Биомеханическая основа лечения деформаций стопы у детей. Часть I: Механика стопы
Renjit A. Varghese, MBBS, MS, MHScS1; Gleeson Rebello, MD2; Hitesh Shah, MS Orth3; Benjamin Joseph, MCh Orth, FRCS Ed3 Перевёл: Евтемиров И.Л. t.me/uezdny
Резюме:
Стопа функционирует как гибкая структура в начальной фазе опоры, но становится жёсткой в конечной фазе, чтобы обеспечить мощный толчок. В данном иллюстрированном обзоре описывается нормальная механика стопы при инверсии и эверсии, а также подробно объясняется, как пяточная кость движется под неподвижной таранной костью в трех плоскостях одновременно вокруг одной косой оси.
При эверсии пятка поднимается вверх, отводится наружу и разворачивается внутрь. При инверсии пятка опускается вниз, смещается внутрь и разворачивается наружу. Таранная кость остается статичной, в то время как остальная часть стопы движется вокруг головки таранной кости как единое целое: так называемым единым пяточно-стопным блоком (ПСБ), или calcaneo-pedal unit.
Чашеобразная полость в ПСБ, состоящая из передней и средней суставных поверхностей пяточной кости, суставной поверхности таранной кости и скакательной связки, образует вертлужную впадину стопы («acetabulum pedis»), которая вращается вокруг таранной кости. Иногда стопа функционирует как скрученная пластина, влияя на взаимосвязь между задним и передним отделами стопы, так как деформация переднего отдела стопы может вызвать вторичную компенсаторную деформацию заднего отдела стопы. Понимание нормальной механики стопы поможет лучше понять нарушенную механику, которая возникает при аномальных деформациях стопы.
Ключевые идеи:
Стопа разделена на задний и передний отделы; механика движений суставов переднего и заднего отделов стопы существенно различается.
Подтаранный сустав движется вокруг оси с уникальным наклоном, что позволяет пяточной кости перемещаться под неподвижной таранной костью одновременно в трех плоскостях.
Стопа ведет себя как скрученная пластина, так что первичные деформации переднего отдела стопы могут вызывать вторичные деформации в заднем отделе стопы с сопутствующим подъемом или опусканием продольного свода стопы.
Человеческая стопа — одно из произведений искусства природы, и, как таковое, она до конца не признана и не объяснена. Потребуется немало научных исследований, чтобы полностью понять эту структуру.
— Георг Хо́манн
Введение
Стопа представляет собой сложную структуру, состоящую из нескольких костей, сочлененных в суставах с различными осями подвижности, что обеспечивает разнообразную степень свободы движений. Для удобства описания стопу можно разделить на задний, средний и передний отделы (Рисунок 1А). Однако важно помнить, что все части стопы работают в гармонии, и деформация или дисфункция одной области стопы влияет на остальную часть. Стопу также можно разделить на две функциональные колонны: медиальную и латеральную (Рисунок 1Б).
Стопа функционирует как гибкая структура, которая поглощает силу в начальной фазе опоры цикла ходьбы, и переходит в жесткую структуру в терминальной фазе опоры, чтобы обеспечить мощный толчок.
Задний отдел стопы
Анатомия
Задний отдел стопы включают таранную и пяточную кости. Подтаранный сустав хоть и является единственным суставом, который формально относится к заднему отделу стопы, голеностопный или таранно-малоберцовый сустав также необходимо рассматривать как часть заднего отдела стопы, поскольку большинство деформаций заднего отдела стопы вовлекают как голеностопный, так и подтаранный суставы.
Голеностопный сустав – это синовиальный сустав между таранной, большеберцовой и малоберцовой костями. В суставе осуществляются тыльное и подошвенное сгибание вокруг оси, проходящей через медиальную и латеральную лодыжки. Движение таранной кости не осуществляется напрямую какой-либо мышцей, так как к ней не прикрепляется ни одна мышца. Вместо этого таранная кость движется в ответ на сокращение мышц, которые прикрепляются дистальнее неё.
Основной мышцей, осуществляющей тыльную флексию стопы, является икроножная. Она прикрепляется к бугристости пяточной кости. Основной разгибатель стопы – передняя большеберцовая мышца. Крепится к медиальной клиновидной кости и основанию первой плюсневой кости.
Сухожилия этих мышц пересекают ось голеностопного сустава на определённом расстоянии, а их точки прикрепления находятся ещё дальше от оси движения сустава. Момент силы, создаваемый этими мышцами, зависит от длины их рычагов. Уменьшение длины рычагов значительно снижает их силу.
