НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ БИОМЕХАНИЧЕСКОГО ТЕСТИРОВАНИЯ БОЛЬНЫХ В ДИАГНОСТИКЕ КОКСАРТРОЗА
Гурьев В.В., Зоря В.И., Склянчук Е.Д, Бирюкова Е.В., Прокопенко Р.А., Фролов А.А.
Введение
Заболевания опорно-двигательного аппарата у взрослых занимают второе место в категории временной нетрудоспособности и третье среди причин инвалидности. В последние годы заболеваемость опорно-двигательного аппарата в России выросла с 10,9 до 16,9% от общего числа заболеваний и поднялась с третьего места на первое [1]. В последние годы отмечается не только рост заболеваемости тазобедренного сустава, но и «омолаживание» этой патологии, причем преобладают запущенные формы.
Несмотря на многочисленные как отечественные, так и зарубежные работы, посвященные диагностике заболеваний тазобедренного сустава, до сих пор нет единой скрининговой системы оценки прогрессирования остеоартроза, не выявлены прогностические факторы и механизм разрушения суставного хряща и околосуставных тканей [4]. Данные, характеризующие критерии диагностики и оценки результатов консервативного лечения начальных стадий остеоартроза тазобедренного сустава, часто разноречивы [3], [5]. В этих условиях очевидна актуальность поисков показателей диагностики, в том числе и ранней, остеоартроза тазобедренного сустава.
Важным показателем коксартроза является нарушение движений в суставах нижней конечности. Авторы статьи в течение ряда лет проводили клинические наблюдения этих нарушений у больных коксартрозом. Были составлены протоколы наблюдений для 52 больных с разными стадиями коксартроза, от начальной, когда рентгенографическое обследование не показывало патологии головки бедренной кости, до третьей, когда эта патология была ярко выражена. Было обследовано 30 мужчин и 22 женщины; возраст больных находился в диапазоне от 25 до 58 лет. Проведенные клинические наблюдения показали, что, несмотря на то, что патологии был подвержен тазобедренный сустав, больные в основном жаловались на боли в коленном суставе, и, как следствие, основные нарушения движений касались именно коленного сустава. Больные «берегли» этот сустав, уменьшая амплитуду движения и укорачивая фазу опоры при ходьбе. На поздних стадиях коксартроза наблюдалось уменьшение амплитуды движений в тазобедренном суставе. С целью выяснения возможности диагностировать различные стадии этого заболевания было проведено исследование численных параметров движений нижней конечности. Это исследование было основано на запатентованном методе регистрации и биомеханического анализа движений человека в норме и при различных двигательных патологиях (патент № 2395245 RU от 27.07.2010).
Материалы и методы.
Заинтересованные пациенты и контрольная группа.
Обследовано 14 пациентов, с различной стадией коксартроза (идиопатического, посттравматического, аваскулярного некроза головки бедра) от начальной до третьей стадии по классификации Коллгрена-Лоуренса, из них 9 мужчин и 5 женщин в возрасте от 22 до 57 лет (табл.1). Контрольная группа без двигательных нарушений состояла из 9 мужчин в возрасте от 24 до 55 лет.
Таблица 1. Обследованные больные с различной стадией коксартроза
Больной | Стадия коксартроза (клиническое заключение) n – норма |
Пол |
Возраст | |
левый тазобедренный сустав | правый тазобедренный сустав | |||
К.А. | I | N | М | 22 |
И.Е. | n | I | М | 25 |
Н.Е. | n | I | Ж | 28 |
К.Д. | n | I | М | 30 |
Д.А. | I | N | М | 50 |
У.С. | II | I | М | 35 |
С.И. | II | II | М | 42 |
Х.Н. | II | II | Ж | 57 |
З.А. | II | II | Ж | 48 |
Ф.В. | II | II | М | 52 |
Е.Т. | n | III | Ж | 48 |
К.А.В. | III | I | М | 38 |
К.Т. | III | I | М | 40 |
А.Н. | I | III | М | 43 |
Исследование проводилось до начала лечения с больными, у которых заболевание выявлено впервые. Стадия заболевания у всех пациентов предварительно была подтверждена с помощью рентгенологического исследования тазобедренного сустава, компьютерной томографией, магнитно-резонансной томографией и остеосцинтиграфией проксимального отдела бедра, а также лабораторными исследованиями крови.
