Экспериментальное исследование структуры позвонков человека в наиболее активных точках позвоночника

XXIII РЕГИОНАЛЬНЫЙ КОНГРЕСС МОЛОДЫХ ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ
«ШАГ В БУДУЩЕЕ»
Экспериментальное исследование структуры позвонков
человека в наиболее активных точках позвоночника
Авторы: Салангин Даниил Денисович; Шибанов Евгений Николаевич
г.Киров, КОГОАУ ЛЕН, 10 «В» класс
Научный руководитель: Резцов Олег Викторович
Кандидат медицинских наук, доцент
Кировский ГМУ.
2019
Экспериментальное исследование структуры позвонков
человека в наиболее активных точках позвоночника
Авторы: Салангин Даниил Денисович; Шибанов Евгений Николаевич
г.Киров, КОГОАУ ЛЕН, 10 «В» класс
АННОТАЦИЯ
В последние годы формируется мнение о том, что состояние костной ткани
является более вероятным предиктором продолжительности жизни, нежели
уровень артериального давления или холестерина. В данной работе описание
стереологической структуры отдельных позвонков в наиболее активных точках
лордоза. При движениях
наиболее часто поражается
поясничный отдел
позвоночного столба. Рассмотрена билатеральная конструкция позвонков в
наиболее активных точках позвоночного столба. с позиции уязвимости. Для
практического использования предлагается динамическая модель разгрузки
позвоночного столба с учетом коэффициентов жесткости и демпфирования.
Последнее, визуализируется
в научно обоснованной системе движений с
«разнонаправленным» пояснично-тазовым ритмом для профилактики перегрузок
позвоночного столба.
Экспериментальное исследование структуры позвонков
человека в наиболее активных точках позвоночника
Авторы: Салангин Даниил Денисович; Шибанов Евгений Николаевич
г.Киров, КОГОАУ ЛЕН, 10 «В» класс
ТЕЗИСЫ
Лабильность костной системы определяется ее постоянным разрушением и
созиданием - ремоделяцией, что приводит к обновлению в соответствии с
запросами организма в течение жизни человека.
При изучении структуры губчатого вещества кости нами было установлено, что
в зависимости от вертикальной нагрузки визуализируется разница в периметре и
площади позвонков в направлении
крестцовому
позвонку.
от первого шейного позвонка к первому
Вертикальная
нагрузка
рассредоточена
в
двух
направлениях, что объясняет овальную форму первого шейного позвонка. В
первом крестцовом позвонке из-за рассредоточения вертикальной нагрузки в трёх
направлениях имеется прямоугольная форма тела.
Имеется определенная разница
площади микрополостей справой и с левой
половины позвонков. В нашем исследовании соотношение S микрополостей
правой части /S(микрополостям левой части) демонстрирует преимущественно
правостороннюю
ориентацию
микрополостей
Соотношение
площади
микрополостей и костных балок губчатого вещества показывает в каком
направлении в течении жизни человека происходила нагрузка
позвоночного
столба. Соотношение S (микрополостей) / S(костных балок) указывает на большую
нагрузку активных точек позвонка в лордозах сверху и снизу позвоночного столба .
Для практического использования предлагается динамическая модель разгрузки
позвоночного столба с учетом коэффициентов жесткости и демпфирования.
Последнее, визуализируется
в научно обоснованной системе движений с
«разнонаправленным» пояснично-тазовым ритмом для профилактики перегрузок
позвоночного столба.
Текст работы
Экспериментальное исследование структуры позвонков
человека в наиболее активных точках позвоночника
Авторы: Салангин Даниил Денисович; Шибанов Евгений Николаевич
г.Киров, КОГОАУ ЛЕН, 10 «В» класс
Актуальность исследования: Изучение предрасполагающих факторов к заболеваниям
позвоночного столба начинается с его структуры. Г.А. Илизаров доказал, что кость
способна не только отлично восстанавливаться, но и расти в любом возрасте. Его
операции и эксперименты опровергли мнение о костях как инертных, слабо
регенерирующих тканях [1]. Актуально моделирование и ремоделирование кости [2].
Несмотря на то, что масса кости является весомым источником информации по её
механическому сопротивлению нагрузке, на сегодняшний день известно, что есть и
другие факторы также важные для установления качества кости, прогнозирования риска
переломов. В мировой практике потеря массы определяется измерением плотности
минералов кости (BMD) – золотой стандарт диагностики остеопороза. Однако, BMD
оценивает поверхностную плотность кости, а это лишь один аспект качества кости.
