Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы
1.1. Фило- и онтогенез пяточной кости человека 12
1.2. Современные представления об анатомической изменчивости пяточной кости стопы человека 19
1.3. Маркеры половой изменчивости пяточной кости стопы человека .23
ГЛАВА 2. Материал и методы исследования .31
ГЛАВА 3. Результаты собственных исследований
3.1. Анатомическая изменчивость пяточной кости человека по формам
суставных поверхностей 45
3.2. Анатомическая половая изменчивость пяточной кости человека по данным прямой остеометрии 47
3.3. Анатомическая половая изменчивость пяточной кости по данным рентгеностеометрии .76
3.4. Анатомическая половая изменчивость индексов отношений параметров прямой и рентгеностеометрии пяточной кости .78
3.5. Дискриминантный анализ половой изменчивости остеометрических параметров и указателей пяточной кости 88
ГЛАВА 4. Обсуждение результатов исследования 93
Выводы 104
Практические рекомендации 106
Список литературы
- Современные представления об анатомической изменчивости пяточной кости стопы человека
- Маркеры половой изменчивости пяточной кости стопы человека
- Анатомическая половая изменчивость пяточной кости человека по данным прямой остеометрии
- Анатомическая половая изменчивость индексов отношений параметров прямой и рентгеностеометрии пяточной кости
Современные представления об анатомической изменчивости пяточной кости стопы человека
В связи с прямохождением стопа человека претерпела множество преобразований по сравнению со стопами других позвоночных. Конечности позвоночных появились в филогенезе путем длительного изменения плавников кистеперых рыб, приспособившихся к новым условиям существования - передвижению по суше. Среди позвоночных появился новый класс - земноводные (амфибии), у которых конечности из плавникообразных преобразуются в ногообразные. Преобразования происходили в сторону укрепления поясов конечностей около осевого скелета и приобретения возможности за счет двух пар трехчленных свободных конечностей приподнять тело от земли, обеспечивая одновременно устойчивое положение его на земной поверхности. Передвижение благодаря конечностям стало возможным только в случае их трхзвеньевого строения. У низших позвоночных (амфибий, рептилий), сегменты конечностей соединяясь между собой подвижно с помощью суставов, образуют углы, часть из которых располагается во фронтальной плоскости (их вершины направлены латерально). Первое звено – стилоподий (stylopodium) - бедро, второе - зейгоподий (zeugopodium) - голень, третье -автоподий (autopodium) - стопа. Такое расположение и сочетание звеньев дат возможность легко опустить тело на землю, позволяя отдохнуть конечностям, или приподнять его над землей. При таком способе происходит не прямолинейное, а зигзагообразноое движение тела, так как туловище при этом изгибается в сторону, противоположную направленной вперед конечности. Третье звено (autopodium) многолучевое, обеспечивает опору на землю. При дальнейшей эволюции с усовершенствованием конечностей количество лучей в автоподии приматов меняется до пяти [Гримм Г., 1966, Карлосон Б.М., 1983, Рогинский Я.Я., 1955, Olievier G., 1960].
У четвероногих млекопитающих в связи с приспособлением к более быстрому передвижению происходят дальнейшие значительные изменения в конечностях. Они идут в трех направлениях: 1) изменяется положение конечности по отношению к туловищу; 2) удлиняется голень; 3) уменьшается площадь соприкосновения с земной поверхностью [Акаевский А.И., 1984].
Прямохождение с опорой на стопу определяется, в первую очередь, комплексом «тибиализации», т.е. приведением и укреплением первого луча, принимающего большее участие в образовании опорной поверхности стопы, массивностью I плюсневой кости, пропорциями рычагов стопы, связанными с распределением статодинамической нагрузки и укреплением е сводов [Нестурх М.Ф. , 1970, Хрисанфова Е.И., 2002]. Для прямохождения характерно развитие первого пальца, который утрачивает способность противопоставляться остальным пальцам; суставная поверхность медиальной клиновидной кости, сочленяющейся с первой плюсневой, почти плоская и мало скошена в медиальном направлении, что связано с меньшей подвижностью и большим приведением большого пальца. Подвижность и склонность первой плюсневой кости к противопоставлению проверяется соответствием сочленяющихся поверхностей в первом клиновидно-плюсневом суставе и по участкам фиксации сухожилия (соответствующих бугристостей) длинной малоберцовой мышцы, сокращение которой вызывает противопоставление первого пальца стопы, а у человека, совместно с сокращением передней большеберцовой мышцы, способствует скручиванию стопы и углублению е поперечного свода [Дерябин В.Е., 1983, Хрисанфова Е.И., 2002].
