Биомеханика здорового коленного сустава и при развитии остеоартроза

 

БИОМЕХАНИКА КОЛЕННОГО СУСТАВА В НОРМЕ И ПРИ ОСТЕОАРТРОЗЕ

Введение. В зарубежной литературе имеет немного публикаций, изучающих кинематику коленного сустава. Некоторые авторы изучали взаимное расположение трупных костей при сгибании в коленном суставе [2, 5]. Другие авторы определяли движение в коленном суставе при помощи лучевых методик и показали, что внутренний отдел преимущественно вращается, а наружный скользит, однако конкретной разницы в биомеханике не представили [1, 8]. Самые современные работы сравнивали биомеханику коленного сустава после артропластики у мужского и женского пола, причем разной расовой принадлежности [1, 3, 4, 6, 7, 9]. Однако у зарубежных авторов получились статистически недостоверные различия между полом, однако они указывают на малую выборку. Причем авторы сравнивают результаты по данным магнитно-резонансной томографии и подчеркивают изменение кинематики коленного сустава после эндопротезирования. В данной работе при помощи современной многосрезовой динамической компьютерной томографии определена разница в биомеханике различных отделов коленного сустава.

Цель исследования. С использованием многосрезовой компьютерной томографии изучить биомеханику здорового коленного сустава и при развитии остеоартроза.

Материалы и методы. В этой работе мы решили определить степень вращения и скольжения при сгибании в здоровом коленном суставе и при развитии остеоартроза.

Для реализации этого этапа работы было выполнено клиническое исследование коленных суставов на аппарате Toshiba Aquilion ONE 640 в рамках реализации Российско-японского научно-образовательного центра на базе Университетской клинической больницы №1 ФГБОУ ВО Первый Московский государственный университет имени И.М. Сеченова (рисунок 1).

 

Рисунок 1. Слева – проведение исследования на аппарате Toshiba Aquilion ONE 640, пациентка Д., 67 лет, справа – запись и анализ данных исследования.

Используемый многосрезовый спиральный компьютерный томограф позволяет за 0,2 секунды получить срез длиной 18 см с гораздо меньшим облучением по сравнению с 64-х спиральным компьютерным томографом, что сопоставимо по лучевой нагрузке со стандартной рентгенографией анализируемой области.

При движении в коленном суставе происходит смещение центра вращения и перекреста связочных структур, причем во всех этапах сгибания сохраняется тенсегрированность его структуры, обеспеченная изометрией перекрещивающихся пучков связок. При полном разгибании в коленном суставе точка перекреста связочных структур смещается максимально вперед, натягиваются задние пучки медиальной коллатеральной связки, обе крестообразные и латеральная коллатеральная связки. Коленный сустав в таком положении имеет максимальную стабильность, при которой отсутствует продольное вращение. При сгибании в коленном суставе происходит смещение перекреста связок кзади, изменение натяжения отдельных пучков связочного аппарата при сохранении общей изометрии. При сгибании коленного сустава под углом 90° перекрест связок смещен максимально кзади.

Статистическую обработку данных проводили в программе «Statistica». Определяли нормальность распределения входящих данных. При нормальном распределении (при отвержении нулевой гипотезы и при р более 0,05) — использовали параметрическую статистику, определяли корреляцию Пирсона. При р менее 0,05 — непараметрические методы — Спирмена, Кендалла, гамма. А оценку достоверности при нормальном распределении осуществляли по критерию Стьюдента, а при ненормальном — критерий знаков, u — критерий. При р менее 0,05 могли говорить о статистически достоверной разнице в биомеханике при условии соблюдения равенства дисперсий (р дисперсии более 0,05). При не соблюдении равенства дисперсий (р дисперсии менее 0,05) возникала необходимость в непараметрических критериях, определяя достоверность по критерию Манна-Уитни.

Пациенты были разделены на 2 группы. В первую группу вошли 7 пациентов, не имеющих признаков остеоартроза коленного сустава, из них мужчин было трое (42,9%), женщин четверо (57,1%) (р<0,01). Жалоб на боли в коленном суставе не было ни у одного пациента, только в одном случае имел место дискомфорт после физической нагрузки. Возраст пациентов I группы составил 31,5±6,1 лет, рост – 166,1±7,8 см.

У шести (85,7%) пациентов обследовался правый коленный сустав, у одного – левый (14,3%) (р<0,01).Все пациенты прошли обследование коленного сустава в движении.