Существует ряд других факторов, также играющих существенную роль в формировании
качества кости, в частности – губчатая микроархитектура кости [3]. Кроме того, ученые из
России и Швеции обнаружили новый механизм роста костей в организме [4], а также
созданы полимерные модели позвонков [5].
Объект исследования: Позвонки человека
Предмет исследования: Макромикроскопическая структура позвонков человека
Цель исследования: Выявить внутреннюю структуру позвонков в наиболее активных
точках позвоночного столба человека
Задачи: 1. Сделать обзор филогенеза позвоночного столба при локомоции.
2. Изучить активные точки в позвоночном столбе и описать их макромикроскопическую
структуру.
3.Предложить динамическую модель разгрузки позвоночного столба в активных точках.
Организация исследования:
1. Изучение филогенеза позвоночного столба при локомоции (теоретический обзор)
2. .Провести распилы позвонков человека в наиболее активных точках
3. Осуществить стереологическое описание губчатого вещества позвонков в наиболее
активных точках при помощи фотодокументов.
4.
На основании выводов о нагрузке позвонков в активных точках предложить
гимнастическую разгрузку позвоночного столба в месте наибольшей нагрузки.
Материал и методы исследования: осуществляли патентный поиск по ключевым
словам, экспериментальное изготовление анатомических препаратов ( распилы отдельных
позвонков). При исследовании отдельгых позвонков позвоночного столба человека были
отобраны хорошо сохранившиеся позвонки, находящиеся в периоде постоянной и
постепенной ремоделяции.
СI
СII
СIV
THI
LV
SI
Позвонки распиливались в горизонтальной плоскости для изучения внутренней структуры
губчатого вещества. После получения распила для исследования отбирались верхние
части распила, у которых определяли морфометрических показатели. Для определения
общих показателей периметра и площади позвонков, последние отображались
масштабно-координатную
(профильную)
чертежную
бумагу
-
Приложение
на
№1.
Определение размеров и площади осуществляли в мм. Абсолютная погрешность в
единицах длины была равна Δl=0,5 миллиметра (половина цены деления миллиметровой
сетки). Макромикроскопическая стереологическая визуальная оценка проводилась на
стереомикроскопе
МБС-9,
увеличение
10-32х.
Осуществляли
топографическую
фотограмметрию макромикроскопических препаратов при помощи окуляр-микрометра.
Морфометрические
показатели
периметра
и
площади
анатомических
структур
(микрополости и костные балки) фиксировали в специально разработанную таблицу.
Результаты работы и их обсуждение:
Таблица 1. Морфометрические показатели наружной и внутренней структуры
отдельных позвонков человека.
Позвонки
СI
СII
СIV
THI
LV
SI
1.Фронтальный размер
14,9
12,9
26,9
30,0
33,8
49,8
35,5
18,5
18.,5
16,0
16,5
17,4
33,1
23,6
59
89
118
152
91,5
598,33
282,9
597,5
790,0
1368,54
571,7
5. S губчатого вещества 298,75
142,9
299,75
394,8
685
284,55
тела позвонка (мм)
2.Сагиттальный размер
тела позвонка(мм)
3. P тела позвонка(мм)
143
Лево- Право73
4. S губчатого
70
вещества (мм2)
правой половины тела
позвонка (мм2)
6. S губчатого вещества 299,58
140,0
297,75
395,2
683,54
287,15
214,76
182,77
349,96
466,1525
911,95
424,57
106,83
119,4
211,2
273,885
530,02
237,5
107,93
63,88
138,68
192,625
381,925
187,07
0,99/1
1,87/1
1,52/1
1,42/1
1,39/1
1,27/1
383,57
99,62
247,54
323,8475
456,59
147,13
191,92
23,5
88,55
120,915
154,98
47,05
191,65
76,12
158,89
202,575
301,615
100,08
1/1,78
1,87/1
1,41/1
1,7/1
1,997/1
2,91/1
левой половины тела
позвонка(мм2)
7. S микрополостей
тела позвонка (мм2)
8. S микрополостей
правой половины тела
позвонка (мм2)
9. S микрополостей
левой половины тела
позвонка (мм2)
10.S микрополостей
правой части
/S(микрополостей
левой части)
11. S костных балок
(мм2)
12. S костных балок
правой половины (мм2)
13.S костных балок
левой половины (мм2)
14. S(микрополостей)/
S(костных балок)
Доказано,
что
в
филогенезе
скелет
развивался
как
опорная
система,
и
совершенствование его шло в направлении повышения биомеханических свойств упругости, твердости с одновременной легкостью. Совершенствуясь в процессе
филогенеза, костные органы приобрели способность быстро перестраивать свои
структуры и реагировать на механические воздействия, возникающие при движении, что в
свою очередь привело к активному участию их в трофических и кроветворных функциях и
поставило эти функции в зависимость от движения животного. Таким образом, костная
система млекопитающих и птиц стала не только опорной конструкцией, но и
поставщиком полипотентных клеток гемопоэза и иммуногенеза, участником обмена
веществ
(особенно
минерального:
Са,
Р),
источником
пъезоэлектричества,
электролитического баланса организма. Лабильность костной системы определяется ее
постоянным разрушением и созиданием - ремоделяцией, что приводит к обновлению
в соответствии с запросами всего организма. Следовательно, процессы морфогенеза
кости и поддержание его структурно-функционального гомеостаза обеспечиваются
механизмами тканевого, органного, системного и организменного уровней [6].
