Нормальная биомеханика стопы и голеностопного сустава

Биомеханика стопы и голеностопного сустава (далее - ГС) очень важны для нормального функционирования нижней конечности.
Стопа является крайним звеном нижней кинетической цепи, которая противостоит внешней нагрузке. Правильное артрокинематическое движение внутри стопы и ГС влияет на возможность нижней конечности уменьшать нагрузку во время опоры.

Для нижней конечности важно распределять и рассеивать компрессионные, растягивающие, сдвигающие и вращающие силы во время фазы опоры (речь идет о ходьбе). Неадекватное распределение этих сил может вызвать повышенный стресс (нагрузку) и потенциально разрушить соединительную ткань и мышцы. Комбинированный эффект мышц, костей, связок и нормальной биомеханики стопы будет выражаться в наиболее эффективном снижении нагрузки на нижнюю конечность. В этой статье будет рассмотрена нормальная биомеханика стопы и голеностопного сустава.

Нормальная биомеханика стопы и ГС может быть разделена на СТАТИЧЕСКИЙ и ДИНАМИЧЕСКИЙ компоненты. Статические структуры включают в себя кости, конгруэнтность суставных поверхностей, связки и фасцию. Динамический компонент включает артрокинематику костей предплюсны и функцию мышц.

Мышечные структуры не обязательны для поддержки полностью нагруженной стопы в состоянии покоя.

Поддержание арки стопы в статике связано с пассивной связочной и костной опорой.
Hicks был первым кто подчеркнул важность работы плюсневых костей с позиции работы балок, и прочность на растяжение подошвенного апоневроза. Он определил, что в положении стоя подошвенный апоневроз принимает на себя 60% нагрузки и 25% забирают плюсневые кости.

Возможность подошвенного апоневроза абсорбировать нагрузку возрастает при натяжении его во время разгибания пальцев.

Этот механизм был описан разными авторами как "Эффект лебедки" (фото 1).

Во время максимального разгибания пальцев, в процессе фазы отталкивания при ходьбе, апоневроз скользит вокруг плюснефаланговых суставов (ПФС). Этот вращающий эффект увеличивает натяжение тканей, позволяя подошвенному апоневрозу противостоять бОльшим нагрузкам. Натяжение в подошвенном апоневрозе, в дополнение к поглощению бОльшей нагрузки, помогает в супинации подтаранного сустава.

Короткие и длинные подошвенные связки, а также пяточно-ладьевидная связка, также помогают в пассивном поддержании арки стопы.

Эффект балки плюсневых костей, описанный Hicks, представляет собой поддерживающую роль длинных костей стопы. Hicks напрямую не измерял количество нагрузки, которое поглощают кости плюсны. Однако кости являются основными стабилизаторами.

Это очевидно при наблюдении трабекулярных узоров, которые указывают направление передачи силы в стопу. Трабекулярная система следует за выравниванием медиальной и латеральной арки.

Root и коллеги описали конгруэнтность суставных поверхностей как стабилизирующий фактор костей предплюсны. Конгруэнтность сустав в классическом описании является стабилизирующим фактором именно синодальных суставов. Выравнивание сустава и конгруэнтность костей плюсны и предплюсны критически важны для создания медиальной и латеральной арки. Взаимоотношение суставов также очень важно для нормальной артрокинематики стопы и голеностопного сустава.

Таким образом, статические механизмы, ответственные за снижение силы в стопе, включают эффект лебедки подошвенного апоневроза, прочность на растяжение подошвенных связок, эффект балки плесневых костей и конгруэнтность предплюсневых и плюсневых костей. Динамические аспекты биомеханики стопы и голеностопного сустава работают в сочетании со статическими механизмами и зависят от них.

Движение стопы и голеностопного сустава - это сложное действие, вовлекающее множество суставов. Функционально, стопа и голеностопный сустав подобны замкнутой кинетической цепи.