Пациент располагался на транспондере аппарата ногами к сканирующей системе, под коленный сустав подкладывался специально изготовленный упор, с помощью которого коленный сустав оказывался согнутым под углом 90°.

Сначала за 8 секунд проводилось пробное полное разгибание голени в коленном суставе, иногда на это требовалось несколько попыток, так как пациент должен уловить скорость разгибания, чтобы полный цикл движения уложился в отведенное время.

Затем стол аппарата смещается таким образом, чтобы коленный сустав оказался в центре сканирующей системы. Происходило сканирование коленного сустава пучком рентгеновского излучения, которое осуществляется при движении устройства «излучатель-детектор» вокруг движущегося коленного сустава. В дальнейшем излучение оценивалось и происходило преобразование результатов в цифровой вид, компьютерный синтез томограммы и построение изображения.

Постобработка изображений, полученных на компьютерном томографе, выполнялась на рабочей станции совместно с врачом-диагностом со специальным программным обеспечением, которое помогало ориентироваться в результатах исследования и проводить необходимые измерения (рисунок 2).

 

Рисунок 2. Этапы обработки информации и проведение необходимых измерений у пациентки С, 28 лет, I группа: а – полное разгибание; б – начальные стадии сгибания.

В нашем исследовании при помощи многосрезовой компьютерной томографии мы определяли переднезаднюю длину мыщелков (МО — медиальный отдел, ЛО – латеральный отдел), дистанцию большеберцовой кости (TF-TE МО – в медиальном отделе, TF-TE ЛО – в латеральном отделе) и соотношение этих длин во внутреннем и наружном отделах коленного сустава.

Во II группу вошли 16 пациентов, проходившие обследование по поводу дегенеративно-дистрофической патологии коленного сустава. Мужчин было 4 (25%), женщин – 12 (75%) (р=0,00001). Средний возраст пациентов II группы – 61,2±6,7 лет, а рост – 169,8±7,4. Во всех случаях имелась боль в коленном суставе при нагрузке и в покое. В 25% случаев имелось поражение остеоартрозом левого коленного сустава, а в 75% — правого (р=0,001). Остеоартроз I стадии был у 10 (62,5%) пациентов, II стадии – у шести (37,5%). В 11 (68,8%) наблюдениях преимущественно был поражен внутренний, а в 5 (31,2%) – наружный отдел коленного сустава. У всех пациентов объем движений в коленном суставе был полный. Предшествующих операций не было ни в одном наблюдении.

Пациенты этой группы проходили дообследование по поводу остеоартроза с целью решения вопроса о дальнейшей тактике лечения. Только в одном наблюдении выполнена артропластика эндопротезом CR с применением системы выбора эндопротеза и комплексного подхода к связочному аппарату коленного сустава.

На данном этапе мы оценивали в сгибании те же параметры, что и у пациентов I группы. Мы определяли переднезаднюю длину мыщелка большеберцовой кости, дистанцию TF-TE обоих компартментов коленного сустава и соотношение между ними.

Результаты. Мы вычислили средние значения скольжения и вращения в обоих компартментах.

При оценке результатов исследования у семи пациентов определялась переднезадняя длина мыщелка и дистанция большеберцовой кости с наружной и внутренней стороны, а также соотношение этих величин и среднее значение (здесь и в дальнейшем обозначается среднее значение ± стандартное отклонение — µ±СО) (рисунок 3).

 

Рисунок 3. Результаты первой группы. МО — медиальный отдел; ЛО — латеральный отдел; TF-TE – дистанция большеберцовой кости.

На рисунке 3 имеется закономерность в том, что во внутреннем отделе дистанция большеберцовой кости меньше, чем в наружном, а переднезадняя длина мыщелка в медиальном отделе больше, чем латеральном. Естественно, соотношение длины мыщелка к величине TF-TE в наружном компартменте больше, чем во внутреннем (таблица 1).

За цикл сгибания коленного сустава суставная поверхность бедренной кости проходит путь в несколько раз больше, чем суставная поверхность большеберцовой кости, причем в сегменте B-FE соотношение суставной поверхности бедренной кости к суставной поверхности большеберцовой кости равно 2:1, а в сегменте FF-B – 4:1.

Таблица 1. Результаты первой группы.

Исходя из вышеперечисленного, можно сделать вывод, что латеральный отдел коленного сустава скользит в 3,15 раза больше медиального, то есть во внутреннем компартменте коленного сустава преимущественно происходит вращение, а в наружном – скольжение.

Результаты второй группы (рисунок 4).

