Для создания математической модели двигательного сегмента позвоночника необходимо иметь целый ряд параметров описывающих сложное строение позвонка. Характеризуя исследования в области формализованного описания строения позвоночника, следует отметить, что их проведение диктовалось необходимостью получения этих данных для решения вопросов, связанных с разработкой новых методик оперативного лечения.
Измерялись коэффициенты, характеризующие соотношение сагиттального размера тела позвонка к высоте его вентрального и дорзального отделов, определяли индекс соотношения сагиттального и фронтального размеров тел грудных и поясничных позвонков, угол талии тел позвонков. (И.И. Камалов (1982), Н.И. Хвисюк с соавторами (1985), Ю.М. Анкин и Р.Д. Медведев (1986), А.И. Продан , Л.Н. Лыгун и У.Р. Рахимов (1989).
Особое место в изучении строения позвонка занимает вопрос пространственной ориентации суставных поверхностей суставных отростков, поскольку давно отмечено, что амплитуда и вид движения в суставе определяется формой его суставной поверхности. (Cosette с соавторами (1971) , Putz (1976), White и Panjabi (1978).
Анализ доступной нам литературы дает довольно приблизительное представлении о форме и пространственном расположении суставных поверхностей суставных отростков позвонков поскольку, в основном они представлены качественными характеристиками. Подтверждением тому служит мнение White и Panjabi (1978) которые указывают, что они не знакомы ни с одним исследованием, где подобные измерения проводились бы достаточно точно.
Общая схема расположения суставных поверхностей в шейном отделе позвоночника, приводимая в литературе, звучит так: суставные поверхности плоские, расположены в одной плоскости и образуют с вертикальной плоскостью тела позвонка угол около 45°.
В грудном отделе позвоночника суставные поверхности плоские, расположены под углом 140° друг к другу, открытым вентрально и наклонены под углом 60°-70 ° к горизонтальной плоскости.
Суставные поверхности верхних суставных отростков поясничных позвонков вогнутые, расположены вертикально и образуют между собой угол 90 °, открытый дорзально т. е. отклонены от фронтальной плоскости на 45°. (Braus 1921, Horwits и Smith 1940, Oppengeimer 1940, Putz 1976, White и Panjaby 1978, Lui 1987 ).
Многие авторы указывают на большую вариабельность формы и пространственного расположения суставных поверхностей истинных суставов позвоночника и связывают эти изменения с ростом и развитием организма. Laprepone (1947), Strasser (1968), В отличие от них Reichman (1971) считает, что форма и ориентация суставных поверхностей поясничных суставов, вероятнее всего, имеет генетическую обусловленность и зависит от формирования лордоза.
Singer, Breidahl, Day (1988), обследовав пациентов с помощью компьютерной томографии, установил, что в 54% случаев происходит постепенная переориентация суставных отростков из грудного в поясничный тип, а в 46 % — эта переориентация возникает на уровне одного позвонка. При этом они отмечают асимметрию между парами отростков, особенно,- между Th11 и D12 позвонками.
Zindrick с соавторами (1987), Marshesi, Schneider, Glauser и Aebi (1988) с помощью компьютерной томографии препаратов измерили дужки позвонков и позвоночный канал грудных и поясничных позвонков, их угловые взаимоотношения с телами позвонков.
Наиболее полные исследования провели Scoles с соавторами (1988), измерив тела позвонков в каждой плоскости, дужки и их угловые отклонения, позвоночный канал и величины отстояния нижнего края суставной поверхности от нижнего края дужки позвонка.
Вышеперечисленные морфометрические исследования проводились для решения конкретных клинических задач и их явно недостаточно для полного формализованного описания сложной анатомии позвонка.
Говоря о патологических изменениях позвонков и их элементов, большинство авторов так же пользовались качественными характеристиками. Так, описывая изменения взаимного расположения задних элементов позвонка при сколиотической болезни, они отмечают, что на выпуклой стороне корень дужки удлиняется, а на вогнутой представляется более коротким. Собственно, полудужка выпуклой стороны укорочена по сравнению с полудужкой вогнутой стороны. Суставные отростки на вогнутой стороне принимают более горизонтальное положение и их суставные поверхности расширяются. По выпуклой стороне менее нагружаемые суставные отростки становятся менее мощными. (И.А. Мовшович и И.А. Риц (1969), Я.Л. Цивьян 1972).
