CC BY
6УДК 612.766:616.728
Солодилов Р.О., Логинов С.И.
Solodilov R.O., Loginov S.I.
ОСОБЕННОСТИ КИНЕМАТИКИ СГИБАНИЯ В ТАЗОБЕДРЕННОМ СУСТАВЕ У ЛЮДЕЙ С ОСТЕОАРТРОЗОМ КОЛЕННОГО СУСТАВА
KINEMATICS FLEXION FEATURES IN THE HIP JOINT OF PEOPLE WITH OSTEOARTHRITIS OF THE KNEE JOINT
Изучено влияние остеоартроза коленного сустава на биомеханические показатели сгибания в тазобедренном суставе у людей в возрасте 40-65 лет при помощи метода безмаркерного захвата движений человека. Зафиксированы существенные различия между контрольной и экспериментальной группами в кинематических показателях были зафиксированы существенные различия. Было установлено, что люди с ОАКС имеют большую флексию бедра, чем люди, не страдающие ОАКС (p < 0,01).
Given paper studies the influence of osteoarthritis of the knee joint on biomechanical indices of flexion in the hip joint of people at the age of 40-65 years, with the help of markerless person motion capture method. During the statistical analysis of data between control group and experimental group in kinematic indices essential differences were fixed. It was established that people with osteoarthritis of the knee joint have more flexion of the hip than people who don't suffer from it.
Ключевые слова: биомеханика, остеоартроз, коленный сустав, тазобедренный сустав, безмаркерная система захвата движения.
Keywords: biomechanics, osteoarthritis, hip, markerless motion capture system.
Причины возникновения остеоартроза до сих пор являются неопределенными [6]. Этиология ОА по своей природе носит многофакторный характер. Наиболее существенными факторами в патогенезе ОА являются биологический и механический факторы. К первым можно отнести биохимические изменения, происходящие в суставной и хрящевой ткани на клеточном и внутриклеточном уровнях, а также системные биохимические сдвиги на гормональном и генетическом уровнях. Механические воздействия могут быть вызваны профессиональной или спортивной деятельностью, ожирением, развитием неправильного положения конечности, травмы и множества других причинных механизмов, влияющих на развитие склероза субхондральной кости и дегенерации суставного хряща [1, 7]. Биомеханические факторы могут быть охарактеризованы как наследственные (внутренние) и внешние [10]. Внутренние факторы включают в себя изменения, происходящие во внутрисуставных структурах, и слабость суставов. К внешним факторам можно отнести травмы и физическую деятельность. Недавно проведенные исследования ясно показали, как внутренние биомеханические факторы влияют на развитие и прогрессирование ОАКС [3, 11, 12]. Таким образом, при проведении консервативного лечения остеоартроза лечащий врач должен обладать базовыми знаниями не только анатомии и физиологии сустава, но и кинематики коленного сустава и опорно-двигательного аппарата в целом. Это имеет особое значение при рассмотрении консервативного лечения как основного метода лечения.
Целью данного исследования является установление особенностей влияния остеоарт-роза коленного сустава на биомеханические показатели тазобедренного сустава у людей в возрасте 40-65 лет в сагиттальной плоскости.
Контингент. В исследовании приняли участие 42 здоровых человека без видимых симптоматических признаков остеоартроза коленного сустава (ОКС) (контрольная группа,
КГ) и тридцать один человек с билатеральным ОАКС отдела (экспериментальная группа, ЭГ) в возрасте 40-65 лет. Все испытуемые дали письменное информированное согласие на участие в исследовании. После проведения соответствия критериям включения и исключения в контрольной группе осталось тридцать человек, в экспериментальной группе - двадцать пять человек (табл. 1).
Таблица 1
Сравнительные данные участников, которые были включены и исключены из исследования в соответствии с выбранными критериями*
Показатель ЭГ, включены ЭГ, исключены КГ, включены КГ, исключены
Количество 25 6 30 12
Возраст, лет 42-65 42-64 41-65 40-61
Средний возраст (БП) 56,1 (5,8) 55,8 (9,2) 51,6 (7,1) 49,3 (6,3)
Мужчины 7 0 11 4
Женщины 18 6 19 8
Рост, м. (БП) 1,67 (0,05) 1,64 (0,04) 1,66 (0,06) 1,66 (0,07)
Вес, кг (БП) 64,6 (9,9) 59,9 (2,5) 66,2 (10,6) 67,5 (9,8)
Примечание: *Критерии включения: 1) возраст 40-65 лет; 2) диапазон сгибания колена ±90 гр; 3) способность самостоятельно передвигаться на расстояние >15 м без посторонней помощи; 4) способность самостоятельно вставать со стандартного стула не менее 5 раз без использования рук; 5) наличие болевых ощущений в колене более одного месяца. Билатеральная боль в коленях (для КГ, 5 и 6 критерии, являлись условиями исключения). Критерии исключения: 1. Неврологические заболевания и заболевания ОДА, которые могли повлиять на результаты теста. 2. Заболевания разгибательного механизма колена. 3. Беременность. 4. Инъекции кор-тикостероидов в область колена, за последние три месяца. ЭГ — экспериментальная группа, КГ — контрольная группа, SD — стандартное отклонение.