Инверсия и эверсия происходят в подтаранном суставе. Эти движения помогают стопе адаптироваться к неровным поверхностям. При инверсии и эверсии таранная кость остаётся неподвижной, в то время как пяточная кость и остальная часть стопы движутся вокруг головки таранной кости.
Механика голеностопного и подтаранного суставов
На одной из ранних работ английского художника Уильяма Генри Ханта (рис. 3) изображены тележка и лодка, которые можно сравнить с голеностопным и подтаранным суставами. Колесо тележки вращается вокруг поперечной оси, обеспечивая одну степень свободы: оно может двигаться вперед или назад. Аналогично, голеностопный сустав работает вокруг оси, проходящей через лодыжки (межлодыжечная ось), и также имеет степень свободы, позволяющее движения в тыльной и подошвенной флексии.
Эти движения являются неотъемлемой частью нормальной походки и осуществляются в строго определенные моменты цикла шага. Хотя амплитуда дорсифлексии и плантарной флексии во время ходьбы невелика, отсутствие любого из этих движений приводит к хромоте.
Механика подтаранного сустава уникальна и является предметом множества исследований. Капанджи, в своих иллюстрациях «Физиология суставов» 1–5, ссылается на Фарабефа, который сравнил движения пяточной кости при инверсии и эверсии с движением лодки на волнах 6 . Лодка обладает тремя степенями свободы вращения вокруг трех независимых осей, расположенных под прямым углом друг к другу, что позволяет ей крениться (roll), поворачиваться (yaw) и наклоняться (pitch) при движении по волнам (рис. 4).
В сравнении с лодкой, пяточная кость движется под таранной костью при инверсии и эверсии в трех плоскостях: при эверсии пяточная кость отводится (аналогично повороту лодки — yaw), поднимается вверх (аналогично наклону лодки — pitch) и вращается внутрь (аналогично крену лодки — roll). При инверсии она приводится, опускается вниз и вращается наружу.
Однако существуют два ключевых отличия между движением лодки на волнах и движением пяточной кости при инверсии и эверсии:
1. Пяточная кость движется вокруг одной единственной оси, которая обеспечивает движения в трех плоскостях.
2. Все три движения пяточной кости происходят одновременно, так как они связаны одной осью, и не могут выполняться по отдельности.
Ось подтаранного сустава
Хенке и Мантер приписывают себе заслугу в определении того, что трехплоскостная ось подтаранного сустава является косой, направленной вниз и назад (под углом около 45 градусов к горизонтали и 16 градусов кнаружи)3,4. Исследования других авторов указывают на слегка отличающиеся углы, а более современные работы предполагают, что эта ось не фиксирована и может смещаться на несколько градусов в процессе движения стопы.
Однако, для практических целей ось подтаранного сустава можно считать расположенной под углом 45 градусов к горизонтали. Она проходит от тыльной поверхности шейки таранной кости, через пазуху предплюсны (sinus tarsi), толщу межкостной таранно-пяточной связки и выходит в латеральной части бугра пяточной кости.
Функциональная модель заднего отдела стопы, созданная Aloysio Campas da Paz в 1978 году, была воспроизведена в этом исследовании. В модели таранная кость была жестко зафиксирована, а пяточная кость могла свободно двигаться вокруг оси. Для имитации истинной оси подтаранного сустава через неё был пропущен прочный металлический стержень (рис. 5A).
Два дополнительных металлических стержня вставлены вдоль продольной оси таранной кости и вдоль продольной оси пяточной кости. Модель рассматривали спереди, перемещая пяточную кость из максимальной инверсии (B) в положение эверсии (C). Во время эверсии пяточная кость отводится: её передний конец (кубовидная поверхность) смещается латерально, а стержни, фиксирующие таранную и пяточную кости, расходятся. При взгляде сбоку, в положении инверсии подтаранный синус (D) широко открыт. В процессе эверсии подтаранный синус закрывается, и одновременно пятка совершает подошвенное сгибание (E). При взгляде сзади, в положении эверсии пяточная кость пронирует (F, G). Механику подтаранного движения лучше понять, наблюдая за движением пяточной кости на функциональной модели заднего отдела стопы, созданной Aloysio Campas da Paz.
Вертлужная впадина стопы (The Acetabulum Pedis)
В последнее время наблюдается тенденция к возрождению концепции, изначально предложенной Scarpa, связанной с механикой движений заднего отдела стопы.8-12 Он сравнивал движения головки таранной кости с движениями головки бедренной кости в тазобедренном суставе и предположил, что структуры, с которыми сочленяется головка таранной кости, образуют подобие чашеобразной “впадины”. Для этой впадины он ввёл термин “вертлужная впадины стопы” (acetabulum pedis) (рис. 6).