К сожалению, все эти данные не могут быть сведены воедино, поскольку методики их определения были различны. Попыток получения формализованных данных строения отдельных позвонков в норме и при патологии, по единой методике, пригодных для изучения биомеханики позвоночника и использования в клинической практике, в доступной нам литературе мы не встретили.
Исходя из этого, мы предприняли собственную попытку описать строение позвонка математическим языком по единой схеме и, тем самым, создать предпосылки для дальнейшего моделирования двигательного сегмента позвоночника.
С этой целью нами были разработаны схемы описания строения позвонков в горизонтальной (X;Y), сагиттальной (X;Z) и фронтальной (Y;Z) плоскостях, которые позволяют характеризовать различные варианты нормы и патологии.
Для получения формализованных характеристик каждого позвонка мы использовали рентгеноморфометрию с предварительным раздельным контрастированием суставных поверхностей и с учетом избираемой проекции.
Предварительно на суставные отростки мацерированных C3-L5 позвонков, принадлежащих одному позвоночнику, наклеивалась тонкая мягкая проволока, повторяющая контуры и размеры суставной поверхности в ее средней части в соответствующей исследованию плоскости. Затем производилась рентгенография каждого позвонка с фокусного расстояния 1 метр, что позволяло исключить проекционное увеличение линейных параметров и угловых величин.
На рентгенограммах проволока давала четкое изображение в виде тонкой линии на фоне трабекулярной структуры позвонка, что позволяло производить точные измерения. Рентгенография в горизонтальной плоскости верхних и нижних суставных поверхностей проводилась раздельно для избегания ошибок при анализе изображения. На полученных рентгенограммах в соответствии с разработанными схемами наносились точки, координаты которых затем считывались. (Рис. 1,2,3).
Рис. 1 Схемы расположения точек для расчета параметров позвонка в сагиттальной, фронтальной и горизонтальной плоскости.
Составленная нами программа для ЭВМ, позволила осуществлять контроль правильности введенных координат путем анализа изображения позвонка в трех проекциях, и производить расчет нижеперечисленных параметров.
При необходимости эта программа может быть использована для обработки изображения МР томографа, что позволяет получить формализованные данные строения позвонков конкретного пациента.
По данной методике рассчитаны вышеперечисленные параметры 72 позвонков от трех препаратов, не имеющих видимой патологии и 48 позвонков от двух препаратов, деформированных вследствие перенесенной сколиотической болезни 4-ой степени. Полученные данные представлены в таблицах 1, 2 и 3.
Таблица 1
Усредненные параметры строения шейных позвонков
| Параметр | Шейные позвонки | ||
| С3-С7 | С3-С4 | С5-С7 | |
| Угол разворота верхней суставной поверхности к фронтальной плоскости | 83.2°
± 2.4° |
— | — |
| Угол наклона верхних суставных поверхностей к заднему контуру тела позвонка | 27.7°
±2.1° |
— | — |
| Угол наклона нижних суставных поверхностей к заднему контуру тела позвонка | 31.1°
±3.0° |
— | — |
Угол отклонения оси верхней суставной поверхности от сагиттальной плоскости |
0° | — | — |
Угол отклонения оси нижней суставной поверхности от сагиттальной плоскости |
0° | — | — |
| Расстояние между серединами верхних суставных поверхностей позвонка |
41.0 мм
± 0.6 мм |
— | — |
| Радиус дуги верхней суставной поверхности позвонка |
— |
29.0 мм
±5.0 мм |
® ¥ |
| Центральный угол дуги верхней суставной поверхности |
— |
22.2°
± 4.2 ° |
180° |
Длина суставной поверхности верхнего суставного отростка. |
10.5 мм ± 0.4 мм, | ||
| Длина суставной поверхности нижнего суставного отростка. |
9.4 мм
± 0.2 мм |
||
Выстояние верхушки верхнего суставного отростка над покровной замыкательной пластинкой |
