BIOMECHANICS OF MOBILITY OF THE RIBS IN RESPIRATORY EXCURSIONS OF THE CHEST

Full Text

В подавляющем большинстве современных учебников и руководств по анатомии и физиологии, да и вообще в медицинской практике бытует представление о том, что при дыхательных движениях грудной клетки происходит поднимание и опускание ребер. В этой связи в анатомической номенклатуре сохраняются так называемые мышцы, поднимающие ребра (mm. levatores costarum). Однако в более ранних авторитетных анатомических изданиях высказывалось обоснованное сомнение об участии этих мышц в поднимании ребер, если такая функция вообще допустима [2, 15]. Мы поставили перед собой задачу рассмотреть с точки зрения биомеханики возможную подвижность ребер при дыхательных экскурсиях грудной клетки, а также определить возможные функции mm. levatores costarum. Как известно, благодаря соединениям в грудной клетке ребра (кроме колеблющихся) фиксированы в трех точках крайне малоподвижными суставами: суставом головки ребра, реберно-поперечным суставом и грудинореберными суставами (для II-V ребер) или реберногрудинным синхондрозом (для I, VI и VII ребер) (рис. 1). Для ложных ребер фиксация их хрящевой части к грудине осуществляется опосредованно через соединения с реберной дугой посредством межхрящевых суставов. Такая конструкция соединений повышает мобильность ложных ребер, благодаря чему вентиляция нижних отделов легких обеспечивается лучше, чем верхних. В силу анатомо-биомеханических свойств соединений как истинных, так и ложных ребер, при дыхательных экскурсиях грудной клетки невозможно ни их поднятие, ни опускание. При расширении и уменьшении объема грудной клетки, что необходимо для вентиляции легких, ребра постоянно сохраняют свое исходное положение в скелете туловища относительно позвоночного столба, к которому каждое ребро фиксируется малоподвижными суставами в двух точках: к телам двух соседних позвонков и поперечному отростку. При дыхательных движениях допустимо только вращение ребер вокруг оси, косо проходящей вдоль шейки ребра через его головку и щель реберно-поперечного сустава. Однако благодаря причудливо искривленной форме ребер при их вращении изменяется пространственное положение их тела и грудинного конца ребер. У истинных ребер при вдохе синхронно приподнимаются их передние концы, в результате чего грудина несколько смещается вверх и кпереди. Благодаря этому при вдохе в верхней части грудной клетки увеличивается переднезадний размер, величина которого возрастает не более чем на 10-15 мм (см. рис. 1). Ложные ребра, которые присоединяются к нижней части грудины опосредованно через межхрящевые суставы, при своем вращении совершают лишь небольшие скользящие движения передних концов ребер в составе реберной дуги в латеральном направлении (рис. 2). Поэтому в нижних отделах грудной клетки при вдохе имеет место смещение переднего конца ложных ребер в латеральном направлении, что ведет к увеличению поперечного размера грудной клетки. В ряде литературных источников такое смещение средней части ребра при вдохе описывается как движение по типу «ручки ведра» [15, 19]. Такая метафора была бы возможна лишь в случае фиксации ребра к осевому скелету в двух точках, что не соответствует действительности. На самом деле ребро фиксируется не в двух, а в трех точках, что существенно ограничивает свободу его перемещений. Ребро может только вращаться по месту своего положения. Помимо этой подвижности ребер, регламентированной синовиальными соединениями, в изменениях объема грудной клетки при дыхании (как при ее расширении, так и при сжатии) существенную роль играют эластическая деформация многочисленных синхондрозов (реберногрудинных синхондрозов и симфизов рукоятки грудины и мечевидного отростка), а также небольшое спрямление грудного кифоза при вдохе. Подвижность ребер, как и степень расширения грудной клетки, непосредственно зависят от глубины дыхания. Как известно, при спокойном дыхании преимущественно изменяется вертикальный размер грудной клетки, что происходит за счет регулярных сокращений диафрагмы, приводящих к уплощению ее купола и смещению вниз ее сухожильного центра. Возвращение сухожильного центра диафрагмы после ее расслабления в исходное