Анатомия и физиология человека - И. В. Гайворонский 2011
Костная система
Общие положения
Остеология — это учение о костях. В течение жизни у человека образуется более 800 отдельных костных элементов, из них 270 формируются во внутриутробном периоде, остальные — после рождения. Большая часть отдельных костных элементов срастается между собой и в связи с этим скелет взрослого человека содержит только 206 костей. Кости вместе с их соединениями в организме человека составляют скелет (рис. 4.1 и 4.2), который выполняет в организме различные функции.
Функции скелета. Прежде всего, кости туловища и нижних конечностей выполняют опорную функцию для мягких тканей (мышц, связок, фасций, внутренних органов). Большинство костей играют роль рычагов. К ним прикрепляются мышцы, которые обеспечивают локомоторную функцию (перемещение тела в пространстве). Обе названные функции позволяют назвать скелет пассивной частью опорно-двигательного аппарата. Скелет человека представляет собой антигравитационную конструкцию, которая противодействует силе земного притяжения.
Кости черепа, туловища и тазовые кости выполняют защитную функцию от возможных повреждений жизненно важных органов, крупных сосудов и нервов (в черепе помещается головной мозг, органы зрения, слуха и равновесия; в позвоночном канале расположен спинной мозг; грудная клетка защищает сердце, легкие, крупные сосуды и нервные стволы; тазовые кости предохраняют от повреждений прямую кишку, мочевой пузырь и внутренние половые органы).
Большинство костей содержат внутри красный костный мозг, который выполняет кроветворную функцию, а также является органом иммунной системы. Кости принимают участие в минеральном обмене, так как в них депонируются многочисленные химические элементы, преимущественно соли кальция, фосфора.
Кость как орган. Кость, os, — это орган, являющийся компонентом системы органов опоры и движения, имеющий типичную форму и строение, характерную архитектонику сосудов и нервов, построенный преимущественно из костной ткани, покрытый снаружи надкостницей и содержащий внутри костный мозг.
Рис. 4.1. Скелет человека (вид спереди):
I — череп; 2 — грудина; 3 — ключица; 4 — ребра; 5 — плечевая кость; 6 — локтевая кость; 7 — лучевая кость; 8 — кости кисти; 9 — тазовая кость; 10 — бедренная кость;
II — надколенник; 12 — малоберцовая кость; 13 — большеберцовая кость; 14 — кости стопы
Рис. 4.2. Скелет человека (вид сзади):
1 — теменная кость; 2 — затылочная кость; 3 — лопатка; 4 — плечевая кость; 5 — ребра; 6 — позвонки; 7 — кости предплечья; 8 — кости запястья; 9 — кости пясти; 10 — фаланги пальцев кисти; 11 — бедренная кость; 12 — большеберцовая кость; 13 — малоберцовая кость; 14 — кости предплюсны; 75 — кости плюсны; 16 — фаланги пальцев стопы
Рис. 4.3. Внешнее строение плечевой кости:
1 — проксимальный (верхний) эпифиз; 2 — диафиз (тело); 3 — дистальный (нижний) эпифиз; 4 — надкостница
Надкостница, periosteum, покрывает кость снаружи (рис. 4.3), за исключением тех мест, где расположен суставной хрящ и прикрепляются сухожилия мышц или связки. Она отграничивает кость от окружающих тканей, представляет собой тонкую, прочную пленку, построенную из плотной соединительной ткани, в которой расположены нервы, кровеносные и лимфатические сосуды. Последние проникают из надкостницы в вещество кости.
Большую роль надкостница играет в развитии (росте в толщину) и питании кости. В ее внутреннем слое образуется костная ткань.
Кость, лишенная надкостницы, становится нежизнеспособной.
Практически все кости имеют суставные поверхности для сочленения с другими костями, которые покрыты не надкостницей, а суставным хрящом. По строению суставной хрящ чаще является гиалиновым и реже — волокнистым.