В связи со значительной потерей функциональной роли II–V пальцев в опоре и локомоторной функции они у человека постепенно редукцируются, что в известной степени находит отражение и в форме соответствующих плюсневых костей: истончение дистальных их отделов, уменьшение размеров и поперечная сдавленность головок, уплощение выраженного суставного рельефа в клино-ладьевидном и предплюсне-плюсневых суставах [Данилова Е.И., 1989]. Таранная кость у человека сравнительно короткая, широкая и низкая с длинной и массивной шейкой. Характерной особенностью является меньшее, по сравнению с антропоморфными, отклонение шейки в сторону, что связано с приближением большого пальца к остальным; угол, образуемый осью шейки с осью тела кости, составляет у человека 20–25, у антропоидов – выше 30; угол между осями таранной и пяточной кости у человека (от -8 до +12) меньше чем у антропоидов (от +16 до +26) [Вырский С.В., 1989, Нестурх М.Ф. , 1970].
В связи со слабым отклонением шейки таранной кости, площадь опоры таранной кости на пяточной кости сравнительно узка, а угол, образуемый длинной осью задней суставной площадки с продольной осью кости, велик. У человека он равен в среднем 40–45, у гоминидов 5–15. Суставная поверхность для сочленения с кубовидной костью поврнута таким образом, то е ось приближается к вертикали, тогда как у гоминидов она лежит почти в горизонтальной плоскости, что связано у человека с образованием поперечного свода. Медиальное перемещение функциональной и морфологической оси стопы и связанная с этим перегруппировка межкостных мышц приводит к расширению предплюсны – е ширина в процентах длины III луча равна у человека 99%, у гориллы – 84%, шимпанзе – 75% [Данилова Е.И., 1989].
Cводчатое строение составляет характерную особенность стопы человека. Под продольным сводом понимают пять продольных лучей, образующих дуги, которые идут от пяточного бугра к основаниям плюсневых костей; при этом медиальная часть стопы приподнята и при опоре не касается опорной поверхности. Продольный свод можно определить по форме и положению суставных площадок в пяточно-кубовидном суставе [Вырский С.В., 1989, Данилова Е.И., 1989].
Дугообразное взаиморасположение клиновидных и кубовидной костей стопы указывает на наличие выраженного поперечного свода, при этом длинная ось суставной поверхности головки таранной кости, сочленяющейся с ладьевидной костью, сильно отклонена от горизонтальной плоскости; угол, образованный этой осью с горизонталью составляет у человека 30–40, у орангутанга – 10, у гориллы – 20 [Вырский С. В., 1989, Martin R., 1914], пяточная кость человека отличается большей шириной и особенно сильным развитием бугра.
В онтогенезе у человека зачатки конечностей появляются на третьей неделе эмбрионального развития в виде скопления мезенхимальных клеток в боковых складках тела зародыша, напоминающих собой плавники рыб. Складки расширяются и образуют пластинки, дающие начала кистям и несколько позже стопам. В этих зачатках нельзя различить пальцы, которые формируются позже в виде пяти лучей. Последовательность дальнейшего развития элементов будущих конечностей наблюдается в направлении от дистального звена к проксимальному [Карлсон Б.М., 1983]. Кости нижней конечности развиваются на основе соединительной ткани, минуя стадию хряща. При этом диафизы костей окостеневают во внутриутробном развитии, а эпифизы и апофизы - после рождения. В пяточной кости появляются точки окостенения на 6 месяце внутриутробного развития. Добавочная точка окостенения в бугре пяточной кости закладывается на 5-12 году и срастается с пяточной костью в 12-22 года [Жданова С.А., 1966, Эпштейн В.Я., 1964].
