983].
Так как мышечная активность людей чаще всего связана с определенным видом производственной, бытовой, спортивной и другой деятельности, то некоторые авторы рассматривают это заболевание как профессиональное [Грацианская Л. Н., Элькин М. А., 1984]. Для врачей военной и спортивной медицины эта патология стала серьезной проблемой. Патологическая перестройка давно привлекает к себе внимание клиницистов, рентгенологов и морфологов неопределенностью условий возникновения, неясностью патогенеза и морфологической сущности, большим Сходством клинико-рентгенологической картины с таковой при травматических повреждениях, воспалительных и опухолевых процессах.
Количество диагностических ошибок составляет 98,4—100% [Богоявленский И. Ф., 1976], а неправильная или поздняя диагностика нередко приводит к тяжелым осложнениям, длительной потере трудоспособности и даже инвалидности. Повреждения, вызываемые чрезмерной двигательной нагрузкой, встречаются во все возрастные периоды и во всех костях, за исключением костей черепа. Наиболее часто повреждаются длинные кости нижних конечностей, особенно плюсневые кости (маршевый перелом, или болезнь Дейчлендера) и кости головы (периостит от перенапряжения, оссифицирующий периостит, перелом конькобежцев и др.).
У практически здоровых людей патологическая перестройка возникает после длительных динамических нагрузок (марш, бег, катание на коньках, лыжный поход и др.), особенно при отсутствии предварительной подготовки. В то же время при системных и локальных патологических изменениях в костях (остеомаляция, рахит, дистрофические, воспалительные, опухолевые и опухолевидные заболевания) эти повреждения могут возникать при обычной или даже пониженной функциональной активности в результате изменения механических и в первую очередь прочностных свойств кости (относительная функциональная перегрузка).
Известные теории патогенеза повреждений, вызываемых функциональной перегрузкой (микротравматическая, остеокластическая, усталостная, нейротрофическая и др.), базирующиеся на данных исследований биопсийного и операционного материала поздних стадий патологического процесса, противоречивы и не раскрывают биомеханических условий, механизма возникновения и морфологической сущности патологической перестройки кости. В. И. Стецула и А. Т. Бруско (1974—1984) в экспериментах на собаках, используя модель функциональной перегрузки кости, предложенную Muller (1922), рентгенологическими и гистоморфологическими исследованиями в динамике установили, что функциональная перегрузка на участке механического перенапряжения кости вызывает периостальное и эндостальное костеобразование, сходное с репаративной реакцией, возникающей при переломах.
Процесс костеобразования, протекающий на фоне острого расстройства внутрикостного кровообращения и называемый репаративной реакцией на перенапряжение, приводит в течение 4—6 нед к локальному утолщению кости — гиперостозу от перенапряжения. В норме всякое изменение структуры и формы костей в различных условиях нагрузки обычно осуществляется путем функциональной перестройки. При функциональной перегрузке оно происходит путем репаративной реакции на перенапряжение, в связи с чем эту реакцию следует оценивать как патологическую перестройку.
Наиболее ранние рентгенологические признаки изменений в костях при патологической перестройке — возникновение нежных периостальных наслоений (периостальное костеобразование) или появление склероза (эндостальное костеобразование) на ограниченном участке кости. Чаще наблюдается сочетание этих признаков. При этом в диафизарном отделе преобладает периостальный, а в метафизе — эндостальный компонент репаративной реакции. В период формирования периостальных наслоений и эндостального регенерата из-за активизации в сосудистых каналах резорбционных процессов происходит рарефикация компактного слоя, что приводит к временному понижению предела механической прочности кости. В этих условиях при продолжающейся нагрузке часто на повторных рентгенограммах в метадиафизе или, реже, диафизе обнаруживается полоса просветления.