“Вертлужная впадина стопы” включает в себя суставные поверхности передней и средней фасеток пяточной кости, вогнутую часть суставной поверхности ладьевидной кости, а также подошвенную пяточно-ладьевидную связку (или скакательную), которая натянута через промежуток между суставными поверхностями ладьевидной и пяточной костей (рис. 6).
Пяточно-стопный блок
При нормальной инверсии или эверсии стопы таранная кость остаётся неподвижной, а остальная часть стопы (включая пяточную, кубовидную, ладьевидную кости, клиновидные кости и плюсневые кости), называемые пяточно-стопным блоком (ПСБ), движутся как единое целое вокруг таранной кости (рис. 7).
Единое движение ПСБ обеспечивается прочными связками, которые соединяют кости предплюсны между собой и с плюсневыми костями. Кроме того, уникальное прикрепление сухожилия задней большеберцовой мышцы, волокна которой проходят ко всем костям предплюсны, кроме таранной, также гарантирует, что все кости предплюсны движутся синхронно при сокращении этой мышцы.
Шопаров сустав
Шопаров сустав находится между задним и средним отделами стопы и включает два отдельных сочленения: таранно-ладьевидный и пяточно-кубовидный суставы. Таранно-ладьевидный правильнее называть таранно-пяточно-ладьевидным суставом, так как он является частью более крупного сочленения между “вертлужной впадиной стопы” и пяточно-стопным блоком (ПСБ).
Таранно-ладьевидная часть Шопарова сустава значительно более подвижна, чем пяточно-кубовидная. В результате медиальный блок стопы более подвижен, чем латеральный.
Вопрос об оси движения в суставе Шопара остаётся спорным. Некоторые исследователи предполагают, что движение происходит вокруг двух отдельных осей (продольной и косой), в то время как другие считают, что трёхплоскостное движение осуществляется вокруг одной оси.13
Основные мышцы, воздействующие на Шопаров сустав, — это инверторы и эверторы стопы. Задняя большеберцовая мышца прикрепляется к бугристости ладьевидной кости, распространяя волокна ко всем костям предплюсны, кроме таранной. Длинная и короткая малоберцовые мышцы прикрепляются к основаниям первой и пятой плюсневых костей соответственно. Эти мышцы обеспечивают супинацию и пронацию переднего отдела стопы.
Средний отдел стопы
Средний отдел стопы состоит из ладьевидной, кубовидной и трёх клиновидных костей. Движение между этими костями минимально.
Взаимосвязь движений заднего и переднего отделов стопы
Взаимное движение заднего и переднего отделов стопы
Хотя передний отдел стопы относительно заднего обычно движется как часть пяточно-стопного блока, существуют ситуации, когда движения заднего и переднего отделов стопы происходят в противоположных направлениях. Это наблюдается в случаях, когда деформации переднего отдела препятствуют его полному контакту с поверхностью.
При супинационной деформации переднего отдела стопы опирается только латеральный край стопы. Чтобы компенсировать это и выровнять передний отдел стопы, задний отдел стопы разворачивается кнаружи (эверсия), и пятка стремится к вальгусу.
И наоборот, при пронационной деформации переднего отдела стопы, когда медиальный край стопы соприкасается с поверхностью, возникает компенсаторный варус заднего отдела, чтобы передний отдел стопы полностью соприкасался с плоской поверхностью (рис. 8).
В таких ситуациях стопа ведет себя как скрученная пластина: она раскручивается, когда задний отдел стопы принимает вальгусное положение, сопровождающееся снижением высоты медиального продольного свода, и закручивается сильнее, когда задний отдел стопы переходит в варусное положение, что увеличивает свод (рис. 8). Пример этого явления показан на рисунке 9.
Влияние положения заднего отдела стопы на движение переднего отдела стопы
Гибкость переднего отдела стопы зависит от положения заднего отдела. Амплитуда тыльной и подошвенной флексии плюсневых костей значительно больше, когда задний отдел стопы находится в положении инверсии, тогда как при эверсии заднего отдела движения тыльной и подошвенной флексии плюсневых костей крайне ограничены.14
Медиальный продольный свод
В стопе выделяют три свода: медиальный и латеральный продольные своды, а также поперечный свод. Арочная структура стопы способствует амортизации ударных нагрузок. Медиальный продольный свод является самым важным из трех, и его сохранность зависит от внутренних и внешних механизмов, которые поддерживают свод и предотвращают его снижение при нагрузке (например, при стоянии, ходьбе, беге или прыжках).
Внутренние механизмы включают:
• Межкостные связки, соединяющие соседние кости, которые формируют свод;
• Связки, охватывающие более двух костей;
• Подошвенную фасцию (апоневроз).