Маркеры половой изменчивости пяточной кости стопы человека
Доверительный интервал параметра длины от задней суставной поверхности составляет 52,7-55,3 мм, среднее значение равно 54,0 ±2,5 мм, максимальное значение составляет 61,0 мм, минимальное - 51,0 мм. При этом среднее значение данного параметра совпадает с медианой, что отражает высокую нормальность распределения значений данного показателя. Кроме того длина от задней суставной поверхности имеет наибольшие показатели асимметрии и эксцесса по сравнению с другими исследованными параметрами пяточных костей женского пола, равные 1,48 и 3,46 соответственно (табл. 6).
Средние значения проекционных длин передней и задней частей пяточных костей женского пола 23,2±1,8 мм и 33,7±2,3 мм соответственно. Доверительный интервал проекционной длины передней части находится в пределах от 22,3 мм до 24,2 мм. Максимальное значение проекционной длины задней части равно 39,0 мм, минимальное - 29,5 мм (табл. 6). Доверительный интервал параметра средней ширины составляет 39,2-41,9 мм, среднее значение равно 40,6±2,6 мм, максимальное значение равно 45,0 мм, минимальное - 36,0 мм. Данный параметр имеет отрицательный показатель асимметрии (-0,10), что говорит о смещении ряда влево относительно среднего значения. Среднее значение наименьшей ширины, измеренной от наиболее глубоко лежащей точки на внутренней поверхности кости и противолежащей ей точки на внешней поверхности, равно 25,0±2,1 мм, колеблется в пределах 20,0-28,0 мм.
Наименьший показатель эксцесса равный 0,04 присущ параметру ширины держателя таранной кости, среднее значение которого составляет 10,5±1,3 мм, колеблется от 8,0 мм до 13,0 мм. Кроме того данный параметр имеет самый высокий коэффициент вариации равный 12,3%. Среднее значение высоты равно 37,2±1,9 мм, доверительный интервал находится в пределах от 36,2 мм до 38,2 мм. Стандартное отклонение 1,9 для параметра высоты пяточных костей женского пола говорит об умеренном разбросе значений по сравнению со средним арифметическим. Средние значения высоты и ширины пяточного бугра равны 42,6±2,3 мм и 33,7±1,4 мм соответственно. Параметр высоты пяточного бугра имеет наименьший показатель асимметрии (-0,03), что говорит о равномерности кривой распределения.
Таким образом, для пяточных костей женского пола наименее вариабельным параметром является наибольшая длина и средняя ширина, наиболее вариабельным - ширина держателя таранной кости.
В табл. 7 (см. приложение 4) представлены остеометрические параметры, характеризующие прямые остеометрические показатели 7 правых и 9 левых пяточных костей женского пола. Анализ полученных данных показывает высокую вариабельность исследованных нами параметров, коэффициента вариации колеблется от 1,9% до 13,6% для правых пяточных костей женского пола, от 3,6% до 12,0% для левых. Среднее значение наибольшей длины для правых пяточных костей женского пола составляет 76,4±2,1 мм, находится в пределах от 74,0 мм до 79,0 мм. Параметр наибольшей длины имеет относительно других параметров низкий коэффициент вариации равный 2,8%. Показатели асимметрии и эксцесса равны (-0,12) и (-2,32) соответственно. Среднее значение наибольшей длины составило 76,6±3,2 мм, находится в пределах 70,0-80,0 мм. Параметр наибольшей длины левых пяточных костей женского пола имеет невысокий коэффициент вариации равный 4,1%. Кроме того наибольшая длина отличается максимальной неравномерностью кривой распределения с показателем асимметрии равным (-1,10) (табл. 7).
Доверительный интервал длины правых пяточных костей женского пола находится в пределах от 68,9 мм до 72,8 мм, среднее значение равно 70,9±2,1 мм. Данный параметр также имеет невысокий показатель коэффициента вариации равный 3,0%. Доверительный интервал параметра длины левых пяточных костей женского пола находится в пределах от 69,3 мм до 73,7 мм, среднее значение составило 71,5±2,9 мм. Кроме того данный параметр отличается минимальным показателем асимметрии (-0,02) и максимальным показателем эксцесса (-2,08).