7.3 мм*
± 1.5 мм |
||
Захождение верхней края суставной поверхности нижнего суставного отростка выше базальной замыкательной пластинкой |
2.9 мм
± 1.1мм. |
||
Ширина суставных поверхностей верхних и нижних суставных отростков |
10.0мм ± 0.8мм | ||
Таблица 2
Усредненные параметры строения грудных позвонков
| Параметр | Грудные позвонки | ||
| Th2-Th11 | Th1 | Th12 | |
| Угол разворота верхней суставной поверхности к фронтальной плоскости | -66.6°
± 0.9° |
76.0°
± 1.0° |
19.0°
± 4.0° |
Угол наклона верхних суставных поверхностей к заднему контуру тела позвонка |
21.6° ±0.9° | — | — |
Угол наклона нижних суставных поверхностей к заднему контуру тела позвонка |
18.7° ±0.6° | — | — |
Угол отклонения оси верхней суставной поверхности от сагиттальной плоскости |
0° | — | — |
Угол отклонения оси нижней суставной поверхности от сагиттальной плоскости |
0° | — | — |
Расстояние между серединами верхних суставных поверхностей позвонка |
27.5мм ±1.2 мм | — | — |
| Радиус дуги верхней суставной поверхности позвонка |
45.0 мм
± 5.3 мм |
25.0 мм
± 1.0 мм |
6.9 мм ±0.4мм |
| Центральный угол дуги верхней суставной поверхности |
13.0°
± 0.8 ° |
31.0°
± 1.0 ° |
100.0°
± 14.0 ° |
| Длина суставной поверхности верхнего суставного отростка. |
9.8 мм
± 0.8 мм. |
— | — |
| Длина суставной поверхности нижнего суставного отростка. |
9.8 мм
± 0.8 мм. |
— | — |
Выстояние верхушки верхнего суставного отростка над покровной замыкательной пластинкой |
10.1 мм
± 0.3 мм |
— | — |
Захождение верхней края суставной поверхности нижнего суставного отростка выше базальной замыкательной пластинкой |
4.1 мм ± 0.6 мм. | — | — |
Ширина суставных поверхностей верхних и нижних суставных отростков |
11.3 мм ± 0.2 мм | — | — |
Таблица 3
Усредненные параметры строения поясничных позвонков
| Параметр | Поясничные позвонки | ||
| L1-L5 | L1-L2 | L3-L5 | |
| Угол разворота верхней суставной поверхности к фронтальной плоскости | 37.3°
± 7.3° |
— | — |
Угол наклона верхних суставных поверхностей к заднему контуру тела позвонка |
— | 7.1° ±0.8° | -6.2°
± 1.4° |
| Угол наклона нижних суставных поверхностей к заднему контуру тела позвонка | 9.4°
±1.6° |
— | — |
| Угол отклонения оси верхней суставной поверхности от сагиттальной плоскости |
7.1°
± 2.4° |
— | — |
| Угол отклонения оси нижней суставной поверхности от сагиттальной плоскости |
8.6°
± 2.4° |
— | — |
Расстояние между серединами верхних суставных поверхностей позвонка |
30.5мм ±0.8 мм | — | — |
| Радиус дуги верхней суставной поверхности позвонка |
14.1 мм
± 2.0мм |
— | — |
| Центральный угол дуги верхней суставной поверхности |
78.0°
± 7.2 ° |
— | — |
Длина суставной поверхности верхнего суставного отростка. |
17.7 мм ±1.0 мм | — | — |
Длина суставной поверхности нижнего суставного отростка. |
18.6 мм ±1.0 мм. | — | — |
Выстояние верхушки верхнего суставного отростка над покровной замыкательной пластинкой |
8.0 мм
± 1.0 мм |
— | — |
Захождение верхней края суставной поверхности нижнего суставного отростка выше базальной замыкательной пластинкой |
-14.6 мм ±1.0 мм. | — | — |
Ширина суставных поверхностей верхних и нижних суставных отростков |
13.3мм ± 0.6 мм | — | — |
Шейные позвонки
В сагиттальной плоскости суставные поверхности верхних суставных отростков наклонены вперед под углом 27.7° ± 2.1° к заднему контуру тела позвонка, а нижних суставных отростков под углом 31.1° ± 3.0° т. е. они расположены более горизонтально, что при совмещении суставных отростков смежных позвонков обеспечивает между телами позвонков угловой лордоз в среднем равный 4.0°± 1.7°, что в сумме может составить величину лордоза на протяжении C3-C7 позвонков от 9.2° до 22.8° . Зависимости между углом наклона суставной поверхности и уровнем расположения позвонка нами не выявлено.