Морфологические исследования, проведенные в первые часы и дни появления полосы просветления, показали, что в рарефицированном компактном слое на уровне развивающегося гиперостоза от перенапряжения возникает поперечная трещина, надлом кости. Целость эндостального и периостального регенерата при этом сохраняется полностью или частично. В дальнейшем (2—14-е сутки), если нагрузка на конечность продолжается, щель постепенно распространяется по поперечнику кости. Такое течение патологического процесса позволило Д. Г. Рохлину (1945) назвать указанное повреждение кости «ползучим переломом». В эти же сроки в зоне надлома кости участками наступают активизация остеокластической резорбции и пролиферации фиброретикулярных клеточных элементов, врастание в щель остеогенной ткани.
В костной ткани вблизи щели ползучего перелома нарастают некробиотические и некротические изменения, увеличивается количество микротрещин. Резорбция костных краев приводит к неравномерному расширению щели. В поздние сроки исследования (1—2 мес) щель почти на всем протяжении заполняется фиброзной и хрящевой тканями. Более частая локализация патологической перестройки в области метадиафиза обусловлена особенностями строения метадиафиза, в котором компактный слой значительно тоньше, а продольное, характерное для диафиза направление остеонов уступает тангенциальному, чем и объясняется в физиологических условиях понижение до 40% предела механической прочности кости в направлении к эпифизу [Богданов В. А., 1976].
Таким образом, морфологической сущностью патологической перестройки является репаративная реакция на перенапряжение, в период прогрессирования которой при сохраняющейся функциональной нагрузке может наступить механическое нарушение целости кости (надлом) — ползучий перелом. Для начальной стадии патологической перестройки (возникновение репаративной реакции на перенапряжение) характерна перемежающаяся клиническая симптоматика, чем и объясняется причина позднего обращения больных к врачу. Клиническая картина повреждения костей при функциональном перенапряжении предшествует рентгенологическим проявлениям патологических изменений. Больные с патологической перестройкой кости в начале заболевания, сразу вслед за функциональной перегрузкой, отмечают в области пораженного сегмента чувство усталости, распирания, затем появляются боли без определенной локализации, которые исчезают в покое и усиливаются при нагрузке.
С прогрессированием заболевания боль, локальная болезненность, припухлость и отек становятся постоянными, наступает нарушение функции и трудоспособности. При рентгенологическом исследовании с конца 2-й недели может обнаруживаться локальная периостальная и эндостальная реакция при отсутствии полосы просветления. Эндостальное костеобразование выявляется как участок склерозирования кости и, по мнению О. Я. Сусловой (1966), В. Г. Полежаева (1980), служит основным рентгенологическим признаком патологической перестройки. В дальнейшем, в течение 4—6 нед, если функциональная нагрузка ограничивается, клиническая симптоматика исчезает, на повторных рентгенограммах пораженной кости периостальные наложения постепенно уплотняются и сливаются с компактным слоем, вызывая локальное утолщение (гиперостоз от перенапряжения).
В случаях, когда больной, несмотря на боли, продолжает выполнять свои обычные занятия, что чаще всего так и бывает, клиническая симптоматика патологической перестройки становится постоянной, боли резко усиливаются и локализуются, нарастают отек и локальная болезненность. При повторных рентгенологических исследованиях на фоне эндостального и периостального костеобразования может появиться полоса просветления — ползучий перелом — с неравномерной зоной склероза вокруг и периостальными наслоениями, «разволокнением» и рарефикацией компактного слоя на этом же уровне.
При гистоморфологическом исследовании операционного и биопсийного материала выявляются периостальное и эндостальное костеобразование, в рарефицированном компактном слое щель, выполненная фиброзной соединительной и хрящевой тканями, выраженная остеокластическая резорбция на уровне щели. На основании данных клинико-рентгенологических и морфологических исследований выделяют три стадии патологической перестройки кости: I стадия — сепаративная реакция на перенапряжение, обычно приводящая при ограничении или снятии нагрузки к развитию гиперостоза от перенапряжения; II стадия — надлом кости (ползучий перелом), возникающий в зоне развивающегося гиперостоза от перенапряжения при продолжающейся нагрузке; III стадия — заживление надлома и восстановление органной структуры кости при снятии функциональной нагрузки.