Внутри большинства костей в ячейках между пластинками губчатого вещества, или в костномозговой полости, находится костный мозг. Он бывает красным и желтым. У плодов и новорожденных в костях содержится только красный (кроветворный) костный мозг, medulla osseum rubra. Общее количество красного костного мозга составляет около 1500 см3. У взрослого человека красный костный мозг частично заменяется желтым — medulla osseum flava, который в основном представлен жировыми клетками и расположен в пределах костномозговой полости. Изнутри костномозговая полость выстлана специальной оболочкой, получившей название эндоста.
На распиле кости видны два вида костного вещества: компактное и губчатое (рис. 4.4). Компактное вещество, substantia compacta, расположено снаружи и представлено сплошной костной массой. Костные пластинки, образованные костными клетками, в компактном веществе располагаются очень близко друг к другу. Компактное вещество тонким слоем покрывает эпифизы трубчатых и плоских костей. Полностью из компактного вещества построены диафизы трубчатых костей. Губчатое вещество, substantia spongiosa, представлено редко расположенными костными пластинками, в ячейках между которыми содержится красный костный мозг. Из губчатого вещества построены эпифизы трубчатых костей, тела позвонков, ребра, грудина, тазовые кости, ряд костей кисти и стопы.
Рис. 4.4. Внутреннее строение проксимального эпифиза бедренной кости:
1 — проксимальный (верхний) эпифиз; 2 — метафиз; 3 — губчатое вещество; 4 — компактное вещество; 5 — костномозговая полость; 6 — диафиз (тело)
Компактное вещество у этих костей образует лишь поверхностный слой.
Структурно-функциональной единицей кости является остеон, или гаверсова система, который представлен концентрически расположенными костными пластинками (гаверсовыми), которые в виде цилиндров разного диаметра вложены друг в друга и окружают гаверсов канал (рис. 4.5). В последнем проходят кровеносные сосуды и нервы. Между остеонами расположены вставочные, или промежуточные, пластинки, которые идут во всех направлениях. В костях постоянно происходят процессы новообразования и разрушения остеонов. Вставочные пластинки представляют собой оставшиеся части подвергшихся разрушению старых остеонов.
Диафиз трубчатой кости представляет собой полый цилиндр, стенками которого является компактное вещество. Полость диафиза называется костномозговым каналом. Этот канал заполнен красным или желтым костным мозгом.
Рис. 4.5. Строение остеона:
а — костная ткань; б — остеон (реконструкция); в — продольный срез остеона
Эпифизы трубчатой кости построены из губчатого вещества. Компактное вещество покрывает эпифизы только снаружи сравнительно тонким слоем. Аналогичное строение имеют широкие и короткие кости. Пластинки губчатого вещества в каждой кости расположены строго упорядоченно: они совпадают с направлением сил наибольшего сжатия и растяжения.
Известно, что в архитектурных сооружениях полые колонны (трубчатые) имеют большую прочность на единицу массы, чем цельные. Следовательно, остеонная конструкция обеспечивает высокую степень прочности кости. Группы остеонов, располагаясь по линиям наибольших нагрузок, формируют костные перекладины губчатого вещества и костные пластинки компактного вещества. При усилении или ослаблении функциональных нагрузок архитектоника губчатого вещества изменяется, часть перекладин рассасывается или развиваются новые системы костных балок. После срастания переломов изменяется трубчатая структура кости (как макро-, так и микроскопическая) и существенно снижается ее механическая прочность.
Прочность кости у здорового взрослого человека больше, чем прочность некоторых строительных материалов: она примерно такая же, как у чугуна. Исследования по изучению прочности проводились еще в XIX в. Так, по данным П.Ф.Лесгафта, бедренная кость человека при растяжении выдерживала нагрузку 5500 Н/см2, при сжатии — 7787 Н/см2. Большеберцовая кость выдерживала при сжатии нагрузку 1650 Н/см2, что может сравниться с грузом, равным массе тел более чем 20 человек. Указанные цифры свидетельствуют о высокой степени резервных возможностей костей по отношению к различным нагрузкам.