положение происходит пассивно, преимущественно за счет разности внутригрудного и внутрибрюшного давления. При этом сокращение межреберных мышц (наружных и внутренних) предотвращает западение (прогибание внутрь) мягких тканей в межреберных промежутках или их выбухание кнаружи при изменении внутригрудного давления при дыхании. Максимальная подвижность ребер и всей грудной клетки, в целом, достигаются лишь при глубоком дыхании (рис. 3). Тогда в расширение грудной клетки, помимо основных дыхательных мышц, в работу дополнительно вовлекаются другие мышцы. Среди этих мышц существенная роль принадлежит лестничным мышцам, фиксирующим верхний отдел грудной клетки в приподнятом положении; задним зубчатым мышцам (верхним и нижним), растягивающим грудную клетку за верхние и нижние ребра; подреберным мышцам, поперечной мышце груди, а также мышцам живота, обеспечивающим максимальное сжатие грудной клетки при выдохе. Таким образом, анатомо-биомеханические особенности скелета и соединений грудной клетки допускают при дыхательных движениях только вращение ребер по их местоположению. Поэтому употребление термина mm. levatores costarum, как «поднимателей ребер», представляется казуистическим и должно быть изъято из анатомической номенклатуры, как не соответствующего реальной подвижности, обусловленной вращением ребер при глубоких дыхательных движениях. Mm. levatores costarum располагаются на задней поверхности грудной клетки; их волокна простираются между поперечным отростком вышележащего позвонка и верхним краем и задней поверхностью соответствующего ребра (рис. 4). Японские исследователи из Нагасаки Jun-ichiro Satoh и Ting-Choung (1968) [17] детально изучали mm. levatores costarum у людей (n=10) и обезьян (n=15). У человека присутствуют короткие и длинные мышцы, поднимающие ребра, у обезьян - только короткие. Короткие мышцы имеют крыловидную форму с сухожилием, с помощью которого они фиксируются к поперечному отростку. Обычно они начинаются на латерально-нижней поверхности поперечного отростка VII шейного и одиннадцати грудных позвонков. Мышцы следуют латерально вниз и имеют мышечное прикрепление на верхнем крае и задней поверхности шейки следующего ребра или достигают угла нижележащего ребра. Короткие мышцы были обнаружены японскими авторами на всех изучаемых препаратах. Эти мышцы увеличиваются в размерах в каудальном направлении, также увеличивается в этом направлении угол прикрепления к ребру. Аналогичное описание этих мышц дается почти во всех анатомических руководствах [4, 7, 9, 10, 23]. Различные мнения высказываются относительно начала и прикрепления этих мышц. Одни авторы считают, что они начинаются на поперечных отростках и прикрепляются к ребрам [7, 9, 10, 15], а В. П. Воробьев (1932) полагает, что началом для этих мышц служат ребра, а прикрепляются они к поперечным отросткам [1]. Длинные мышцы, поднимающие ребра, присутствуют только у человека по сравнению с обезьянами. Это тонкие, длинные веретенообразные мышцы, они имеют общее сухожильное начало с короткими поднимателями ребер и находятся более поверхностно. Длинная мышца обычно следует латерально и каудально, перекидывается через одно ребро (иногда через два и более ребер) и прикрепляется к верхнему краю ребра. Длинные мышцы не всегда прикрепляются на верхнем крае ребра, иногда они могут вплетаться в наружные межреберные мышцы [17]. В этом случае, возможно, мышцы, поднимающие ребра, могут принимать участие в поддержании мышечного корсета межреберных промежутков и препятствовать западению межреберных промежутков при вдохе. По данным Jun-ichiro Satoh и Ting-Choung Shu (1968), длинные мышцы, поднимающие ребра, начинаются от поперечных отростков позвонков от II по IV и от VIII по X, т. е., присутствуют, преимущественно, в верхних и нижних межреберных промежутках, в центральных отделах их немного. Кроме того, в верхнем отделе они выражены слабо. Иногда две длинные мышцы начинаются от поперечного отростка одного грудного позвонка, но с раздельными прикреплениями, при этом одна из них развита слабо. Латеральные отделы мышцы, поднимающей ребра, частично покрывают наружные межреберные мышцы, а сама мышца полностью расположена под подвздошно-реберной мышцей и длиннейшей