Регистрация движений.
Движения нижних конечностей испытуемых записывались с помощью электромагнитной системы trakSTAR (Ascension Technology Corporation). Четыре датчика размером 2х2х8 мм закреплялись на пояснице, бедре, голени и стопе испытуемого. В процессе совершения движений регистрировались три координаты и три угла вращения каждого датчика относительно неподвижной системы координат. Частота опроса составляла 100 Hz. Движения записывались в течение 10 секунд.
Больным коксартрозом, а также контрольной группе испытуемых, предлагалась следующая система двигательных тестов: 1) махи ногой вперед-назад; 2) отведение ноги в сторону; 3) сгибание голени в колене с последующим вращением ее относительно продольной оси бедра; 4) сгибание и разгибание в тазобедренном и коленном суставах; 5) шаги вперед. Все движения выполнялись сначала левой, а затем правой конечностью. Регистрировались также движения опорной ноги в процессе совершения тестов.
Испытуемым давали инструкцию выполнять движения с максимально возможной амплитудой и с удобной скоростью. Как больным, так и здоровым испытуемым предлагалось опереться рукой на неподвижную, удобно расположенную опору в случае, если выполнение движения было затруднительным. Испытуемые, однако, получали инструкцию минимально использовать опору.
Параметры движений.
Суставные углы, скорости и ускорения.
Степень двигательной патологии часто оценивается (как пациентом, так и врачом) по снижению объема движений в суставах. В связи с этим амплитуды вращений в суставах приняты в настоящей статье в качестве численной оценки объема движений, а амплитуды суставных скоростей – в качестве показателей состояния мышц, приводящих суставы в движение.
По данным регистрации движений с помощью ранее разработанных методов [9], [13] вычислялись углы вращения в тазобедренном суставе (сгибание-разгибание, отведение-приведение и вращение относительно продольной оси бедра), в коленном и в голеностопном суставах (сгибание-разгибание). Угловые скорости и ускорения вычислялись по суставным углам с использованием 3-х точечной схемы.
Суставная «жесткость» и «гибкость» коленного сустава
При необходимости ограничить объем движения в суставе из-за возникающих болей больной может коактивировать мышцы-антагонисты, увеличивая суставную жесткость. Такая коактивация приводит к тому, что сустав становится менее гибким и хуже демпфирует возможные возмущения. В нашей работе демпфирующие свойства суставов оценивались с помощью двух параметров: а) суставной «жесткости» и б) «гибкости» коленного сустава.
Для движений в малой окрестности положения равновесия суммарный момент мышечных сил в суставе с хорошей степенью точности может быть описан линейной пружинной моделью, т.е. может считаться пропорциональным суставному углу [8], [10]:
, где k – суставная жесткость, - суставной угол, а - положение равновесия.
С другой стороны, для медленных движений суммарный мышечный момент М пропорционален угловому ускорению, поэтому суставная жесткость k может быть оценена в этом случае как результат линейной регрессии между угловым ускорением и суставным углом. Этот метод оценки суставной жесткости использовался для анализа движений опорной ноги в предположении, что для нее положение равновесия коленного сустава остается неизменным, а движения обусловлены возмущениями, связанными с движениями другой ноги. В последующем анализе «жесткостью» называется тангенс угла наклона линии регрессии. Для всех суставов линии регрессии имели отрицательный наклон, что соответствует смыслу пружинной модели (сила пружины направлена противоположно перемещению).
Для походки в норме характерным изменением угла в коленном суставе в фазе опоры является чередование сгибания и разгибания [7]. Такое изменение суставного угла соответствует пружинной модели коленного сустава. В случае патологии «гибкость» коленного сустава уменьшается, что отражается на кривизне временной развертки суставного угла: амплитуды сгибания – разгибания уменьшаются вплоть до постоянных значений. Степень «гибкости» коленного сустава оценивалась по максимуму углового ускорения в фазе опоры, характеризующего кривизну временной развертки суставного угла.
Результаты и обсуждение.
Амплитуды суставных углов.