В связи с широким развитием спорта среди детей особое значение приобретают данные о влиянии функциональной перегрузки на структурную организацию эпифизарного хряща и рост кости в длину. А. Т. Бруско (1983) установил, что функциональная перегрузка, изменяя естественные условия распределения механических напряжений, вызывает явления хронического эпифизеолиза, который рентгенологически характеризуется неравномерностью высоты эпифизарного хряща и возникновением осевой деформации кости, микроскопически — сминанием основного вещества хряща, деформацией и расслоением колонок хондроцитов, нарушением энхондрального окостенения и хондрогенеза, прогрессирующим нарастанием дистрофических изменений и появлением участков некроза и явлений деструкции.
Возможно, что в условиях функциональной перегрузки дистрофические изменения, возникающие в эпифизарном хряще при авитаминозах, некоторых нарушениях обмена и эндокринных заболеваниях, могут способствовать развитию эпифизеолиза и деформации. Постепенное снятие функциональной нагрузки и нормализация биомеханических условий приводят к восстановлению структурной организации эпифизарного хряща и процессов хондрогенеза и эндохондрального окостенения, т. е. роста кости в длину. Отмечено, что чем раньше снимается функциональная перегрузка кости, тем полнее восстанавливаются структурная организация эпифизарного хряща и рост кости.
Эти данные указывают на необходимость ранней диагностики и профилактики нарушений роста и осевых деформаций длинных костей при абсолютных функциональных перегрузках у юных спортсменов и ортопедотравматологических больных. Диагностика патологической перестройки основывается на характерной рентгенологической картине, анамнестических сведениях об условиях, способствующих возникновению механических перенапряжений кости. Большое значение для диагностики имеют рентгенологические исследования в динамике и томография. Дифференцировать патологическую перестройку необходимо от воспалительных, онкологических заболеваний и травм.
Основным в профилактике патологической перестройки является устранение причин, ведущих к возникновению перенапряжений в костях. При анатомо-функциональном несоответствии, обусловленном неполноценностью кости, мерприятия должны быть направлены на выявление и устранение различных деформаций, восстановление анатомической формы и повышение предела механической прочности костей, ослабленных в результате системных или локальных заболеваний. При невозможности полностью устранить или уменьшить анатомическую неполноценность костей профилактика патологической перестройки осуществляется рекомендациями щадящего режима труда и быта, использования различных разгружающих приспособлений (супинаторы при плоскостопии, трость, костыли и др.).
У лиц с анатомо-функционалыюй неполноценностью мышц и связок, вызывающей при нагрузке нарушение перераспределения и выравнивания механических напряжений в костях, патологическая перестройка чаще всего возникает при длительных однообразных нагрузках, как правило, у тех, кто впервые приобщается к физическому труду и занятиям спортом или возвращается к ним после долгого перерыва. Поэтому надо помнить о том, что бессистемные, форсированные занятия спортом, выполнение физической работы, особенно в условиях низкой культуры производства и спорта, без достаточной предварительной подготовки могут привести к развитию патологической перестройки.
Постепенное наращивание нагрузки на аппарат движения наряду с общеукрепляющим лечением имеет первостепенное значение для ее профилактики. При выявлении патологической перестройки основные лечебные мероприятия должны быть направлены на разгрузку больной конечности и устранение нарушенных анатомо-биомеханических соотношений. В результате патологическая перестройка в течение 1—1,5 мес заканчивается локальным утолщением кости (гиперостозом от перенапряжения), и трудоспособность восстанавливается. В случаях возникновения надлома кости в процессе развития гиперостоза от перенапряжения (ползучего перелома) — II стадия патологической перестройки — необходимо обеспечить в течение 1—1,5 мес иммобилизацию, поврежденного сегмента гипсовой повязкой и в течение последующих 2—3 мес ограничить функциональную нагрузку конечности.
Для укрепления и улучшения трофики мышц, восстановления регионарного кровообращения назначают ЛФК, массаж, электропроцедуры, бальнеотерапию и медикаментозное лечение. В случаях поздней диагностики, особенно когда щель ползучего перелома распространяется на весь поперечник кости, сроки консервативного лечения затягиваются до года и больше, и даже может возникнуть потребность в оперативном вмешательстве.