Упругость — это свойство возвращать исходную форму после прекращения действия внешней среды. Упругость кости равна упругости твердых пород дерева. Она, так же как и прочность, зависит от макро- и микроскопического строения и химического состава кости.
Химический состав кости. Химический состав кости зависит от ее состояния, возрастных и индивидуальных особенностей. Свежая кость взрослого человека содержит 50 % воды, 16 % жира, 12 % органических и 22 % неорганических веществ. Высушенная и обезвоженная кость примерно на 2/3 состоит из неорганического вещества и на 1/3— из органического.
Неорганическое вещество представлено преимущественно солями кальция в виде субмикроскопических кристаллов гидроксиапатита. С помощью электронного микроскопа установлено, что оси кристаллов параллельны костным волокнам. Из кристаллов гидроксиапатита формируются минеральные волокна.
Органическое вещество кости называется «оссеин». Это белок, представляющий собой разновидность коллагена и образующий основное вещество кости. Синтезируется оссеин костными клетками — остеобластами. Следует отметить, что костный матрикс кроме оссеина содержит минеральные вещества.
Если обработать кость кислотой, т.е. провести декальцинацию, то минеральные соли удаляются. Такая кость, состоящая только из органического вещества, сохраняет все детали формы, но отличается чрезвычайной гибкостью и эластичностью. При удалении органического вещества путем сжигания эластичность кости теряется, а оставшееся вещество становится хрупким. Неорганические вещества придают кости прочность и хрупкость.
Количественное соотношение органических и неорганических веществ в костях зависит прежде всего от возраста и изменяется под влиянием различных причин (климатических условий, питания, заболеваний организма). Так, у детей кости значительно беднее минеральными веществами (неорганическими), поэтому отличаются большей гибкостью и меньшей твердостью. У пожилых людей, наоборот, уменьшается количество органических веществ. В этом возрасте кости становятся более хрупкими, при травмах в них часто возникают переломы.
Развитие костей. Костная ткань начинает формироваться у человеческого зародыша в середине II месяца внутриутробной жизни, когда уже сформировались все остальные ткани. Развитие костей может происходить двумя способами: на основе соединительной ткани и на основе хряща.
Кости, формирующиеся на основе соединительной ткани, называются первичными. К ним относятся кости крыши черепа, кости лицевого черепа. Процесс окостенения первичных костей носит название «эндесмальный». Он осуществляется следующим образом: в центре соединительнотканной закладки появляется точка окостенения, которая затем разрастается в глубину и по поверхности. В конечном итоге от первоначального соединительнотканного пласта неизменным остается лишь самый поверхностный слой, который затем превращается в надкостницу.
Кости, развивающиеся на основе хряща, называют вторичными: они проходят соединительнотканную, хрящевую и, в последнюю очередь, костную стадии. К вторичным костям относятся кости основания черепа, туловища и конечностей.
Рассмотрим развитие вторичной кости на примере длинной трубчатой кости. К концу II месяца внутриутробного периода на месте будущей кости определяется хрящевая закладка, которая по форме напоминает кость. Хрящевая закладка покрыта надхрящницей. В области будущего диафиза кости надхрящница превращается в надкостницу. Под ней откладываются соли кальция, и хрящевые клетки начинают погибать. На их месте из надкостницы появляются костные клетки — остеобласты, и окостенение идет от периферии вовнутрь. Этот этап окостенения вторичных костей называют перихондральным. В дальнейшем отмечается постепенное нарастание новых слоев кости со стороны надкостницы.
В эпифизах окостенение начинается позже: из костной точки, появляющейся внутри хрящевой закладки эпифиза и идет от центра к периферии. Данный процесс окостенения называют энхондральным. После завершения энхондрального окостенения за счет надкостницы по краю хрящевой закладки эпифиза развивается периостальная кость — тонкая пластинка компактного вещества. Хрящевая прослойка остается между эпифизом и диафизом — это метаэпифизарный хрящ. Он является зоной роста кости в длину и после прекращения роста кости исчезает.