Длина суставной поверхности верхнего суставного отростка равна 10.5 мм ± 0.4 мм, а нижнего суставного отростка 9.4 мм ± 0.2 мм. Разница между величинами статистически недостоверна.
Выстояние верхушки верхнего суставного отростка над покровной замыкательной пластинкой в среднем составила 7.3 мм ± 1.5 мм, а захождение верхней края суставной поверхности нижнего суставного отростка выше базальной замыкательной пластинкой в среднем составило 2.9 мм ± 1.1 мм. Разность между этими величинами сочленующихся позвонков должна определить высоту межпозвонкового диска при условии совмещения этих точек выше и нижележащего позвонков.
Среднее значение этой величины составило 7.2 мм ± 1.1 мм.
Во фронтальной плоскости суставные поверхности ориентированы параллельно друг другу. Расстояние между центрами суставных поверхностей составило 41.0 мм ± 0.6 мм.
Ширина суставных поверхностей верхних и нижних суставных отростков колебалась в пределах от 6.0 мм до 14.0 мм, что в среднем составило 10.0мм ± 0.8 мм. Закономерности в изменении этой величины от уровня распложения и разности между сочленяющимися поверхностями выявить не удается.
В горизонтальной плоскости суставные поверхности С5-С7 позвонков плоские. В отличие от этого суставные поверхности С3 и С4 позвонка вогнутые и могут быть описаны дугой радиусом 29.0 мм ± 5.0 мм и центральным углом 22.2° ± 4.2°. Каждая суставная поверхность развернута от сагиттальной плоскостина на угол от 67° до 90°, в среднем 83.2° ± 2.4°, и образуют между собой угол, открытый дорзально величина которого колеблется в пределах от 134.0° до 180.0°, что в среднем составляет 166.0° ± 9.8°, или они параллельны, но не лежат в одной плоскости.
Грудные позвонки
В сагиттальной плоскости суставные поверхности верхних суставных отростков наклонены вперед, но угол их наклона к заднему контуру тела позвонка достоверно меньше, чем у шейных позвонков и равен для верхних суставных отростков 21.6° ± 0.9° , а для нижних 18.7° ± 0.6°, что при совмещении суставных отростков смежных позвонков обеспечивает образование между телами позвонков углового кифоза. Среднее его значение 2.1° ± 1.2°. , и в сумме составляет величину кифоза на протяжении Th1—Th12 позвонков от 9.9° до 36.3 ° . Зависимости между углом наклона суставной поверхности и уровнем расположения позвонка нами не выявлено.
Длина суставной поверхности верхних и нижних суставных отростков равнялась 9.8 мм ± 0.8 мм. Разница между этими величинами у сочленяющихся поверхностей составила 0.5 мм ± 0.3 мм, но она статистически не достоверна.
Выстояние верхушки верхнего суставного отростка над покровной замыкательной пластинкой в среднем составила 10.1 мм ± 0.3 мм., а захождение верхнего края суставной поверхности нижнего суставного отростка выше базальной замыкательной пластинки 4.1 мм ± 0.6 мм. Разность между этими величинами сочленующихся позвонков должна определить высоту межпозвонкового диска при условии совмещения этих точек выше и нижележащего позвонков.
