Введение

Строение черепа человека — результат сложных процессов, которые включают скоординированный рост и взаимодействие его компонентов для поддержания функционального и структурного равновесия. Череп представляет собой анатомически сложную систему и уже более двух столетий является центром исследований в области анатомии позвоночных. Знание принципов взаимодействия структурных компонентов в системе черепа представляет необходимый фундамент для понимания его анатомических особенностей, индивидуальной изменчивости и онтогенетических трансформаций. Наиболее точно развитие черепа в постнатальном онтогенезе описывают теория матриц Мосса (Moss) и принцип контрагента Энлоу (Enlow) [1—4]. В соответствии с этой теоретической основой скелет лица человека является результатом взаимодействия его различных компонентов, на которые влияют как внутренние, гормональные и генетические факторы [4, 5], так и внешние стимулы (рост мягких тканей, созревание зубов, биомеханические факторы) [1, 6].

До сих пор нет единой общей теории, которая бы связывала развитие, биомеханику и эволюцию черепа. Чтобы понять биомеханику лицевого отдела черепа, использовались разнообразные подходы к моделированию, включая физические модели, графические представления, аналитические модели, компьютерное моделирование, доклинические (in vitro и in vivo) модели и модели на трупах [7—11]. Во многих случаях модели были сфокусированы на отдельных структурах черепа и их специфическом вкладе в общую функцию. Таким образом, лицевой череп часто рассматривали как совокупность анатомических систем со специфическими биомеханическими свойствами [10]. Применение любого из этих методов для изучения биомеханики лицевого черепа зависит от цели исследования.

В настоящем исследовании мы основывались на предположении, что онтогенетические изменения отдельных костей черепа отражают отношения между его лицевым и мозговым отделами для поддержания функционального баланса системы черепа. Соответственно, есть возможность определить общую конструкцию лицевого черепа по одной, центральной его части. Такая информация может быть полезна не только специалистам в области анатомии человека, но и судебно-медицинским экспертам, и антропологам.

Цель исследования — выявить связь пространственного расположения надглазничного края лобной кости с краниометрическими параметрами лицевого черепа и особенностями строения лобной пазухи человека.

Материал и методы

Работа выполнена на паспортизированных черепах, их рентгенограммах (n=54), а также рентгенограммах головы людей (n=250) в возрасте от 22 до 60 лет, выполненных в прямой и боковой проекциях. Оцифрованные изображения подвергались измерению и анализу. Черепа и рентгенограммы взяты из коллекции кафедры анатомии ФГБОУ ВО РязГМУ Минздрава России. Оцифрованные изображения были проанализированы при помощи программы ImageJ (National Institutes of Health, США). Измерение проводили по методике Р. Мартина с соблюдением соответствующих методик краниометрии. Определяли следующие параметры: верхняя высота лица (Март. 48), скуловой диаметр (Март. 45), ширина альвеолярной дуги (Март. 61) верхней челюсти.

Для описания особенностей пространственного расположения надглазничного края дополнительно были введены следующие параметры: h — высота изгиба надглазничного края (расстояние, т.е. перпендикуляр, от глазничной хорды до наиболее удаленной от нее точки надглазничного края,); γ — угол, образованный хордой и линией, проведенной от максилло-фронтальной точки к эктоконхиону (показывает степень ротации надглазничного края). Для измерения нестандартных значений надглазничного края использовали собственную методику. Был введен коэффициент изогнутости надглазничного края (КИ), который рассчитывался по формуле: КИ=h/глазничная хорда·100.

Для оценки симметричности дуги надглазничного края лобной кости относительно перпендикуляра (h), проведенного от самой высокой точки надглазничного края к глазничной хорде, разделявший ее на медиальный и латеральный отрезок, был введен коэффициент симметрии (КС), который представлял собой отношение медиального отрезка глазничной хорды (Am) к латеральному отрезку (Al), умноженное на 100.

В прямой проекции на рентгенограммах выполняли измерения ширины и высоты лобной пазухи. Ширину лобной пазухи измеряли по горизонтали, проведенной касательно крайних высших точек глазницы, как расстояние от перегородки синуса до точки пересечения ее с латеральным контуром лобной пазухи. Высоту лобной пазухи измеряли дважды: по средней линии вдоль перегородки от вершины пазухи до линии В—С; второй размер определяли как перпендикуляр, проведенный из середины ширины пазухи до пересечения с ее боковым контуром.

На рентгенограммах в боковой проекции измеряли высоту лобной пазухи и глубину лобной пазухи в основании. Статистическую обработку полученных данных проводили с применением пакета анализа Microsoft Exсel. Для оценки корреляции использовали коэффициент корреляции Пирсона (R). Центральные тенденции и рассеяния количественных признаков описывали средним значением М и стандартной ошибкой среднего значения m.