Амплитуды движений в тазобедренном суставе для всех тестов при патологии были в среднем ниже, чем в норме. Имеет место монотонное уменьшение амплитуды от нормы к тяжелым формам коксартроза, причем начальная стадия перекрывается с нормой. Статистически достоверное отличие начальной (первой) стадии коксартроза от нормы наблюдалось только для вращений относительно продольной оси бедра (one-way ANOVA: p < 0.005; F(3,43) = 17.349). Таким образом, именно это тестовое движение, как, по-видимому, наименее привычное, является показательным для выявления ранних стадий коксартроза. Для второй и третьей стадии коксартроза отличие амплитуд вращений от нормы было достоверным для всех тестовых движений (p < 0.005).
Уменьшение амплитуды движений в тазобедренном суставе при коксартрозе наблюдалось и другими авторами. Например, по данным H.Miki с соавторами [12] при ходьбе амплитуда в тазобедренном суставе больной ноги составляла 21.3±7.9°, а в том же суставе здоровой ноги 46.7±7.1°. По нашим данным уменьшение амплитуды движений в тазобедренном суставе при совершении шагов наблюдалось только при III стадии коксартроза и составляло 32.4±15.0° против 40.3±10.4° в норме.
Численная оценка амплитуд углов в некоторых случаях позволяла уточнить клинический диагноз. Так, для больной Х.Н. с клиническим диагнозом «двусторонний коксартроз II стадии» амплитуды углов в тазобедренном суставе для всех тестовых движений правой конечности были ниже, чем левой, что свидетельствовало о более выраженной патологии тазобедренного сустава правой конечности. Что касается коленного и голеностопного суставов, статистически достоверного уменьшения амплитуд движений с возрастанием тяжести коксартроза выявлено не было.
Угловые скорости.
Максимальные угловые скорости движений в тазобедренном суставе уменьшаются по мере увеличения степени коксартроза. Это уменьшение статистически достоверно для всех тестов, однако, для тестовых вращений в тазобедренном суставе оно выражено сильнее, чем для шагов: для тестовых движений сравнение по методу one-way ANOVA дает p=0.000001; F(3,183)=29.063, а для шагов p=0.00002; F(3,212)=8.7727. К тому же разность между средними значениями максимальных скоростей в норме и при первой стадии коксартроза для тестовых движений больше, чем для шагов. Таким образом, по этому параметру тестовые движения более показательны для ранней диагностики, чем шаги.
Результаты измерений максимального момента силы передней и задней групп мышц бедра с помощью динамометрических стендов по данным работы [6] показывают снижение этого показателя для пораженной конечности на 9-13%. Однако при этом у обследуемых не указана стадия коксартроза. По нашим данным для тестовых движений максимальные скорости в среднем снижены на 37% для I стадии, на 40% для II и на 60% для III (в среднем на 46%). Для шагов это снижение составило 15%, 4% и 30% соответственно (в среднем 19%).
По-видимому, у молодых пациентов сила мышц не является показателем для ранней диагностики заболевания из-за эффективного действия компенсаторных механизмов. По данным [6] у 20-35-летних больных максимальный момент силы мышц пораженной конечности не только не снижался, но и был больше, чем для здоровой. У некоторых больных в возрасте до 35 лет мы также наблюдали отсутствие достоверных различий угловых скоростей между нормой, определяемой по движениям здоровой ноги, и III стадией коксартроза, что также можно было бы объяснить действием компенсаторных механизмов. Однако, у большинства таких больных отличия угловых скоростей здоровой и больной конечности были достоверны. Таким образом, угловые скорости можно считать более чувствительным показателем ранней стадии коксартроза, чем максимальный момент мышечных сил.
«Жесткость» суставов.
В среднем суставная «жесткость» была выше для конечности с более выраженной патологией. Например, для больных, у которых одна из конечностей была здорова, а на другой стороне диагностировался коксартроз I стадии для всех суставов «жесткости» были выше для конечности с I стадией, чем для здоровой конечности. Для лиц, у которых диагностировался коксартроз II стадии обеих конечностей, «жесткости» в тазобедренных и коленных суставах в среднем были одинаковы. Для пациентов, у которых на одной конечности диагностировался коксартроз I стадии, а на другой – коксартроз III стадии для всех суставов «жесткости» были выше для конечности с III стадией. Это увеличение было выражено сильнее для тазобедренного и коленного суставов, чем для голеностопного.
Монотонного увеличения «жесткости» от нормы к тяжелым формам коксартроза найдено не было. Степень увеличения «жесткости» суставов для конечности с более выраженной патологией была строго индивидуальной.