Подошвенная фасция проходит по всей длине свода от пяточной кости до пальцев. Тыльная флексия пальцев приводит к натяжению подошвенной фасции, что приподнимает свод (рис. 10).
Внешние механизмы, поддерживающие свод, включают мышцы, которые подтягивают его кверху. Наиболее важной мышцей, ответственной за сохранение свода, является задняя большеберцовая.
Патомеханика деформаций стопы у детей
Особенности распространённых деформаций стопы у детей
Деформации стопы у детей могут развиваться в результате:
• контрактур сухожилий, капсул суставов и связок;
• гипермобильности (избыточной подвижности) сухожилий, капсул суставов и связок;
• мышечного дисбаланса в области суставов, вызванного слабостью или спастичностью одной группы мышц.
Эти изменения мягких тканей могут приводить к следующим последствиям:
• Нарушение выравнивания таранной кости;
• Сублюксация или вывих таранно-ладьевидного сустава;
• Изменения формы медиального продольного свода;
• Нарушение работы рычажных механизмов стопы.
Во второй части статьи будут рассмотрены патомеханические особенности следующих состояний: плоская стопа (pes planus), врождённый вертикальный таран, полая стопа стопа (pes cavus), а также деформации, возникающие на фоне нейромышечных заболеваний.
Примечания
• Уильям Генри Хант (1790 г.р.), родившийся с деформированными ногами, что затрудняло его подвижность. Точные детали его физического состояния неизвестны. Хант убедил своего отца позволить ему заняться искусством, что не встретило одобрения со стороны дяди, который, по слухам, сказал: «Он всегда был бедным калекой, ни на что не годным, из него сделали художника». Однако Хант стал выдающимся художником и был принят в Королевскую академию.
• Louis Hubert Farabeuf (1841–1910) считается пионером топографической, клинической и прикладной хирургической анатомии. Прежде всего, он был преданным преподавателем анатомии.
• ntonio Scarpa (1752–1832) был профессором анатомии и хирургии в Университете Павии (Италия). В 1791 году он стал почётным членом Королевского общества Лондона, а в 1821 году — Королевской шведской академии наук. Скарпа был не только опытным общим хирургом, но и специалистом в области офтальмологической, отоларингологической и ортопедической хирургии.
Литература:
Huson A. Biomechanics of the tarsal mechanism. A key to the function of the normal human foot. J Am Podiatr Med Assoc. 2000 Jan;90(1):12–17.
Lapidus PW. Kinesiology and mechanical anatomy of the tarsal joints. Clin Orthop Relat Res. 1963;30:20-36.
Hicks JH. The mechanics of the foot. I. The joints. J Anat. 1953 Oct;87(4):345–357.
Elftman H, Manter JT. The axis of the human foot. Science. 1934 Nov 23;80(2082):484.
Kirby KA. Subtalar joint axis location and rotational equilibrium theory of foot function. J Am Podiatr Med Assoc. 2001 Oct;91(9):465-487.
Kapandji IA. The Physiology of Joints 1st Ed Vol 2. Edinburgh: E & S Livingstone; 1970:154-194.
da Paz AC Jr, de Souza V. Talipes equinovarus: pathomechanical basis of treatment. Orthop Clin North Am. 1978 Jan;9(1):171-185.
Mosca VS. Clubfoot pathoanatomy - biomechanics of deformity correction: a narrative review. Ann Transl Med. 2021 Jul;9(13):1096.
Ghanem I, Massaad A, Assi A, et al. Understanding the foot’s functional anatomy in physiological and pathological conditions: the calcaneopedal unit concept. J Child Orthop. 2019 Apr 1;13(2):134-146.
Epeldegui T, Delgado E. Acetabulum pedis. Part I: Talocalcaneonavicular joint socket in normal foot. J Pediatr Orthop B. 1995;4(1):1-10.
Epeldegui T, Delgado E. Acetabulum pedis. Part II: Talocalcaneonavicular joint socket in clubfoot. J Pediatr Orthop B. 1995;4(1):11-16.
Ledoux WR, Sangeorzan BJ. Clinical biomechanics of the peritalar joint. Foot Ankle Clin. 2004 Dec;9(4):663-683.
Tweed JL, Campbell JA, Thompson RJ, et al. The function of the midtarsal joint: a review of the literature. Foot (Edinb). 2008 Jun;18(2):106-112.
Blackwood CB, Yuen TJ, Sangeorzan BJ, et al. The midtarsal joint locking mechanism. Foot Ankle Int. 2005 Dec;26(12):1074-1080.
Оригинал: https://www.jposna.org/index.php/jposna/article/view/463/503