Почему болит колено: биомеханика движений

В ответе на вопрос Почему болит колено? биомеханика движений структур коленного сустава, наверное, играет одну из ключевых ролей.

В норме скоординированные усилия костно-мышечной, нервной системы и вестибулярного аппарата направлены на поддержку равновесия и обеспечивают наиболее физиологичное положения тела в покое и при движении. В результате сводится к минимуму расход энергии, снижается нагрузка на кости, суставы и мягкие ткани в том числе и нижних конечностей. Вследствие неправильного механического взаимодействия различных структур происходит повреждение поверхностей костей и суставов, развиваются воспалительные и дегенеративные реакции.

В этой статье мы разберем следующие биомеханические характеристики и их роль в появлении боли в колене: положение стопы (и голеностопного сустава), величина угла Q, работа мышц нижней конечности.

Почему болит колено: биомеханика движений стопы и голеностопного сустава

В среднем человек делает от 7 000 до 13 000 шагов в день. Каждый из этих шагов оказывает давление на наши нижние конечности. И распределение этого давления начинается со стопы. То, как ступня взаимодействует с землей, может существенно повлиять на нагрузку на суставы, расположенные выше, особенно на коленные.

Как правило, форма стопы и ее положение принадлежит к одной из пяти категорий:

  • Нормальная стопа.
  • Стопа с уплощенным сводом (плоскостопие).
  • Стопа с высоким сводом.
  • Стопа с чрезмерной пронацией.
  • Стопа с чрезмерной супинацией.

В идеале, когда мы ходим или бежим, наша пятка касается земли, затем вес переносится на середину стопы, а затем на пальцы ног. Причем во время этих действий стопа последовательно превращается из гибкого амортизатора, поглощающего удары и адаптирующегося к земле, в жесткий рычаг, толкающий тело вверх и вперед.

Свод стопы – комбинация костей, связок и сухожилий. Такая конструкция способна пружинить и поглощать большую часть нагрузки, оказываемую на конечность.

Почему болит колено: биомеханика

Существует функциональная взаимосвязь между структурой свода стопы и биомеханикой ноги: при изменении высоты свода происходит перераспределение нагрузки (красный цвет – максимальная нагрузка, сине-голубой – минимальная)

Пронация и супинация – динамические термины. В момент касания пяткой стопа находится в положении пронации. То есть наружный край стопы немного приподнят, а внутренний – слегка опущен относительно горизонтальной опорной поверхности. За счёт пронации организм сглаживает удар в самом начале постановки стопы на землю, удерживает равновесие на неровной поверхности и «заряжает» стопу на отталкивание.

В положение супинации стопа переходит, когда полностью соприкасается с поверхностью. При этом она как-бы выворачивается во внешнюю сторону, весь упор переносится на наружную поверхность, и стопа превращается в жесткий рычаг. Благодаря этому происходит дальнейшая компенсация силы удара о поверхность во время движения, поддерживается равновесие и распределение веса в момент отталкивания и приземления, нашим движениям придается четкое направление.

В нормальном состоянии стопы пронация (отклонение от нейтральной позиции на 15-20о) и супинация (отклонение от нейтральной позиции на 5-8о) дополняют друг друга и приводят стопу в нейтральное положение после движения. Однако, бывают состояния недостаточного (гипопронация и гипосупинация) или избыточного (гиперпронация и гиперсупинация) отклонения.

Почему болит колено: биомеханика

Гипопронация или гиперсупинация стопы встречаются достаточно редко. При движении основной удар приходится на внешнюю часть стопы. В результате из процесса амортизации исключаются другие структуры (например, свод стопы). Избыточная нагрузка передается на связочно-мышечный аппарат наружной поверхности стопы и вышележащих суставов. В частности, на коленный сустав оказывается повышенное варусное давление.

Но чаще всего мы встречаемся с проблемой «заваливания» стопы внутрь, или гиперпронацией. Причем такое состояние возможно и при нарушении уровня высоты свода (например, плоскостопие) и/или мышечной слабости. В данном случае нарушенная биомеханика приводит к увеличению вальгусного давления на коленный сустав.

Почему болит колено: биомеханика

Изменение распределения нагрузки на вышестоящие суставы при гиперпронации

Почему болит колено: биомеханика угла Q (Q-angle, угол четырехглавой мышцы)

Мышцы и структуры передней части бедра образуют аппарат разгибателей. Это четырехглавая мышца, сухожилия четырехглавой мышцы, надколенник, связка надколенника. Когда волокна четырехглавой мышцы сокращаются, механизм приводится в движение, и коленный сустав разгибается.

