SYSTEMIC ORGANIZATION OF THE HUMAN HUMERUS

Full Text

Принимая во внимание зависимость строения костей скелета от выполняемой ими функции, отличительные особенности анатомии длинных трубчатых костей конечностей человека давно представляют интерес для исследователей - морфологов, инженеров-биомехаников, нейрофизиологов, травматологов-ортопедов, кинезиотерапевтов, а также представителей многих других отраслей медицины. Понимание закономерностей развития структур трубчатых костей скелета конечностей во взаимосвязи с выполняемыми ими функциями имеет большое значение и для археологов, поскольку позволяет судить об интенсивности и других особенностях выполнения человеком трудовых функций в разные исторические эпохи. В настоящее время, с точки зрения функциональной морфологии, верхнюю конечность (ВК) человека принято считать мультифункциональным органом, в котором различные сегменты (плечо, предплечье и кисть) принимают разное участие в выполнении локомоторных актов и, соответственно, испытывают при этом статические и динамические нагрузки разной направленности и напряженности [3, 6, 19]. Наиболее изученным в этом плане отделом ВК человека оказалась кисть. Именно при исследовании дистального сегмента ВК человека были установлены факты наличия морфологической и функциональной асимметрии [4, 13], связи геометрии коротких трубчатых костей с типом телосложения [7, 11], зависимости степени выраженности костных структур в местах прикрепления связок и сухожилий мышц от объема и вида выполняемых движений [2, 8]. На основе полученных данных были разработаны методики определения пола, профессии и иных особенностей (праворукость/леворукость) человека по костным останкам кисти [5, 8, 9, 12]. Тем не менее, несмотря на очевидную вовлеченность в выполнение моторной функции во всех её проявлениях, кости других сегментов ВК в сравнении с костями скелета кисти человека оказались менее изученными. Первые значимые исследования плечевых костей на выборках, репрезентативных по отношению к популяции вида Homo sapiens, были выполнены на материале IX-XX вв. [8-10, 15]. Несмотря на использование объективных методов остеометрии, исследователи тех лет не учитывали произошедшие изменения функциональной биомеханической нагрузки на кости разных сегментов ВК современного человека. Это касается уменьшения в геометрической прогрессии популяции количества людей, занятых тяжелым физическим трудом и, вследствие этого, перераспределения соотношения объема выполняемой мелкой моторики и силовых нагрузок. Это не может не отражаться на строении плечевой кости и должно сопровождаться изменением степени асимметрии системной организации плечевых костей, на что указывают работы ряда авторов [8-10, 14, 18]. Тем не менее, обнаруженных ими различий в длине и размерах эпифизов контралатеральных плечевых костей недостаточно для понимания системной организации плечевой кости, как органа, степени вовлеченности функционально различных анатомических структур кости в процесс адаптации к меняющейся по многим параметрам функциональной нагрузке, очередности наступления этих изменений. Плечевая кость - длинная трубчатая кость, составляющая скелет стилоподия ВК человека. Она участвует в образовании двух крупных суставов: плечевого и локтевого, к ней прикрепляются мышцы, обеспечивающие движения как в названных суставах, так и в расположенных дистальнее. Её длина стабильна и колеблется в пределах 29-35 см [20]. На проксимальном эпифизе медиально располагается головка. Ее суставная поверхность обращена кверху и несколько кзади. Ряд авторов указывают на вертикальную вытянутость полуокружности головки и преобладание ее вертикальных размеров над сагиттальными [6, 17-20]. Пространство, расположенное между краем хрящевого покрытия головки и основанием бугорков, считается анатомической шейкой. Угол между хрящевым краем головки и перпендикуляром к оси диафиза, измеренный со стороны шейки, в норме составляет около 45º, а угол ретроторсии в среднем составляет 35º. Такая позиция головки позволяет максимально увеличить амплитуду движений в плечевом суставе. Анатомическая шейка плечевой кости очень короткая. Она соединяется с диафизом под углом около 135º [6, 18-21]. Латерально на проксимальном эпифизе обнаруживается большой бугорок, который имеет 3 площадки для прикрепления мышц. К верхней площадке большого бугорка присоединяется надостная мышца, отводящая ВК. К средней площадке большого бугорка прикрепляется подостная мышца, к нижней площадке большого бугорка - малая круглая мышца. Две последние мышцы супинируют плечо. Малый бугорок расположен на проксимальном эпифизе спереди. Он является местом прикрепления подлопаточной мышцы, которая вращает плечевую кость внутрь. От обоих бугорков дистально отходят гребни. К гребню малого бугорка фиксируются широчайшая мышца спины и большая круглая мышца, пронирующие, разгибающие ВК в плечевом суставе и приводящие ее к туловищу. Степень выраженности бугорков отражает состояние ротаторной манжеты плеча, обеспечивающей вращение в плечевом суставе вокруг вертикальной оси [16, 17]. Между бугорками расположена межбугорковая борозда. В ней лежит сухожилие длинной головки двуглавой мышцы плеча, сгибающей плечо и предплечье. Размеры межбугорковой борозды