 

Рисунок 4. Результаты второй группы. МО — медиальный отдел; ЛО — латеральный отдел; TF-TE – дистанция большеберцовой кости.

Во всех наблюдениях переднезадний размер мыщелка большеберцовой кости был больше в медиальном отделе, а дистанция большеберцовой кости — в латеральном компартменте (таблица 2).

Таблица 2. Результаты второй группы.

Соотношение величин в латеральном и медиальном отделах в обеих группах имеют нормальное распределение, поэтому сравнение результатов в группах производили с использование t-критерия Стьюдента.

Среднее соотношение скольжения и вращения в латеральном и медиальном отделах коленного сустава в 1 группе составило 3,15, во 2 группе – 1,94. Сравнивая 1 и 2 группы между собой, мы получили критерий Фишера, равный 1,75, t-критерий = 9,15, р дисперсии = 0,50, р менее 0,0001. Это показывает достоверные различия в кинематике коленного сустава между группами (соблюдено правило дисперсии, р дисперсии>0,05, а р<0,05).

Выводы. Таким образом, можно сделать вывод, что при гонартрозе уменьшается степень скольжения в наружном компартменте коленного сустава. Дистанция большеберцовой кости в латеральном отделе составляет 37,3% длины мыщелка, а во внутреннем – 19,2% длины мыщелка. При остеоартрозе коленного сустава скольжения бедренной кости по суставной поверхности большеберцовой кости почти в 2 раза больше в наружном отделе относительно внутреннего.

В нашем исследовании мы определили взаимоотношения контактирующих поверхностей в здоровом коленном суставе и установили статистически значимую разницу в биомеханике различных отделов коленного сустава. Мы обнаружили, что в здоровом коленном суставе внутренний отдел преимущественно вращается, а наружный — скользит в 3,2 раза больше внутреннего компартмента. Важно отметить, что при остеоартрозе уменьшается степень взаимного скольжения костей, причем больше в наружном отделе коленного сустава вне зависимости от характера его поражения.

Список использованных источников:

1. Akbari Shandiz M, Boulos P, Saevarsson SK, Yoo S, Miller S, Anglin C. Changes in knee kinematics following total knee arthroplasty. Proc Inst Mech Eng H. 2016 Apr;230(4):265-78.
2. Boisgard S., Levai J., Geiger B., Saidane K., Landjerit B. Study of the variations in length of the anterior cruciate ligament during flexion of the knee: use of a 3D model reconstructed from MRI sections. Surg Radiol Anat 1999;21:313-7.
3. Braune W., Fischer O. Die bewegungen des Kneigelenkes nach einer neuen Methode am lebendon menschen Gemessen. Des XVII, Bandes der Abhand lungen der Mathematisch. Sachsischen Gesellschaft der Wissenschaften. Vol 11: Physicchen Classe der Konigl. Leipzig: S Hirtzel; 1891. p 75.
4. Fick R. Handbuch der Anatomie und Mechanik der Gelenke. Vol 2. Jena: Verlag Gustav Von Fischer; 1911. p 109-17.
5. Hamai S, Moro-oka TA, Miura H, Shimoto T, Higaki H, Fregly J, Iwamoto Y, Banks SA. Knee kinematics in medial osteoarthritis during in vivo weight-bearing activities. J Orthop Res. 2009 Dec;27(12):1555-61.
6. Kapandji I. The knee. In: Kapandji I, editor. The physiology of the joints. Vol 2. Edinburgh: Churchill Livingstone; 1970. p 72-135.
7. Ling Z., Guo H., Boersma S. Analytical study on the kinematic and dynamic behaviors of a knee joint. Med Eng Phys 1997;19:29-36.
8. Smith PN, Refshauge KM, Scarvell JM. Development of the concepts of knee kinematics. Arch Phys Med Rehabil. 2003 Dec;84(12):1895-902.
9. Strasser H. Lehrbuch der Muskel und Gelenkmechanik. Vol 3. Berlin: Springer Verlag; 1917. p 335-8.
10. Victor J, Labey L, Wong P, Innocenti B, Bellemans J. The influence of muscle load on tibiofemoral knee kinematics. J Orthop Res. 2010 Apr;28(4):419-28.

Статья опубликована в журнале:

Журнал «Врач-аспирант». — Воронеж, — №6.1 (79) — 2016 — С. 172-178.

Переломы надколенника

К списку статей

Влияние патологии стопы на развитие дегенеративных заболеваний коленного сустава