В длинных трубчатых костях (бедренной, плечевой, костях голени и предплечья) обычно формируются отдельные точки окостенения в каждом эпифизе. Прирастание эпифизов к диафизу происходит после рождения. Так, нижний эпифиз большеберцовой кости прирастает к 22-летнему возрасту, а верхний — к 24-летнему. В эпифизах некоторых трубчатых костей появляется одновременно несколько точек окостенения. Так, например, в верхнем эпифизе плечевой кости — три точки, в нижнем — четыре. Объемные кости и кости основания черепа также окостеневают по энхондральному типу. В плоских костях процесс окостенения идет в обратном порядке, т.е. периостальное окостенение предшествует энхондральному.
Процесс окостенения скелета у ребенка может ускоряться или замедляться, что обусловлено генетическими и гормональными факторами, различными воздействиями окружающей среды. Для оценки процесса развития скелета введено понятие «костный возраст», о котором судят по числу точек окостенения в костях и по срокам их слияния. Для этого обычно делают рентгеновские снимки кисти, так как в этой части тела особенно четко выявляется возрастная динамика появления точек окостенения. Костный возраст не всегда совпадает с паспортным. Так, у одних детей процесс окостенения завершается на 1 — 2 года раньше положенного срока, у других — на 1 — 2 года отстает. Начиная с 9 лет, отчетливо выявляются половые различия окостенения, у девочек этот процесс происходит быстрее. Рост тела в высоту у девушек завершается в 16 —17 лет, у юношей — в 17—18 лет. В дальнейшем прирост длины тела составляет около 2 %.
При старении в различных частях скелета происходит разрежение кости — остеопороз. В трубчатых костях отмечается рассасывание кости на внутренней поверхности диафиза, в результате расширяется костномозговая полость. Вместе с этим наблюдается отложение солей кальция и развитие костной ткани на внешней поверхности костей, под надкостницей. Нередко в местах прикрепления связок и сухожилий, а также по краям суставных поверхностей формируются костные выросты — остеофиты.
Классификация костей. Подходы к классификации костей весьма разнообразны. Наиболее целесообразно классифицировать кости по расположению, форме и строению, развитию.
По расположению выделяют: кости черепа, кости туловища и конечностей.
По форме и строению различают четыре вида костей туловища и конечностей: трубчатые, плоские, объемные и смешанные.
По развитию кости классифицируют на первичные (развиваются из соединительной ткани), вторичные (развиваются из хряща) и смешанные.
Трубчатые кости на распиле имеют в диафизе полость. По величине они могут быть разделены на длинные (плечевая, кости предплечья, бедренная, кости голени, ключица) и короткие (кости пясти, плюсны, фаланги пальцев).
Плоские кости на распиле представлены преимущественно однородной массой губчатого вещества. Они обширны по площади, но толщина их незначительна (тазовые кости, грудина, лопатки, ребра). Объемные кости в большинстве случаев, так же как и плоские, на распиле содержат однородную массу губчатого вещества; их длина, высота и ширина примерно одинаковы (кости запястья, кости предплюсны). Смешанные кости отличаются специфичностью и сложностью формы. В их составе встречаются элементы строения объемных и плоских костей (позвонки).
Кости черепа также различаются по расположению, развитию и строению. По расположению их подразделяют на кости мозгового черепа и лицевого черепа, по развитию — на первичные (эндесмальные) и вторичные (энхондральные).
По внутреннему строению выделяют три вида костей черепа:
1) кости, состоящие из диплоического вещества (губчатого вещества с мелкими ячейками), — диплоические (теменная, затылочная, лобная кости, нижняя челюсть);
2) кости, содержащие воздушные полости, — пневматизированные (височная, клиновидная, решетчатая, лобная кости и верхняя челюсть);
3) кости, построенные преимущественно из компактного вещества, — компактные (слезная, скуловая, нёбная, носовая кость, нижняя носовая раковина, сошник, подъязычная кость).