Результаты и обсуждение

В ходе изучения корреляций линейных параметров лобной пазухи и размеров лицевого отдела черепа у мужчин были получены следующие результаты (табл. 1). Выявлена статистически достоверная слабая положительная корреляция ширины лобной пазухи с шириной лица и с шириной альвеолярной дуги. Кроме того, установлена статистически достоверная слабая положительная корреляция высоты правой и левой половин лобной пазухи и высоты лобной пазухи от Nasion с шириной альвеолярной дуги у мужских черепов. При этом достоверной корреляции между высотой лобной пазухи и верхней высотой лица не выявлено. Обнаружена достоверная умеренная отрицательная корреляция между глубиной лобной пазухи в основании с шириной лица и с верхней высотой лица.

Примечание. R — коэффициент корреляции Пирсона, t — уровень достоверности.

При исследовании корреляций линейных параметров лобной пазухи и размеров лицевого отдела черепа у женщин обнаружена статистически достоверная положительная корреляция ширины лобной пазухи со всеми размерами лицевого отдела черепа — с шириной лица, с верхней высотой лица и с шириной альвеолярной дуги (табл. 2).

Примечание. R — коэффициент корреляции Пирсона, t — уровень достоверности.

Корреляция ширины лобной пазухи с шириной альвеолярной дуги у женщин была умеренной, в то время как с шириной лица и верхней высотой лица — слабой. Высота правой и левой половин лобной пазухи и высота лобной пазухи от Nasion женских черепов, как и у мужских, также имели статистически достоверную умеренную положительную корреляцию с шириной альвеолярной дуги.

Обнаружена достоверная умеренная корреляция (R=0,41; р<0,05) между значениями КИ и степенью развитости пазухи. При КИ более 45 лобная пазуха была выражена, отличалась наличием бухт и часто заходила за середину надглазничного края. При КИ менее 30 пазуха отличалась незначительными размерами, находилась в пределах медиальной трети надглазничного края (рис. 1, а, б). Нами отмечено, что пространственное расположение глазницы также коррелирует со степенью изогнутости надглазничного края и развитости лобной пазухи: чем менее ротирована глазница, тем более выражен изгиб и развита пазуха.

Таким образом, все исследованные параметры можно сгруппировать относительно значений КИ надглазничного края в 3 группы. При КИ надглазничного края лобной кости менее 30 (небольшая изогнутость) угол ротации глазницы в среднем составил 11,49°, при этом средние значения и стандартная ошибка верхней высоты лица составили 64,05±2,11 мм, скулового диаметра — 101,61±1,96 мм, ширины альвеолярной дуги — 52,71±2,44 мм. Средние значения параметров лобной пазухи при небольшой изогнутости надглазничного края лобной кости были следующими: ширина лобной пазухи — 46,86±3,75 мм, высота правой половины лобной пазухи — 11,46±1,33 мм, высота левой половины лобной пазухи — 12,13±1,05 мм, высота лобной пазухи от точки Nasion — 18,66±1,43 мм.

При КИ надглазничного края лобной кости от 30 до 45 (средняя изогнутость) угол ротации глазницы в среднем составил 10,83±0,5°, при этом средние значения верхней высоты лица составили 69,88±1,22 мм, скулового диаметра — 102,05±1,05 мм, ширины альвеолярной дуги — 54,25±1,37 мм. Средние значения параметров лобной пазухи при средней изогнутости надглазничного края лобной кости были следующими: ширина лобной пазухи 55,46±3,09 мм, высота правой половины лобной пазухи 13,82±1,51 мм, высота левой половины лобной пазухи 14,98±0,99 мм, высота лобной пазухи от точки Nasion 21,05±0,73 мм (рис. 1 в, г).

При КИ надглазничного края лобной кости более 45 (большая изогнутость) угол ротации глазницы в среднем составил 8,9±0,69°, при этом средние значения верхней высоты лица достигали 71,73±1,23 мм, скулового диаметра — 105,51±1,81 мм, ширины альвеолярной дуги — 57,56±2,65 мм. Средние значения параметров лобной пазухи при большой изогнутости надглазничного края лобной кости составили: для ширины лобной пазухи — 69,05±5,64 мм, высоты правой половины лобной пазухи — 22,11±4,28 мм, высоты левой половины лобной пазухи — 19,88±5,33 мм, высоты лобной пазухи от точки Nasion — 31,93±3,78 мм.

Для описания биомеханических отношений между отдельными костями и структурами черепа удобно использовать теорию опор. Центральная срединно-лицевая поверхность черепа состоит из верхней челюсти и орбито-носо-этмоидальной области, а эта область лица в свою очередь — из комбинации легких тонкостенных полостей и толстых костных образований. Теория опор предполагает, что область средней части лица подобна каркасу, который стабилизируется горизонтальными и вертикальными опорами — контрфорсами. Предполагается, что эти опоры несут и передают силы, возникающие в результате укуса пищи, и удерживают эти силы вдали от других, более слабых костей лица [12]. При этом срединно-лицевые кости передают силы от укуса остальной части черепа по трем мощным траекториям (рис. 2, обозначены черным цветом). Первая траектория проходит от зубов вверх через лобные отростки верхней челюсти до области глабеллы лобной кости. Вторая траектория проходит через скуловой контрфорс к лобной кости, через лобные отростки, также распространяясь на височную кость через скуловую дугу. Третья траектория направлена назад вдоль задней поверхности верхней челюсти к клиновидной кости. Эти траектории представляют области более толстой кости, которые обеспечивают вертикальную поддержку от сил, возникающих в месте расположения зубов [12].