Для контрольной группы здоровых испытуемых статистически достоверного различия между «жесткостями» правой и левой конечности обнаружено не было. Это позволяет полагать, что увеличение «жесткости» конечности с более выраженной патологией связано именно с коксартрозом, а не с различиями «жесткостей» правой и левой конечности.
«Гибкость» коленного сустава.
Максимум углового ускорения в коленном суставе статистически достоверно уменьшался от нормы к тяжелым формам коксартроза: p < 0.05; F(3, 202)=12.772. По этому параметру I стадия коксартроза в 1,5 раза отличалась от нормы. Таким образом, этот параметр является показательным для ранней диагностики.
Оценка точности диагностики.
Диагностика патологии может быть улучшена, если использовать совокупность нескольких показателей. Мы использовали показатели амплитуды вращений в тазобедренном суставе и «гибкости» коленного сустава. Прямая, полученная в результате дискриминантного анализа, наилучшим образом разделяет норму и патологию. Точность диагностики оценивалось с помощью показателя ROC (Receiver Operating Characteristic), принятого в медицинской диагностике [14]. Величина этого показателя составила 0.935. При диагностике патологии только по амплитуде вращений этот показатель составляет 0.64, а при диагностике только по «гибкости» - 0.69. Заметим, что хорошей считается диагностика, для которой этот показатель превосходит 0,8.
Несмотря на высокий показатель качества диагностики, три случая первой стадии коксартроза по двум вышеприведенным параметрам были классифицированы как норма. Для более точной диагностики в этих случаях должны использоваться индивидуальные различия биомеханических параметров правой и левой конечностей. Например, для больного с точкой, наиболее удаленной от дискриминантной кривой, амплитуды в тазобедренном суставе больной конечности при сгибании в колене была снижена на 13%, а при ходьбе на 17% по сравнению со здоровой конечностью. «Жесткости» в коленном суставе больной конечности были в 1.8 раза выше, чем в коленном суставе здоровой конечности.
По нашим данным I и II стадии коксартроза по этому параметру статистически неразличимы (p>0,1).
Возможность ранней диагностики. Клинические примеры.
На примерах двух больных молодого возраста с ранними стадиями коксартроза показано, каким образом описанные выше параметры – амплитуды суставных углов, угловые скорости, «жесткость» и «гибкость» коленного сустава – отражают начальную фазу заболевания.
Больная Н.Е., возраст 28 лет. История болезни №6123.
Клинический диагноз: Диспластический левосторонний коксартроз I стадии. Правый тазобедренный сустав в норме.
Обследование дало следующие результаты. 1) Амплитуда движений в левом тазобедренном суставе снижена по сравнению с амплитудой в правом на 33% при вращениях относительно продольной оси бедра, на 19% при сгибании в колене и на 20% при совершении шагов. Для остальных тестов амплитуда движений в тазобедренном суставе соответствовала норме. 2) Амплитуда угловых скоростей в тазобедренном суставе левой конечности снижена по сравнению с правой только для вращений относительно продольной оси бедра (на 21%). 3) «Жесткости» всех суставов левой конечности существенно больше по сравнению с правой: на 88% в тазобедренном суставе, на 47% в коленном и на 53% в голеностопном. 4) Углы, как в левом, так и в правом коленном суставах в фазе опоры изменяются незначительно, и параметр, характеризующий «гибкость» этого сустава, близок к нулю для обеих конечностей.
Больной И.Е., 25 лет. История болезни №7541 с подозрением на правосторонний коксартроз. Левый тазобедренный сустав в норме.
Обследование дало следующие результаты: 1) амплитуда в правом тазобедренном суставе снижена по сравнению с амплитудой в левом на 20% для махов вперед-назад и на 20% для отведения; 2) амплитуда угловых скоростей в правом тазобедренном суставе снижена по сравнению с амплитудой в левом: для махов вперед-назад на 10%, для отведения - на 20%, для вращений относительно продольной оси бедра – на 13%, для сгибания в колене – на 11% и при совершении шагов – на 23%; 3) «жесткость» правого коленного сустава выше, чем левого на 20%; «жесткости» остальных суставов - в норме; 4) «гибкость» правого коленного сустава в опорной фазе шагов снижена на 27%; угловая амплитуда в этом суставе больше для левой конечности, чем для правой.