Максимальное значение длины от задней суставной поверхности для правых пяточных костей женского пола равно 55,0 мм, минимальное - 52,0 мм, среднее значение составляет 53,6±1,0 мм. Стандартное отклонение 1,0 говорит о незначительном разбросе значений по сравнению со средним арифметическим значением. Параметр длины от задней суставной поверхности имеет самый низкий коэффициент вариации по сравнению с другими исследованными параметрами правых пяточных костей женского пола и равен 1,9%. Среднее значение длины от задней суставной поверхности для левых пяточных костей женского пола равно 54,3±3,2 мм. Стандартное отклонение 3,2 говорит об умеренном разбросе значений по сравнению со средним арифметическим значением. Максимальное значение длины от задней суставной поверхности составляет 61,0 мм, минимальное- 51,0 мм. Коэффициент вариации данного параметра равен 4,0% (табл. 7).
Средние значения проекционных длин передней и задней частях правых пяточных костей женского пола составляют 22,8±1,6 мм и 34,0±1,3 мм соответственно, и находятся в пределах 21,0-35,0 мм и 32,0-35,5 мм. Кроме того среднее значение проекционной длины задней части пяточной кости совпадает с медианой, что показывает высокую нормальность распределения значений данного показателя. Средние значения проекционных длин передней и задней частей левых пяточных костей женского пола составляют 23,6±1,9 мм и 33,4±3,0 мм соответственно. Доверительный интервал параметра проекционной длины передней части пяточной кости находится в пределах 22,1-25,0 мм, максимальное значение равно 26,0 мм, минимальное - 20,0 мм. Доверительный интервал проекционной длины задней части составляет 31,1-35,7 мм, максимальное значение равно 39,0 мм, минимальное-29,5 мм (табл. 7).
Среднее значение средней и наименьшей ширины правых пяточных костей женского пола составляют 40,5±2,1 мм и 25,4±1,3 мм соответственно. Доверительный интервал средней ширины колеблется от 38,6 мм до 42,4 мм. Максимальное значение наименьшей ширины составляет 27,0 мм, минимальное-23,5 мм. Параметр наименьшей ширины правых пяточных костей женского пола имеет минимальный показатель асимметрии равный (-0,02), что говорит о равномерности кривой распределения. Доверительный интервал параметра средней ширины левых пяточных костей женского пола составляет 38,3-43,0 мм, среднее значение равно 40,6±3,1 мм. По сравнению с другими исследованными параметрами левых пяточных костей женского пола средняя ширина имеет относительно высокий уровень коэффициента вариации (1,1%) и низкий показатель асимметрии (-0,05). Параметр наименьшей ширины левых пяточных костей женского пола имеет среднее значение 24,6±2,5 мм и находится в пределах от 20,0 до 28,0 мм. Данный параметр имеет низкий показатель эксцесса равный 0,07 (табл. 7).
Анатомическая половая изменчивость пяточной кости человека по данным прямой остеометрии
Идентификация личности начинается с определения е пола. Несмотря на то, что человек, как биологический вид, имеет два пола, судебно-медицинская диагностика пола по скелету представляет собой очень сложную задачу. В современной криминалистике существует три основных метода определения пола: ДНК-анализ, морфологический метод, а также остеография и остеометрия. ДНК-анализ является насколько высокоточным, настолько и высоко затратным методом. Морфологический метод является более простым, но менее эффективным, страдает субъективизмом и во многом зависит от опыта исследователя. Остеография и остеометрия, несмотря на их кажущуюся простоту, являются точными и достаточно эффективными методами [Rsing F.W., 2007]. Наиболее изучена половая изменчивость костей таза и черепа, которая дат ценные количественные и качественные критерии для дифференциации половой принадлежности [Brasili P., 2000, Ferembach D., 1980, Graw M. , 1999]. Однако, как показывает практика, более сохранными являются кости свободной нижней конечности человека. Половые различия костной системы человека проявляются уже во внутриутробном периоде развития [Laidlaw P.P., 1960]. У взрослых людей существует большой перекрст статистического распределения многих остеометрических показателей между мужчинами и женщинами, таким образом, что в середине общего диапазона их изменчивости критерии половых различий не могут быть чтко обозначены. В связи с этим существенный научно-практический интерес представляет поиск новых критериев определения пола, основанных на остеографических и остеометрических признаках полового диморфизма человека. В отличие от костей таза и черепа, половые различия костей дистальных отделов нижних конечностей человека не достаточно исследованы. Определены половые различия бедренной и большеберцовых костей, ряд работ посвящен половым различиям пяточной и таранной кости [Bidmos M.A., 2003, 2004]. Несмотря на это по результатам указанных исследований трудно сделать однозначные выводы. В этих работах не приводятся данные о наиболее эффективных остеометрических показателях половой дифференциации пяточной кости, которые могут служить критериями диагностики пола, поскольку чрезвычайно высока вариабельность самой величины выявляемых половых различий. Она широко варьирует в зависимости от территории проживания исследуемых популяций, так и от этнической принадлежности. Наиболее общим выводом проведнных исследований следует признать лишь наличие половых различий пяточных костей у человека, как у вида, на протяжении всего онтогенеза от внутриутробного периода развития до старческого возраста.