Steindler дает следующее определение замкнутой кинетической цепи "…комбинация нескольких последовательно расположенных суставов, составляющих сложную двигательную единицу, где конечный сустав цепи встречается со значительным сопротивлением."

Сложные взаимозависимые движения стопы и голеностопного сустава называются пронация и супинация.

Root описывает пронацию и супинацию на 3-х плоскостные движения. Например, пронация включает в себя отведение, тыльное сгибание и эверсию (фото 2).

Пронация происходит в фазу опоры шагового цикла для амортизации удара во время ходьбы, сохранения равновесия, при изменениях рельефа местности.

С момента касания пяткой до момента касания большим пальцем на стопу и нижнюю конечность воздействуют 4 основные силы, требующие смягчения.

При касании пятки 80% веса тела приходится на пяточную кость, образуется вертикальная к земле сила. Кость – это специальная соединительная ткань, предназначенная для снижения силы компрессии. Расположение большеберцовой, таранной и пяточной кости в момент касания пятки играет важную роль в безопасном распределении вертикальной компрессии.

Распределение компрессии весовой нагрузки с момента касания пяткой до касания большим пальцем происходит между пяточной и плюсневыми костями. Кости плюсны и предплюсны находятся под взаимным давлением подобно арке каменной кладки.

Средняя часть стопы во время фазы опоры не несет на себе веса. Есть также передняя поперечная сила сдвига большеберцовой и таранной кости. Она смягчается в большей степени икроножной/камбаловидной мышечными группами. Mann описывает медиальный сдвиг в стопе как следствие внутренней ротации нижней конечности.

Подтаранный сустав, состоящий из таранной и пяточной костей, отвечает на внутреннюю ротацию и медиальный сдвиг латеральным смещением или вальгусом пяточной кости.

Таранная кость двигается в медальном направлении (подошвенная поверхность совершает флексию и приведение), чтобы полностью совпадать с медиальной суставной фасеткой пяточной кости. Эта медиальная суставная поверхность сформирована медиальным отростком пяточной кости, называемым опорой таранной кости.

Поэтому когда задняя часть пяточной кости идет латерально, медиальный отросток пяточной кости уходит в латеральном направлении вместе с таранной костью (фото 3). Данная ротация таранной и пяточной костей была описана как преобразователь крутящего момента нижней конечности.

Передвижение – последовательность ротаций, начинающихся в поясничном отделе позвоночника, которые перемещают тело в пространстве. Ротации большой и малой берцовых костей в горизонтальной плоскости передаются и уменьшаются в подтаранном суставе. В фазу опоры шагового цикла ротация стопы не происходит.

Большеберцовая кость вращается внутрь во время касания пяткой, таранная кость следует за ней, что приводит к пронации подтаранного сустава или вальгусу (эверсии) пятки (фото 3).

Ротации нижней конечности в горизонтальной плоскости преобразуются в трехплоскостные движения пронации и супинации.

Поперечный сустав предплюсны, состоящий из таранно-ладьевидного и пяточно-кубовидного суставов, становится мобильным при пронации подтаранного сустава.

Кубовидная и ладьевидная кости выстраиваются более параллельно, позволяя переднему отделу стопы превратиться в «мешок с костями». Передний отдел становится эффективным и мобильным адаптером к изменениям поверхности, тем самым облегчая нахождение равновесия. Именно в области плюсны мы можем наблюдать снижение и увеличение медиальной арки.

Подводя итог вышесказанному, можно сказать, что на стопу и нижнюю конечность от момента удара пяткой до касания носком действует множество сил, из которых мы рассмотрели компрессию, ротацию, передний и медиальный сдвиги. Нормальная пронация играет важную роль в смягчении этих сил. Эта пассивная активность в закрытой кинетической цепи возникает вследствие внутренней ротации нижней конечности и силы медиального сдвига. Пронация инициируется в момент касания пятки и контролируется эксцентрическим сокращением супинаторов. С момента касания пяткой до момента касания носком активными являются следующие 3 мышцы: передняя большеберцовая, длинный разгибатель пальцев, длинный разгибатель большого пальца.