мышцей спины. Рассмотрим с точки зрения физики вращательного движения твердого тела принципиальную возможность мышц, поднимающих ребра, осуществлять функцию вращения ребра, тем самым приводя к подниманию передних и боковых отделов ребер (рис. 5). Как известно, для того, чтобы вызвать вращение тела вокруг неподвижной оси, к нему надо приложить силу F, которая не должна совпадать с осью вращения [6]. При этом, действие силы тем значительнее, чем больше расстояние от точки ее приложения до оси вращения [3, 5, 8]. Это учитывается с помощью величины, называемой вращающим моментом, или просто моментом силы, численно равным произведению силы F на длину перпендикуляра, опущенного из центра вращения на направление силы, который называют плечом силы; в нашем случае величина силы будет зависеть от силы мышцы и расстояния от точки прикрепления мышцы до оси вращения ребра, что составляет несколько миллиметров. На рис. 5 показана раскладка сил, развиваемых рассматриваемыми мышцами, на две составляющие, из которых только одна Fr (меньшая часть равнодействующей силы), лежащая на касательной к окружности вращения в точке прикрепления этой мышцы к ребру, будет влиять на вращение ребра. Другая составляющая силы Fn, которая проходит через центр (ось) вращения ребра, не будет вносить вклад во вращательное движение ребра. Эта составляющая будет стабилизировать реберно-позвоночное сочленение, прижимая суставные поверхности друг к другу. Однако малая масса каждой мышцы, а следовательно, малая величина развиваемой мышцей силы и небольшая величина рычага прилагаемой силы не могут обеспечить значительную роль мышц, поднимающих ребра, в повороте ребра. Таким образом, действие этих мышц, как вращателей ребер, вряд ли значительно; их роль, если она вообще присутствует, ничтожна даже при глубоком дыхании. По мнению ряда авторитетных анатомов [7, 18], эти мышцы, скорее всего, участвуют в наклоне позвоночника в стороны и во вращении позвоночного ствола [15, 25]. Не является однозначным и вопрос о происхождении mm. levatores costarum. Приведем три различных точки зрения по поводу происхождения этих мышц. По мнению Д. Н. Зернова, мышцы, поднимающие ребра, представляют собой пучки, искусственно выделяемые в задней части межреберных промежутков от межреберных мышц. Эти пучки, расположенные близко к позвонкам, своими верхними концами прикрепляются не к ребрам, а к поперечным отросткам. Эти пучки и описываются на спине как короткие подниматели ребер [2]. Такое же мнение высказывалось и в работах P. Eisler (1912), H. Luschka (1863), S. Nishi (1938) и др. [13, 18, 22]. T. Fujita (1963) описывал эти мышцы, продолжающиеся в наружные межреберные мышцы без видимой границы между ними, так что разделить их не представляется возможным; однако автор не связывал две эти мышцы воедино. Наиболее детальное описание мышц, поднимающих ребра, и их иннервация даны в разделе «Миология» в Bardeleben’s Anatomie des Menschen (немецкое издательство, Karl Heinrich von Bardeleben), который был написан P. Eisler [20, 21]. Он описывает тоненькие веточки от каждого межреберного нерва, которые сзади проникают через заднюю межреберную мембрану и ложатся на переднюю поверхность соответствующей мышцы, поднимающей ребро. В связи с тем, что многие авторы считают, что мышцы, поднимающие ребра, иннервируются межреберными нервами, в частности, передней первичной ветвью спинномозгового нерва, они были описаны как группа переднелатеральных мышц [11, 12, 16] или мышцы спины вентрального происхождения [7, 24]. A. J. E. Cave при описании шейных межпоперечных мышц отнес мышцы, поднимающие ребра, как снабжаемые передней первичной ветвью (по его предположению), к гомологам латеральной порции поясничных межпоперечных мышц, которые тоже снабжаются передними первичными ветвями, и предположил, что они не имеют соответствующих элементов в шейном отделе [12]. Он сделал такой вывод на основании иннервации, начала и прикрепления мышц, поднимающих ребра. В отличие от Д. Н. Зернова и других авторов Jun-ichiro Satoh и Ting-Choung Shu относят эти мышцы к системе подвздошно-реберных мышц и мышц, выпрямляющих позвоночник. Мышцы, поднимающие ребра, и мышца, выпрямляющая позвоночник, имеют общее