видоспецифичны для Homo sapiens и определены амплитудой сгибания, играют ключевую роль в стабилизации плечевого сустава при движении [8, 9, 16-18]. Диафиз плечевой кости по мере приближения к дистальному эпифизу приобретает треугольное сечение, а затем уплощается в переднезаднем направлении. Во фронтальной плоскости ось с горизонталью мыщелков образует угол наклона диафиза плечевой кости. Этот показатель характеризует степень приближения локтевого сустава к срединной плоскости. В процессе онтогенеза на сроке 7-8 нед дистальные отделы ВК супинируются. Торсионная трансформация ВК (от плеча до кончиков пальцев) достигает величины 90º. Такое изменение положения дистальных сегментов ВК приводит к возникновению супинационной торсии плечевой кости. Величина ретроторсии плеча (скрученности кости) - угла между осью головки и осью мыщелков может колебаться от 18,5 до 72º [21]. Дистальный эпифиз представлен двумя мыщелками. Латеральный мыщелок практически сферической формы называется головочкой плечевой кости и предназначен для сочленения с лучевой костью. Медиальный мыщелок - блок плечевой кости, соединяющийся с локтевой костью. Он имеет два гребня: медиальный и латеральный. Между гребнями блока проходит блоковая борозда, расположенная спирально и направляющая предплечье при сгибании в локтевом суставе к срединной линии тела. На передней поверхности дистального эпифиза выше мыщелков располагаются ямки для сочленения с костями предплечья, медиально - венечная ямка, над головочкой - лучевая ямка. На задней поверхности обнаруживается большая локтевая ямка для сочленения с локтевым отростком. По бокам дистального эпифиза, выше мыщелков расположены надмыщелки. Латеральный надмыщелок является местом прикрепления мышц разгибателей и супинаторов запястья и пальцев, медиальный - сгибателей и пронаторов [8-12, 18-19]. Несмотря на то, что форма и размеры плечевой кости предопределены генетически, на протяжении всей жизни человека плечевая кость, как часть системы опорно-двигательного аппарата, подвергается постоянному ремоделированию под воздействием различной функциональной нагрузки. Поэтому целью настоящего исследования явилось изучение системной организации плечевых костей современного человека. Материал и методы. Материалом послужили 154 мацерированные плечевые кости (D=S=77) человека с полным синостозированием эпифизов, без признаков костной патологии, неустановленной половой принадлежности из коллекции кафедры анатомии человека, полученных в 2012-2018 гг. Настоящее исследование проведено с соблюдением этических норм в рамках действующих нормативных актов (протокол заседания секции доклинических исследований РЭК ФГБОУ ВО КГМУ Минздрава России № 5 от 30 июня 2018 г.). Остеометрию проводили по методике В. П. Алексеева с рядом собственных дополнений (таблица) [1]. На каждой кости с помощью устройства для остеометрических измерений длинных трубчатых костей и цифрового штангенциркуля были измерены 23 структуры (рис. 1, 2). Все исследуемые структуры были разделены на 4 группы (см. таблицу). Полученные цифровые данные заносили в таблицы Excel с учетом принадлежности к стороне тела - D и S. После определения критериев описательной статистики: среднего значения, среднего квадратичного отклонения, дисперсии, асимметрии и эксцесса, не обнаружив нормального распределения, были использованы методы непараметрической статистики и рассчитаны доверительные интервалы значений (при α=0,05) по каждому параметру. Для последующего анализа значения всех линейных параметров были переведены в относительные величины - нормализованы. За единицу измерения было принято значение фронтального диаметра диафиза в средней трети кости, что позволило нивелировать конституциональные особенности скелета [19]. Следующим этапом исследования стало проведение многоступенчатого факторного анализа методом главных компонент с вращением Equamax normalized с учетом латерализации костей на основе корреляционной матрицы Спирмена как для абсолютных, так и для относительных значений. Автоматическое выделение факторов, влияющих на строение плечевой кости, остановилось на уровне четырех. Картина распределения факторных нагрузок при большем числе факторов не изменялась. Математическую обработку производили с использованием программы Statistica 10.0. Результаты исследования. Статистически значимых различий в абсолютной величине линейных параметров (см. таблицу, 1-18) между правой и левой плечевыми костями не обнаружено. Все установленные статистически значимые различия касаются только 4-й группы (угловые параметры). Так, шеечно-диафизарный угол оказался более выражен на правых плечевых костях (135,81-139,71º), а слева величина доверительного интервала составила от 130,23 до 133,99º (при α=0,05). Также справа установлена большая величина угла сочленения головки с диафизом (41,71-46,58º). Слева его значения находятся в доверительном интервале от 33,90 до 39,63º. По-видимому, это может быть связано с различной амплитудой движений в плечевом суставе. Результаты факторного анализа абсолютных и относительных значений исследуемых параметров представлены на рис. 3, 4. Статистически значимыми являются факторные нагрузки выше 0,7. Обсуждение полученных данных. Работ, описывающих результаты