Супинация происходит в конце фазы опоры шагового цикла.

Это позволяет наружным мышцам эффективно функционировать и создает надежный рычаг для отталкивания. Этот жесткий рычаг формируется за счет фиксации костей стопы и голеностопа.

Зафиксированная позиция плюсны и предплюсны способствует установлению блоковой системы мышц. Правильная работа некоторых наружных мышц зависит от костных рычагов. Например, длинная малоберцовая мышца во время толчка стабилизирует первый луч. Способность этой мышцы совершать данное движение зависит от кубовидного блока (кубовидная кость в качестве ролика).

Супинация стопы является результатом нескольких механизмов. Сначала в подфазу середины опоры (касание носком и толчок) активность наружных мышц инициализирует супинацию.

Исследования электромиографии показали, что в подфазу середины опоры увеличивается активность икроножной/камбаловидной мышц, задней большеберцовой, длинного сгибателя большого пальца и длинного сгибателя пальцев. Mann и Inman при помощи исследований электромиографии продемонстрировали важность глубоких мышц, участвующих в касании носком/отталкивании. Мышца, отводящая мизинец стопы; короткий сгибатель пальцев; короткий сгибатель большого пальца; короткая головка мышцы, отводящей большой палец; межкостные мышцы и короткий разгибатель пальцев важны для стабилизации плюсневого сустава во время последних 50% фазы опоры.

Второй фактор, влияющий на супинацию – это наружная ротация нижней конечности. Контралатеральная конечность, раскачиваясь вперед мимо опорной конечности, создает силу наружной ротации. Она обуславливает латеральную силу сдвига в стопе, приводящую к супинации. Подтаранный сустав инициирует супинацию инверсией пятки. Таранная кость перемещается в латеральную позицию (абдукция и дорсифлексия) через медиальный отросток пяточной кости. Плюсневый сустав в момент супинации подтаранного сустава блокируется. Механизм блокировки срабатывает тогда, когда кубовидная и ладьевидная кости оказываются перпендикулярными друг другу. Кости становятся прочными рычагами для более эффективной работы длинной малоберцовой и задней большеберцовой мышц. Таким образом, синергическое сокращение этих двух мышечных групп стабилизирует средний отдел стопы и первый луч (кубовидного блока). Стабилизация первого луча обеспечивает хорошее выравнивание первого плюснефалангового сустава и надежный рычаг для отталкивания.

Третий фактор, влияющий на супинацию – мобильность первого плюснефалангового сустава. Разгибание этого сустава обуславливает повышенное натяжение подошвенного апоневроза, способствующего супинации подтаранного сустава. Этот механизм описывался ранее как «Эффект лебедки». Для включения этого механизма в норме требуется 60-70º пассивной дорсифлексии плюснефалангового сустава.

Root описывает нейтральную позицию подтаранного сустава как 2/3 инверсии и 1/3 эверсии пятки. В норме у стопы должна быть возможность принимать положение пронации и супинации на примерно 6-8º от нейтрального положения.

Возможный объем супинации и пронации может быть измерен наложением продольной оси нижней конечности на вертикальную ось пятки. Пассивное движение пяточной кости в положение инверсии в норме составляет 20º. Это отражает объем супинации, доступный в подтаранном суставе. Объем же эверсии составляет 10º, что отражает объем возможной пронации.

Другой способ определения нейтрали описал James. Основываясь на его исследованиях, головку таранной кости при пронации стопы можно пропальпировать с медиальной поверхности как выпуклость. При супинации, наоборот, головка выступает латерально. В нейтральном положении головку таранной кости можно пропальпировать в равной степени с латеральной и медиальной сторон голеностопа. Нейтральная позиция, описанная выше наблюдается тогда, когда продольная ось нижней конечности и вертикальная плоскость пятки параллельны.