Среднее значение этой величины составило 6.2 мм ± 0.6 мм.
Во фронтальной плоскости суставные поверхности ориентированы параллельно друг другу. Расстояние между их центрами в среднем составило 27.5 мм ± 1.2 мм.
Ширина суставных поверхностей верхних и нижних суставных отростков колебалась в пределах от 9 мм до 14 мм, что в среднем составило 11.3 мм ± 0.2 мм. Закономерности в изменении этой величины от уровня расположения и разности между сочленующимися поверхностями выявить не удается.
В горизонтальной плоскости суставные поверхности позвонков имеют определенную кривизну, но радиус этой дуги настолько велик, что ей можно пренебречь и описать обе суставные поверхности одной общей окружностью, радиус которой колебался от 25.7 мм до 79.7 мм, и в среднем составил 45.0 мм ± 5.3 мм , а центральный угол дуги от 10.0° до 20.0° , в среднем 13.0° ± 0.8° .
Угол разворота каждой из суставных поверхностей к сагитальной плоскости колебался от -69.0° до -78.0°, в среднем -66.6° ± 0.9° и они располагались между собой под углом открытым вентрально. Величина его колебалась в пределах от 138.0° до 156.0°, и составила в среднем 145.8°± 1.9° .
В отличие от общей схемы, расположение верхних суставных поверхностей Th1 позвонка таково, что во-первых — их плоскости при пересечении образуют угол открытый дорзально величиной 152.0°± 2.0° как у ряда шейных позвонков, и во-вторых — имеют наиболее выраженную кривизну, чем у всех нижележащих грудных позвонков. Радиус этой кривизны составил 25.0 мм ±1.0 мм, а центральный угол 31.0°±1.0°.
Форма и пространственная ориентация верхних суставных поверхностей Th12 позвонка соответствует характеристикам поясничных позвонков. Радиус их кривизны варьировал в пределах от 7.3 мм до 6.5 мм, а центральный угол от 86.0 ° до 114.0 °, в среднем 100.0°±14.0°.
В горизонтальной плоскости как показали наши исследования левая и правая суставные поверхности не могут быть описаны одной окружностью. Помимо этого, в большинстве случаев, радиусы этих окружностей не одинаковы по своей величине и эта асимметрия порой резко выражена. Величина радиусов колебалась от 8.5 мм до 28.0 мм в среднем 14.1 мм ± 2.0 мм , а центральный угол от 114.0° до 36.0°, в среднем 78.0°±7.2°.
Угол разворота каждой суставной поверхности от сагиттальной плоскости постоянно нарастал в каудальном направлении от 14° до 85°, что определяло увеличение угла между правой и левой суставной поверхностью открытого дорзально от 34.0° до 145.0°.
Поясничные позвонки
В сагиттальной плоскости суставные поверхности верхних суставных отростков L1 и L2 позвонков наклонены вперед и образуют с задним контуром тела позвонка угол 7.1° ±0.8°. В отличие от них суставные поверхности L3, L4 и L5 позвонков отклонены кзади и этот угол составляет -6.2° ± 1.4°. Суставные поверхности нижних суставных отростков всех поясничных позвонков наклонены кпереди. Угол наклона составляет 9.4 °±1.6° , что при совмещении суставных отростков смежных позвонков обеспечивает образование между телами позвонков углового лордоза. Среднее его значение составляет 9.1°±5.5°, что в сумме образуют величину лордоза на протяжении L1-L5 позвонков от 14.4° до 58.4°.
Длина суставных поверхностей верхних суставных отростков равна 17.7 мм ± 1.0 мм, а нижних суставных отростков 18.6 мм ± 1.0 мм. Разница между этими величинами составила 0.8 мм ± 1.0 мм, но она статистически не достоверна.
Выстояние верхушки верхнего суставного отростка над покровной замыкательной пластинкой в среднем составила 8.0 мм ± 1.0 мм., а отстояние верхней края суставной поверхности нижнего суставного отростка от базальной замыкательной пластинкой в среднем составило
-14.6 мм ± 1.0 мм. Разность между этими величинами сочленующихся позвонков должна определить высоту межпозвонкового диска при условии совмещения этих точек выше и нижележащего позвонков. Среднее значение этой величины составило 21.5 мм ± 3.0 мм.