применения методов математического анализа строения костей скелета человека и, в частности, плечевой кости, на данный момент нет ни среди отечественных, ни среди зарубежных исследований. Анализ корреляционных матриц результатов измерений плечевых костей выявил структуры, испытывающие сопоставимо равные факторные нагрузки под действием одинаковых факторов. Такие структуры мы приняли за системообразующие. Данная особенность ярко проявилась при анализе нормализованных результатов измерений. Группу системообразующих структур плечевых костей, испытывающих влияние одинаковых факторов с факторными нагрузками в диапазоне 0,9-0,99 независимо от латерализации кости, составили ширина проксимального эпифиза, вертикальный диаметр шейки, ширина дистального эпифиза и вертикальный диаметр головочки. Данные структуры, на наш взгляд, обеспечивают адаптацию плечевой кости к массе тела человека, статическим нагрузкам и свидетельствуют о базовой роли опорной функции в становлении системной организации плечевой кости, что согласуется с данными исследования Л. А. Алексиной [2]. Формирование плечевой кости человека, как части биомеханической системы опорнодвигательного аппарата, зависит от степени развития всего скелета и находит отражение в работах отечественных и зарубежных авторов [8, 9, 12]. Ключевую роль в системной организации кости играют функциональные нагрузки [6, 16, 19, 21], а наличие структур, испытывающих неравные функциональные нагрузки, но составляющие одноименный фактор, подтверждает это. Такими структурами, свидетельствующими об асимметричности функциональной нагрузки, явились длина, диафиз, вертикальный диаметр головки, сагиттальный диаметр шейки, вертикальный диаметр медиального и латерального гребня блока. При этом параметры головки и шейки указывают на функциональную дифференциацию плечевых костей на уровне плечевого сустава, а диаметры блока - на разницу в функционировании плечелоктевого сочленения и осуществлении сгибательно-разгибательных движений. В ходе анализа обнаружились «мигрирующие по факторам» структуры, имеющие нестабильные факторные нагрузки, влияющие на обе кости: угол сочленения головки с диафизом, угол наклона диафиза, ширина межбугорковой борозды, глубина межбугорковой борозды, ширина локтевой и венечной ямок. Как показали результаты факторного анализа, в процессе становления системной организации плечевой кости структуры кости, влияющие на амплитуду приводяще-отводящих движений руки, образуют обособленную группу. Последнюю группу структур плечевой кости, указывающих на наличие ярко выраженной асимметрии системной организации и испытывающих факторные нагрузки в случае принадлежности к одной из сторон, составили для левой плечевой кости сагиттальный диаметр головки, межбугорковое расстояние, шеечно-диафизарный угол и ширина лучевой ямки. Для препаратов правой плечевой кости такой структурой оказался угол скрученности (ретроверсии головки), структуры отражают различную супинационнопронационную активность рук и согласуются с данными B. M. Auerbach, C. B. Ruff [14], B. Özener [17]. Угол направляющей борозды блока не испытывал статистически значимых нагрузок. Таким образом, в системной организации плечевой кости человека определены базовые параметры, независящие от стороны тела и указывающие на равноценное участие в реализации функций в филогенезе: это ширина проксимального эпифиза, вертикальные размеры головки и шейки, вертикальный диаметр гребней блока, вертикальный диаметр головочки и ширина латерального надмыщелка. Определены системно нестабильные параметры, указывающие на асимметричность участия плечевой кости человека в реализации двигательной функции на уровне плечевого сустава: сагиттальный размер головки, угол хрящевого края головки, угол инклинации головки, межбугорковое расстояние, размеры межбугорковой борозды. Определены параметры плечевой кости, указывающие на асимметричную реализацию двигательной функции на уровне локтевого сустава: это величина угла наклона диафиза, степень скрученности диафиза, размеры локтевой ямки, ширина венечной и лучевой ямок, ширина частей суставной поверхности блока и ширина медиального надмыщелка. Увеличение числа нестабильных системообразующих параметров дистального эпифиза по сравнению с проксимальным указывает на морфофункциональную асимметричную дифференциацию эпифизов кости. Вклад авторов: Концепция и дизайн исследования: А. В. И., И. Н. Я. Сбор и обработка материала: М. А. И. Статистическая обработка данных: А. А. С. Анализ и интерпретация данных: И. Н. Я. Написание и редактирование текста: И. Н. Я., А. В. И. Авторы сообщают об отсутствии в статье конфликта интересов.

About the authors

I. N. Yashina

Kursk State Medical University

Email: Bik2709@rambler.ru
Department of Human Anatomy 3 Karl Marx St., Kursk 305041

A. V. Ivanov

Kursk State Medical University

Department of Histology, Embryology and Cytology 3 Karl Marx St., Kursk 305041

M. A. Ivanov

St. Petersburg State Budgetary Health care Institution “Hospital for War Veterans”

21 Build. 2 Narodnaya St., St. Petersburg 193079

Ali A. Samaha

Lebanese International University

Email: ali.samaha@liu.edu.lb
Department of Bio medical Sciences Beirut 146404 Mazraa

References

Supplementary files