начало и их трудно отделить [16, 26]. T. Fujita, исследовавший иннервацию мышц, поднимающих ребра, подтвердил правильность взглядов A. B. Morrison, который также считал, что эти мышцы относятся к системе подвздошно-реберных мышц (мышца, выпрямляющая позвоночник) [14]. Так, A. B. Morrison на 4 препаратах описывает, что все мышцы, поднимающие ребра, иннервировались задней ветвью соответствующего спинномозгового нерва [21]. В большинстве случаев это были ветви латеральной порции задней первичной ветви, но на одном препарате в одном межреберном промежутке она отходила еще до деления на медиальную и латеральную ветви. У различных животных (крыс, кошек и собак) исследователь описывает аналогичную картину. H. Gray также описал иннервацию мышц, поднимающих ребра, боковыми ветвями дорсальных ветвей соответствующих грудных спинномозговых нервов [15]. Исходя из анатомо-биомеханических особенностей подвижности позвонков и ребер, мы также полагаем, что так называемые мышцы, поднимающие ребра, относятся к системе мелких межпозвоночных мышц, преимущественно участвующих во вращательных движениях позвоночного столба (рис. 6). Используя свою опору на ребрах, они возможно участвуют в дыхательных экскурсиях грудной клетки благодаря небольшому спрямлению грудного кифоза при глубоком вдохе. Однако в поясничной области мышцы, поднимающие ребра, по мнению A. B. Morrison, представлены медиальными задними межпоперечными мышцами, но не латеральными задними межпоперечными мышцами, как предполагал A. J. E. Cave. Задние межпоперечные мышцы крепятся на поперечных отростках, а одна из точек прикрепления мышц, поднимающих ребра, расположена на ребрах, поэтому трудно представить, что эти мышцы являются гомологами. Но надо принять во внимание, что их прикрепление может мигрировать латерально при сохранении такой же иннервации. Наивысшая из этих мышц часто сливается с последней шейной межпоперечной мышцей, ее трудно даже различить [20]. Иногда латеральные межпоперечные мышцы описываются как гомологи межреберных мышц. Иннервация мышц, поднимающих ребра, осуществляется задней ветвью грудного спинномозгового нерва из соответствующего сегмента. По мнению Jun-ichiro Satoh и Ting-Choung Shu (1968), задняя ветвь сначала отдает веточку к поперечно-остистым мышцам, а затем - к мышцам, поднимающим ребра, и, наконец, разветвляется в длиннейшей мышце спины и подвздошнореберной мышце. Самая верхняя мышца, поднимающая ребра, иннервируется задней ветвью восьмого шейного нерва. Исходя из описанных выше особенностей иннервации мышц, поднимающих ребра, можно принять точку зрения авторов, относящих данные мышцы к системе мышц, выпрямляющих позвоночник. Заключение. Анатомо-биомеханические особенности соединения ребер в грудной клетке не допускают изменения их положения относительно позвоночного столба и смещение их как в краниальном направлении (поднятие ребер), так и в каудальном направлении (опускание ребер). При дыхательных экскурсиях грудной клетки допустимо только вращение ребер по их местоположению. Поскольку название mm. levatores costarum не соответствует их функции как поднимателей и даже вращателей ребер, то нам представляется оправданным изменение их номенклатурного названия. Исходя из реальных анатомических особенностей этих мышц, их следует причислить к мышцам, действующим на позвоночный столб, обеспечивающих его ротацию и разгибание. Им более присуще название ребернопоперечные мышцы (mm. costotransversales). В этом названии отражена их наиболее вероятная функция как вращателей и разгибателей позвоночного столба в грудном отделе. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по программе повышения конкурентоспособности РУДН «5-100» среди ведущих мировых научно-образовательных центров на 2016- 2020 гг. Авторы сообщают об отсутствии в статье конфликта интересов.

About the authors

V. I. Kozlov

Peoples’ Friendship University of Russia

Email: Akvi13@yandex.ru
Department of Anatomy, Medical Institute 6 Miklukho-Maklaya St., Moscow 117198

T. Yu. Tsvetkova

Peoples’ Friendship University of Russia

Email: Tsvetkova_Tatyana@rambler.ru
Department of Anatomy, Medical Institute 6 Miklukho-Maklaya St., Moscow 117198

References

Supplementary files