Рис1. Губчатое вещество кости в различные возрастные периоды (по Зедгенидзе)
Костная ткань млекопитающих и птиц в зависимости от характера действия
биомеханической нагрузки формируется в двух направлениях: там, где кость испытывает
больше силы на излом, строится компактное вещество кости, там, где действуют больше
силы сжатия, формируется губчатое вещество (спонгиоза). Под действием механической
нагрузки в костях возникают упругие деформации, силы и энергия которых оказывают
влияние не только на кость, но и на ее рецепторный аппарат (посылая эфферентные
импульсы в мозг) и на условия оттока и лимфы по сосудам (направляя кровь в сердце).
Биомеханический фактор, действующий на скелет, явился той необходимой причиной,
тем стимулом, который помимо основной филогенетически более древней опорнодвигательной функции скелета обусловил в кости кроветворение, электролитические и
трофические
функции,
обеспечивающие
гомеостаз
организма.
Влияние
биомеханического фактора на физиологическую перестройку костной ткани
человека и животных в возрастном аспекте характеризуется периодичностью
процессов резорбции и костеобразования. Криштофорова Б.В. [7], исследуя костную
систему крупного рогатого скота и кур в постнатальном онтогенезе при различной
локомоции с учетом кормления и содержания, установила четыре основных периода:1 замедленного роста и развития; 2- интенсивного роста и замедленного развития; 3замедленного
ремоделяции.
роста
Автор
и
интенсивного
[7],
отмечает,
развития;
что
4-4-постоянной
действие
и
постепенной
гиподинамии
изменяет
последовательность стадийности созревания костных структур и увеличивает одни и
сокращает другие периоды роста и развития костей.
При изучении структуры губчатого
вещества костим нами было установлено, что в зависимости от вертикальной нагрузки
визуализируется разница в периметре и
(строки: 1 – 4, Таблица.1) .
площади позвонков в направлении CI → SI
Следует отметить, что в CI вертикальная нагрузка
рассредоточена в двух направлениях, что объясняет овальную форму первого шейного
позвонка. В SI из-за рассредоточения вертикальной нагрузки в трёх направлениях имеется
прямоугольная форма тела первого крестцового позвонка. Имеется определенная разница
площади микрополостей справой и с левой половины позвонков (строки: 4 – 9,
Таблица.1). Соотношение S микрополостей правой части /S(микрополостям левой части)
демонстрирует преимущественно правостороннюю ориентацию микрополостей (строка:
10, Таблица.1). Соотношение площади микрополостей и костных балок губчатого
вещества показывает в каком направлении в течении жизни человека происходила
нагрузка
позвоночного столба (строки: 11 – 14 Таблица.1). Соотношение S
(микрополостей) / S(костных балок) указывает на большую нагрузку активных точек
позвонка в лордозах сверху и снизу позвоночного столба (см. Рис.2)
Рис.2. Наиболее подвижные точки позвоночника у взрослого: атлантозатылочное
соединение; ThI и CVII; ThXII и LI; LV и SI по Краев А.В., Резцов О.В. [8].