Целью настоящего исследования явилось установление изменчивости и половых различий количественных показателей пяточных костей стопы у взрослых людей и выявление среди них диагностически наиболее значимых. Из 122 случаев коллекции были отобраны кости стоп 57 случаев наблюдений, имевших максимальную сохранность. Из них 16 пяточных костей были женскими, 41 – мужскими. Всего было измерено 20 прямых остеометрических параметров, характеризующих длину, широту и высоту структур пяточной кости, 3 параметра рентгенограмм пяточных костей, а также рассчитаны индексы отношений измеренных параметров. Кроме того были измерены показатели веса пяточных костей в граммах (ВК), объма в см3 (ОК) и их физической плотности (ПК) в г/см3.
Несмотря на то, что анатомическое строение, размеры и форма этих костей скелета человека имеет давнюю историю изучения, существуют значительные пробелы в исследовании вариаций их суставных поверхностей с точки зрения анатомо-функциональных адаптационных механизмов. Особенности формы и частоты суставных фасеток костей голеностопного сустава могут служить критериями интегральной оценки эко функциональной специализации, как современного человека, так и ископаемых предков. Первая и наиболее значительная работа по анатомической изменчивости пяточной кости была опубликована Laidlaw в журнале «Journal of Anatomy and Physiology» (ныне «Journal of Anatomy») в начале XX века [Laidlaw P.P., 1904]. Автором была исследована самая большая из известных в мире коллекций костей стопы человека, принадлежащая музею Кэмбриджского университета, включающая около тысячу случаев наблюдений, из которых автором были отобраны для исследования 750 наиболее сохранных пяточных костей. Laidlaw подробно, в том числе количественно, описал все анатомические особенности формы и строения os calcaneum [Laidlaw P.P., 1904]. Наибольшее внимание его было сосредоточено на апофизах. В этом исследовании суставные поверхности пяточной кости были описаны довольно поверхностно, за исключением задней суставной поверхности, сочленяющейся с соответствующей суставной поверхностью таранной кости. Но даже е описание автор представил исключительно в связи с тремя наиболее часто встречающимися формами processus trochlearis s. peronealis. Следующее упоминание о вариациях таранных суставных поверхностей пяточных костей человека появляется только в 60-х годах 20 века. Bunning и Barnett [Bunning PS.C., 1965] проведя крупное исследование пяточных костей популяций Великобритании, Индии и Африки, попытались классифицировать их по типам таранных суставных поверхностей. Ими были выделены три основных типа: тип «А» - пяточные кости, у которых разделены все таранные суставные поверхности; тип «В», у которых сливаются передняя и средняя таранные суставные поверхности и тип «С», у которых сливаются все таранные суставные поверхности [Bunning PS.C., 1965]. Эта классификация стала основой всех последующих исследований, унифицировалась и дополнялась. Классификации пяточной кости по форме е таранных суставных поверхностей и исследования распределения частот этих форм в современных популяциях людей позволяют использовать их в идентификационных целях, судить об особенностях механизмов локомоции предковых ископаемых видов человека, раскрыть общие принципы локомоторных механизмов стопы. Однако не все они достаточно совместимы по критериям дифференцирования форм или размерных характеристик, в них не отражены все возможные анатомические варианты, до сих пор не определена диагностическая ценность и перекрстная сопоставимость результатов. Представление об особенностях форм суставных фасеток пяточной кости имеет значение не только для антропологических, сравнительно-анатомических и судебно-медицинских исследований, но и существенное прикладное значение в клинической практике, в частности, в ортопедии, при определении характера подтаранной нестабильности, установке искусственных подтаранных имплантатов [Csizy M., 2003, Kankare J., 1998].