Во фронтальной плоскости верхние и нижние суставные поверхности располагаются под углом, открытым краниально и его величина колеблется в пределах от 5.0° до 40.0° и в среднем составляет 15.5°± 3.5°. Причем, угол развала нижних суставных поверхностей вышележащего позвонка на 5.0°-10.0° всегда превосходил угол развала верхних суставных поверхностей нижележащего позвонка. Разница статистически достоверна. (Р < 0.5) Аналогичные соотношения отмечены между углом развала верхних и нижних суставных поверхностей в каждом поясничном позвонке.
Расстояние между центрами суставных поверхностей верхних и нижних суставных отростков поясничных позвонков и суставных отростков S1 в среднем составляет 30.5 мм ± 0.8 мм. и строго соответствует друг другу в сочленяющихся парах.
Ширина суставных поверхностей верхних и нижних суставных отростков колебалась в пределах от 11 мм до 16 мм, что в среднем составило 13.3мм ± 0.6 мм. Закономерности в изменении этой величины от уровня расположения и разности между сочленяющимися поверхностями выявить не удается.
В горизонтальной плоскости левая и правая суставные поверхности не могут быть описаны одной окружностью. Помимо этого, в большинстве случаев, радиусы этих окружностей не одинаковы по своей величине и эта асимметрия порой резко выражена. Величина радиусов колебалась от 8.5 мм до 28.0 мм в среднем 14.1 мм ± 2.0 мм , а центральный угол от 114.0° до 36.0°, в среднем 78.0°±7.2°.
Угол разворота каждой суставной поверхности от сагиттальной плоскости постоянно нарастал в каудальном направлении от 14° до 85°, что определяло увеличение угла между правой и левой суставной поверхностью открытого дорзально от 34.0° до 145.0°.
Морфометрия позвонков сколиотического позвоночника
При наличии видимой деформации сколиотически измененных позвонков статистической достоверности разности с нормой большинства вышеперечисленных параметров выявить не удается. Так же не наблюдается значительной разности между показателями формы и пространственной ориентации правой и левой суставных поверхностей одного позвонка, за исключением величины центрального угла дуги суставных поверхностей. Для грудных позвонков слева 7.8°± 1.8°, а справа 15.7°±1.6°, для поясничных позвонков слева 104.0°±18.3°, а справа 88.8°±15.6°. (Р=3.) Эти отличия обусловлены уменьшенинм ширины суставной поверхности. Так для грудных позвонков эта величина составила слева 7.8 мм ± 0.9 мм, а справа 11.6 мм ± 1.4 мм.
Достоверное отличие состояло в отклонении тела позвонка от сагиттальной плоскости. Этот угол в сколиотически измененных позвонках составил для грудных позвонков 93.3°±1.4°, а для поясничных позвонков 88.8 °±3.2°. (Р= 3.) Помимо этого отсутствовало нарастание угла разворота суставных поверхностей в горизонтальной плоскости по мере снижения уровня позвонка.
Таким образом, мы пришли к следующим заключениям.
Физиологические изгибы позвоночника обусловлены различием угла наклона сочленующихся суставных поверхностей смежных позвонков.
Строгой симметрии в ориентации суставных поверхностей позвонка не наблюдается.
Расстояние между центрами суставных поверхностей уменьшается в каудальном направлении, причем наибольшее уменьшение происходит в грудном отделе позвоночника.
Переходные Th1 и Th12 позвонки имеют общие признаки строения суставных отростков смежных отделов позвоночника.
При деформации позвонков вследствие сколиотической болезни выраженных изменений формы и пространственной ориентации суставных поверхностей не возникает.
Полученные данные позволяют заложить основу для точной количественной оценки нормы и патологии строения позвонков при использовании компьютерной томографии, а так же определить граничные параметры при моделировании патологических состояний в двигательных сегментах позвоночника.