Почему болит колено: биомеханика

Направление и величина силы четырехглавой мышцы бедра оказывают большое влияние на биомеханику коленного сустава в целом и на движение коленной чашечки в частности. Вектор силы квадрицепса ориентирован латерально по отношению к линии сустава

В центре этого механизма находится коленная чашечка, которая скользит по пателлофеморальной борозде. С помощью угла Q оценивается сила смещения надколенника при сокращении разгибательного аппарата. При правильном соотношении всех сил надколенник не выходит за пределы борозды и не оказывает дополнительного давления на хрящевые поверхности.

Угол Q образован во фронтальной плоскости двумя прямыми. Первая – идет от передней верхней ости подвздошной кости до центра надколенника, вторая – проводится от центра надколенника до бугристости большеберцовой кости. Измеряется угол наклона в положении полного разгибания и сгибания колена. При разгибании среднее значение составляет 14 ±3о у мужчин и 17±3о у женщин. Во время сгибания – уменьшается до 8о.

Почему болит колено: биомеханика

При сокращении четырехглавой мышцы угол сглаживается, бедренная и большеберцовая кости выстраиваются по прямой, выталкивая надколенник вперед. Если по какой-либо причине угол увеличен, надколенник смещается не только вперед на большее расстояние, но и вбок (латеральнее), усиливая давление на окружающие ткани. Скольжение по борозде нарушается, что приводит к проблемам: повреждению суставной поверхности и мышечному дисбалансу. Любое увеличение угла считается фактором риска подвывиха надколенника.

Почему болит колено: биомеханика

Повышение латеральной нагрузки при увеличении угла Q может увеличивать давление надколенника на наружный край пателлофеморальной борозды бедренной кости

Необходимо также отметить еще два факта нарушения биомеханики структур коленного сустава при увеличении угла Q:

  • Изменяется положение стопы и происходит ее гиперпронация.
  • Растягиваются связки сустава.
    Особенно это касается передней крестообразной и медиальной коллатеральной связок. Поэтому неудивительно: больший угол Q у женщин считается основной причиной, по которой они подвергаются более высокому риску травмы ПКС.

Почему болит колено: биомеханика мышц нижней конечности

Как уже было сказано выше мышцы и структуры передней части бедра образуют аппарат разгибателей коленного сустава и голени. При разгибании контроль за положением надколенника в пателлофеморальной борозде осуществляют две мышцы: медиальная широкая мышца бедра и латеральная широкая мышца бедра. Медиальная мышца проходит по внутренней стороне бедра, а латеральная – по внешней стороне бедра. Если синхронизация между этими двумя мышцами нарушается, то нарушается и движение коленной чашечки. Она как бы оттягивается в какую-то одну сторону. Выход надколенника из пателлофеморальной борозды приводит к увеличению нагрузки на часть суставной поверхности. Это влечет за собой повреждение хряща и его дегенерацию.

Почему болит колено: биомеханика

Особое внимание хотелось бы уделить мышцам VMO. Vastus Medialis Oblique (VMO) – косая часть широкой медиальной мышцы (медиальной головки четырехглавой мышцы). Находится на внутренней стороне колена. Является основным медиальным стабилизатором надколенника во время разгибания коленного сустава. Она удерживает коленную чашечку посередине пателлофеморальной борозды и обеспечивает плавное скольжение при любом движении ноги.

Почему болит колено: биомеханика

Если мышцы VMO слабые, коленная чашечка немного смещается к внешней стороне колена. Со временем неправильная траектория скольжения надколенника становится постоянной, что приводит к боли и раздражению.

Смещение надколенника могут вызвать и другие мышцы. Наиболее часто это:

  • Напряжение подвздошно-большеберцового тракта: вызывает наружную ротацию большеберцовой кости и латеральное смещение надколенника.
  • Напряжения хамстринга: вызывает повышенное давление со стороны задней группы мышц на коленный сустав. Такое давление нарушает взаиморасположение бедренной кости и надколенника, смещая последний вперед.
  • Слабость или укорочение мышц бедра, напряжение или укорочение мышц голени: может привести к гиперэкстензии коленного сустава (колено слишком сильно выгибается назад) или к компенсаторной пронации стопы и голени. Оба случая вызывают повышенное давление на коленный сустав по направлению сзади-вперед, что нарушает взаиморасположение бедренной кости и надколенника: надколенник выталкивается вперед.

Статья Почему болит колено: биомеханика движений является дополнением к статье Почему болит колено?, в которой описываются другие причины появления болей в коленном суставе.

Об основных симптомах заболеваний и травм коленного сустава можно прочитать здесь.

Посетите раздел Диагностики боли в колене, чтобы предположить, что означают ваши симптомы, определяя, где они находятся.