Анатомическая половая изменчивость индексов отношений параметров прямой и рентгеностеометрии пяточной кости
В начале 21 века Bidmos и Asala провели крупное остеометрическое исследование пяточных костей белого (со светлой кожей) и черного (с тмной кожей) населения Южной Африки [Bidmos M.A., 2003, 2004]. Как по значениям наибольшей длины пяточной кости, так и высоты пяточного бугра белые мужчины и женщины существенно превосходили черных. Эти результаты противоречат данным Steele и при этом свидетельствуют, что половые различия остеометрических параметров существенно зависят от территориальной (континентальной) принадлежности исследуемой популяции, е расово-этнического состава, эпохальных трендов, что необходимо учитывать при практическом их использовании. Kim et al., исследовав пяточные кости стоп жителей Кореи получил следующие результаты: для мужчин наибольшая е длина составила 80,5±3,84 мм, наименьшая ширина 27,9±2,18 мм. Высота пяточной кости равнялась 39,56±3,8 мм, а пяточного бугра - 49,1±3,18 мм, для женщин перечисленные выше показатели составили соответственно 73,8±4,32 мм, 24,4±2,4 мм, 35,5±2,48 мм, 44,6±3,27 мм [Kim D.-I., 2004].
По данным большинства авторов самой высокой статической значимостью половых различий обладает параметр наибольшей длины пяточной кости. Из 20 исследованных параметров пяточных костей по статистической значимости половых различий с данными других исследователей совпадают шесть: максимальная длина (наибольшая длина в собственном исследовании), общая длина (длина), наименьшая ширина, ширина пяточного бугра, максимальная высота (высота пяточного бугра), минимальная высота (высота пяточной кости). При сравнении полученных средних значений с результатами исследований других авторов, следует отметить, что показатели наибольшей длины, общей длины, наименьшей ширины, ширины пяточного бугра, высоты пяточной кости оказались несколько выше или практически равными как у мужчин, так и у женщин. В то же время среднее значение высоты пяточного бугра оказалось выше у жителей Кореи [Kim D.-I., 2004].
Исследованиям физических параметров костей стопы человека в мировой литературе посвящено всего две работы пакистанских авторов, и одна из них - половому диморфизму веса пяточных костей. По данным Ahmad R. с соавт., вес пяточных костей жителей Пакистана составляет 35,3-68,13 г (мужчины), 28,6-37,9 г (женщины) [Ahmad R., 2006, Ahmed R., 1997]. Результаты собственных исследований демонстрируют меньший вес пяточных костей исследованной популяции - 34,3±8,2 г (мужчины) и 26,7±7,1 г (женщины).
В настоящем исследовании мы охарактеризовали не только размерные или собственно остеометрические параметры пяточных костей, но и некоторые их физические характеристики. Несмотря на высокую вариабельность физических параметров пяточных костей, половые различия их веса и объма оказались статистически наиболее значимыми. Половые различия показателя плотности костной ткани пяточных костей коррелируют с возрастом человека и выражаются в разной зависимости е от возраста – у мужчин корреляция этого параметра с возрастом меньше, чем у женщин [Накоскин А.Н., 2004]. Согласно полученным нами результатам, значения веса и объма, а также такие прямые остеометрические параметры, как наибольшая длина и ширина таранных суставных поверхностей, наибольшая длин, длина, длина задней части, ширина держателя таранной кости, высота пяточной кости, и высота пяточного бугра могут служить в качестве экспертных критериев для предварительной скелетной диагностики пола по пяточным костям стопы.
Таким образом, благодаря результатам исследований скелетной биологии достоверность сведений в определении пола, расы, возраста и роста в области судебно-медицинской и физической антропологии существенно становится выше. Из костей нижней конечности для выявления половых различий наиболее широко используются бедренная кость и большеберцовая. В настоящее время возрос интерес к костям стопы, как наиболее сохранным. Наше исследование продемонстрировало возможность использования остеометрических параметров и физических показателей пяточных костей стопы для определения пола. Оно также дополняет теоретические представления о половых различиях морфологических и морфометрических параметров стопы человека, биологических факторах, обуславливающих качественную и количественную анатомическую изменчивость костных структур дистальных отделов конечностей позвоночных в целом.