На основании полученных данных мы проанализировали ряд работ по выбранным нами
пунктам уязвимости позвоночного столба: 1. Нарушение подвижности позвоночного
столба; 2. Изменения при опухолевых процессах; 3. Фитнес технологии, направленные на
разгрузку позвоночного столба. По 1 пункту в работе [9] при изучении информативности
данных тестов подвижности позвоночника показало, что у пациентов, имеющего диагноз
«остеохондроз» отмечается существенное снижение подвижности позвоночника (до
90,7%). У отдельных пациентов объем движений составлял лишь 25–30% от среднего
показателя группы здоровых. По 2 пункту в работе [10] мы не нашли данных о
преимущественном поражении отдельных позвонков позвоночного столба. По 3 пункту в
работе [11] мы обнаружили существенную проработку вопроса разгрузки позвоночного
столба. Таким образом, наше исследование позволило прийти к следующим выводам.
Выводы: 1. В результате изучения литературных данных по филогенезу при локомоциях
установлено, что влияние биомеханического фактора на физиологическую перестройку
костной ткани человека и животных в возрастном аспекте характеризуется
периодичностью процессов резорбции и костеобразования или актуальной ремоделяцией.
2. При собственном экспериментальном изучении макромикроскопического строения
позвонков в активных точках выявляется полостная и костная микроструктурность, по
которой, возможно, установить симметричность нагрузки на позвоночный столб.
3. В результате анализа литературных данных по разгрузке позвоночного столба
определена
гимнастическая
система
разгрузки
наиболее
нагруженного
отдела
позвоночного столба - поясничного
Практическая значимость работы: при представлении визуализированных данных
возможно распространение опыта доказательной морфологии
на профилактику
заболеваний позвоночного столба
Заключение:
Для сбалансированной структуры позвоночного столба оптимальны гимнастические
пояснично-тазовые ритмы, при которых таз вращается вокруг закреплённых бедренных
костей. А) «Однонаправленный» ритм — поясничный отдел позвоночника вращается в
одном направлении с тазом, таким образом, усиливается общее движение туловища.
В) «Разнонаправленный» ритм – поясничный отдел и таз вращаются в противоположных
направлениях. Данные ритмы обеспечивают симметричность ремодуляции внутренней
структуры кости.
Литература
[1]. Каркищенко Н.Н. Основы биомоделирования. – М.: Изд-во ВПК. 2004 – 606 с.
[2]. Н.В. Дедух, Д.М. Пошелок, С.В. Малышкина МОДЕЛИРОВАНИЕ И
РЕМОДЕЛИРОВАНИЕ КОСТИ (обзор литературы) Український морфологічний
альманах, 2014, Том 12, № 1 c107-111
[3]. Статья Валдир Л.Роке Моделирование губчатой костной ткани посредством 3D печати
физических копий с.130-144. Из книги: c107-111 Доступная 3D печать для науки,
образования и устойчивого развития. Изд-во МЦТФ 2013 – 192с.
[4]. https: //www.sechenov.ru/
[5]. https: //www.structum.ru›/
[6]. Гаврилин П. Н. Морфофункциональные особенности костной и иммунной систем
телочек новорожденного и молочного периодов при различной двигательной активности:
автореф. дис…. канд. вет. наук / П. Н. Гаврилин - Киев, 1992. - 20 с.
[7]. Криштофорова Б. В. Морфофункциональный адаптогенез, периодизация роста и
развития млекопитающих и птиц различной локомоции / Б. В. Криштофорова, П. Н.
Гаврилин // Влияние антропогенных факторов на структурные преобразования органов,
тканей, клеток человека и животных: Материалы 2-ой Всероссийской конф. - Саратов,
1993, Ч. 2. - С. 27.
[8]. Краев А.В., Резцов О.В. Анатомия человека / Краев А. В., Резцов О. В. Анатомия
человека: Учебное пособие. – М.: Издательство «БИНОМ», 2016. – С. 960.
[9]. Н.М. Ястребков БИОМЕХАНИКА ПОЗВОНОЧНИКА И КРАТКИЕ
АНАТОМИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ( лекция по военной ортопедии и травматологии).
Военно-медицинская академия им.С.М.Кирова, 2003.
[10]. http://onkolog-24.ru/metastazirovanie-pri-rake-kostej.html
[11]. Сергей Струков. Основы фитнес тренировки , К., ООО «Креалайн», 2015, 503 с.