Таким образом, набор предложенных параметров показывает отличие движений здоровой конечности от движений конечности с начальной стадией коксартроза. Тестовым движением, наиболее чувствительным к патологии, как уже было показано выше, является вращение относительно продольной оси бедра. Ухудшение «пружинных» свойства коленного сустава у одного из пациентов проявляется в увеличении «жесткости», а у другого – в уменьшении «гибкости».
Клинические наблюдения нарушений движений нижней конечности, сопутствующих коксартрозу, были только отчасти подтверждены результатами биомеханического анализа. Так, было показано, что амплитуда движений в тазобедренном суставе действительно уменьшается с возрастанием степени тяжести заболевания. Также было показано, что «жесткость» всех суставов выше для конечности с более выраженной патологией. Однако, наблюдение уменьшения амплитуды движений в коленном суставе с возрастанием тяжести заболевания на исследуемой группе больных не подтвердилось. Статистически достоверного уменьшения длительности фазы опоры при ходьбе от нормы к тяжелым формам коксартроза также найдено не было.
Одновременно были выявлены новые биомеханические параметры, адекватно описывающие стадии коксартроза. Это «гибкость» коленного сустава, характеризующая пружинные свойства этого сустава при ходьбе, и угловые скорости, характеризующие состояние мышц, приводящих сустав в движение.
В научной литературе описаны примеры анализа движений нижней конечности для диагностики остеоартрозов: для оценки результата эндопротезирования бедра [7], для оценки динамики периода восстановления походки после эндопротезирования [12], для определения особенностей походки пациентов с остеоартрозом коленного сустава [11], для оценки результата операций на голеностопном суставе [15]. Основными параметрами диагностики в имеющихся работах служат суставные углы. Работы, в которых бы анализировались упругие свойства суставов, авторами настоящей статьи в литературе найдены не были. Также не обнаружены работы, в которых ставилась бы задача ранней диагностики коксартроза методами биомеханики.
Во всех перечисленных работах движения нижних конечностей регистрировались с помощью гониометров [7] или оптических систем типа VICON [11], [12], [15]. По сравнению с этими системами записи электромагнитная система trakSTAR, которая использовалась в нашей работе, имеет преимущества для использования в клинике благодаря компактности и дешевизне (по сравнению с оптическими системами) и маленькой величине датчиков, не вносящих возмущения в движение (по сравнению с массивными гониометрами). Система типа trakSTAR уже успешно применялась в клинике для регистрации и биомеханического анализа движений травмированной кисти [2].
Средние значения биомеханических показателей коксартроза характеризуют в целом тяжесть поражения тазобедренного сустава. Однако, разброс индивидуальных двигательных параметров очень велик. Физиологические и биомеханические особенности организма, возраст, физическая подготовка кардинальным образом влияют на параметры совершаемых движений. Поэтому в случае, когда средние значения параметров не позволяют выявить патологию, необходимо привлекать сравнение параметров движений здоровой и больной конечностей. К сожалению, часто встречаются случаи, когда оба тазобедренных сустава в той или иной степени поражены артрозом, и нет возможности определить индивидуальную норму. Однако, как правило, такая ситуация имеет место на поздних стадиях заболевания, когда патология хорошо идентифицируется по средним значениям параметров. На ранней же стадии заболевания разумно принять параметры движений здоровой конечности в качестве индивидуальной нормы.
Для больных с ранними стадиями коксартроза сравнение с индивидуальной нормой показывает, что амплитуды угловых вращений и угловых скоростей, а также параметры, определяющие пружинные свойства суставов, отражают различия между конечностью с подозрением на коксартроз и здоровой конечностью.
Выводы
Список цитированной литературы.
2024© semashko.com
ЧУЗ “КБ ”РЖД-Медицина” им Н.А. Семашко” использует cookie. Файлы cookie хранят полезную информацию на вашем компьютере для того, чтобы мы могли улучшить оперативность и точность нашего сайта для вашей работы. В некоторых случаях файлы cookie необходимы для обеспечения корректной работы сайта. Вы можете запретить сохранение cookie в настройках своего браузера.
Ознакомьтесь с политикой конфиденциальности.
Создание сайтов - Medafarm STUDIO