Напряжение, возникающее при захватывании и откусывании пищи, поднимается по альвеолярному и лобному отростку верхней челюсти. В проекции краниометрической максилло-фронтальной точки (mf) происходит распределение напряжения в двух направлениях — вверх по продолжению лобно-носового контрфорса и латерально по медиальной части надглазничного края (см. рис. 2, показаны черным цветом). При выраженном изгибе надглазничного края результирующая сила этих двух напряжений, рассчитанная по правилу параллелограмма, больше, чем при надглазничном крае со слабой изогнутостью. Именно количественное значение этой результирующей силы дает стимул для роста лобной пазухи в высоту (см. рис. 2, а; см. рис. 1, г).

Выше надглазничного края между лобно-носовым и альвеолярно-скуловым контрфорсами возникает напряжение, которое при равном напряжении в указанных контрфорсах должно уравновешиваться в точках, находящихся ровно посередине между ними в каждой области черепа на протяжении данных контрфорсов. Однако в альвеолярно-скуловом контрфорсе напряжение физиологически больше, так как акт жевания активно происходит премолярами и молярами, от которых данный контрфорс начинается. Следовательно, расположение точек, в которых уравновешивается напряжение сил, смещается в латеральную сторону — в сторону альвеолярно-скулового контрфорса. Большему напряжению в альвеолярно-скуловом контрфорсе способствует и ширина альвеолярной дуги. Чем шире альвеолярная дуга, тем больше угол (угол α) между условной линией, являющейся продолжением ширины альвеолярной дуги, и линией, соединяющей наиболее латеральную точку альвеолярной дуги верхней челюсти и краниометрическую фронто-маллярно-орбитальную точку (fmo), в которой напряжение в альвеолярно-скуловой контрфорсе распределяется на надглазничный край и на височный отросток лобной кости. Сила напряжения в данной случае рассчитывается по формуле F=L·Sinα, где L — перпендикуляр, проведенный от точки fmo до условной линии, являющейся продолжением ширины альвеолярной дуги. При широкой альвеолярной дуге угол α будет больше, следовательно, и сила напряжения, рассчитанная по указанной формуле, в альвеолярно-скуловом контрфорсе будет больше, чем при узкой альвеолярной дуге. Следовательно, и смещение точки, уравновешивающей напряжение между скуло-альвеолярном и лобно-носовым контрфорсами, при большей ширине альвеолярной дуги будет более латеральное, чем при меньшей ширине альвеолярной дуги (см. рис. 2). Таким образом, при большой изогнутости надглазничного края и широкой альвеолярной дуге лобная пазуха имеет тенденцию к большей высоте и ширине. Это наблюдение согласуется с мнением С. Ross и соавт. [9] о деформациях, возникающих в лицевом скелете при жевании. Расположение зубов медиальнее скуловой дуги и края глазницы при кормлении приводит к формированию направленным интеролатерально растягивающим силам, действующим на боковую стенку глазницы и надглазничный край лобной кости. Последний, в силу грацильности черепа человека, не может противостоять этому комплексу сил, поэтому деформации кости вызывают формирование пазухи, размер и форма которой призваны перераспределить их.

Таким образом, полученные данные позволяют предположить, что анатомическое строение этого комплекса (надглазничный край и лобная пазуха) имеет значение для сопротивления силам, генерируемым во время жевания. Обнаруженные достоверные корреляции между его пространственным расположением и линейными размерами лицевого отдела черепа делают результаты данного исследования актуальными при идентификации личности по отдельным фрагментам черепа. В свою очередь, выраженная связь между надглазничным краем и лобной пазухой позволяет по-новому взглянуть на функциональное значение пазухи, определив его в качестве своеобразного распределителя нагрузки при акте жевания.

Заключение

Надглазничный край лобной кости, расположенный на границе между лицевым и мозговым отделом черепа, является своеобразным ключом к обеим зонам. Степень развитости лобной пазухи зависит от пространственного расположения надглазничного края лобной кости и размера альвеолярной дуги: чем более изогнут край и шире альвеолярная дуга, тем более выражена пазуха.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — А.В. Павлов, И.В. Бахарев, А.В. Ельцов.

Сбор и обработка материала — И.В. Бахарев, З.В. Туркина, Н.А. Пронин, М.И. Иванов.

Статистическая обработка — И.В. Бахарев, М.Н. Дмитриева.

Написание текста — И.В. Бахарев, А.В. Павлов.

Редактирование — А.В. Павлов, А.В. Ельцов.

Participation of authors:

Concept and design of the study — A.V. Pavlov, I.V. Bakharev, A.V. Yeltsov.

Data collection and processing — I.V. Bakharev, Z.V. Turkina, N.A. Pronin, M.I. Ivanov.

Statistical processing of the data — I.V. Bakharev, M.N. Dmitrieva.

Text writing — I.V. Bakharev, A.V. Pavlov.

Editing — A.V. Pavlov, A.V. Yeltsov.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.