Методы исследования. Биомеханический анализ вставания был проведен с использованием трех безмаркерных сенсорных контроллеров (БСК) «Microsoft Kinect v.2», оснащенного системой захвата движения и программного обеспечения «Brekel Pro Body». Данный БСК зарекомендовал себя как надежное средство получения достоверных показателей [5, 14]. Сенсоры располагались на триподе, высота которых была отрегулирована на 80 см, расстояние от сенсоров до стула составлялоа 210 см. БСК были установлены во фронтальной и сагиттальной плоскостях по отношению к испытуемому.
Участники исследования выполняли вставание с табурета, высота которого была отрегулирована на уровне 110 % от высоты коленей, руки в скрещенном положении на уровне груди. Колени испытуемых были поставлены под 90°, положение ступней было естественным.
Тест выполнялся без обуви. Для более точной фиксации времени подъема к сиденью стула был прикреплен контактный выключатель. Скорость выполнения теста оставалась на усмотрении участников. Участники исследования выполняли тест в 3 подхода. Весь цикл движения был разбит на 3 фазы, которые были описаны Schenkman и коллегами [4, 9]: I - фаза опоры; II - фаза передачи импульса; III - фаза выпрямления. Фазы в свою очередь были разбиты на четыре события (t1-t4): t1 - старт (туловище отклоняется на 1° или более); t2 -вставание (контактные выключатели на стуле выключаются); t3 - максимальное сгибание голеностопного сустава доминантной конечности; t4 - конец (угловая скорость тазобедренного сустава равняется 0 град./сек) (рис. 1). Углы тазобедренных суставов были подсчитаны при помощи программного обеспечения «Brekel Pro Body». Для определения кинематических показателей данное программное обеспечение использует инверсивную динамику и углы Эйлера. Захват движения происходит в одной ортогональной плоскости (сагиттальной). Данные о суставе сохраняются в формате .csv. Доминантность нижней конечности была определена при помощи трех методов определения ведущей ноги. Испытуемым предлагалось вы-
полнить следующие тесты: закидывание ноги на ногу (сверху оказывается функционально преобладающая нога), шаг вперед и шаг назад (нога, выполняющая движение первой, считается ведущей), прыжок в длину (ведущая нога является толчковой). Доминантной считалась конечность, которая была ведущей при выполнении >2 из 3 тестовых заданий.
Время выполнения (%)
Рис. 1. Фазы вставания:
I - фаза опоры; II - фаза передачи импульса; III - фаза выпрямления; t1 - старт (туловище отклоняется на 1 градус или более); t2 - подъем (контактные выключатели на стуле выключаются); t3 - максимальное сгибание голеностопного сустава доминантной конечности; t4 - конец (угловая скорость тазобедренного сустава равняется 0 град./сек)
Статистический анализ. Статистический анализ был проведен при помощи программного пакета Statistica 10 (StatSoft, Inc., США). Рассчитывали среднее значение <X> и стандартное отклонение <SD> для коленного и тазобедренного суставов: максимальные и минимальные угловые моменты, углы в начале и конце теста, а также углы в начале вставания. Данные групп были усреднены и стандартизированы. Ввиду большого количества сравнений, уровень статистической значимости был установлен наp < 0,01.
Кинематика. При статистическом анализе кинематики ТБС были зафиксированы существенные различия между КГ и ЭГ (t-test, p < 0,01) (табл. 2). В сагиттальной плоскости ТБС у испытуемых в ЭГ в конце теста и при их минимуме имели меньшие моменты экстензии по сравнению с КГ (рис. 2). Существенных различий между доминантными и не доминантными конечностями зафиксировано не было.
Таблица 2
Кинематические данные углов тазобедренных суставов (в градусах), сагиттальная плоскость (сгибание). Углы выражены в средних значениях (стандартные отклонения)
Событие Контрольная группа (Д/НД), mean (SD) Экспериментальная группа (Д/НД), mean (SD)
Начало 57,3 (3,1)/56,8 (2,3) 57,7 (4,2)/57,5 (4,3)
Подъем 73,3 (5,2)/72,4 (5,3) 72,2 (5,4)/71,5 (5,5)
Конец 8,5 (3,2)/8,3 (2,6)а 12,4 (3,1)/1,3 (3,3)а
Max 75,5 (4,7)/74,6 (4,2) 74,0 (5,3)/73,3 (5,5)
Min 8,5 (3,2)/8,3 (2,6)а 12,4 (3,1)/11,3 (3,3)а
Примечание: Д/НД — доминантная/не доминантная нижняя конечность; mean — среднее значение; SD — стандартное отклонение; С — сагиттальная плоскость; Ф — фронтальная плоскость; П — поперечная плоскость; Max — максимальная угловая позиция сустава; Min — минимальная угловая позиция сустава; а — статистически значимое различие между группами p < 0,01.
Существенные различия между группами в сагиттальной плоскости были зафиксированы в конце цикла движения, что также сочетается с минимальными угловыми моментами, т.е. минимальным сгибанием бедра. Из чего можно сделать вывод, что ЭГ сохраняла больший изгиб тазобедренного сустава после вставания с табурета. Данное положение может вы-
звать небольшое смещение центра тяжести туловища вперед, и потенциально сократить силу, генерируемую четырехглавыми мышцами для поддержания экстензии колена, таким образом, сократив нагрузку на коленный сустав, тем самым уменьшив болевые ощущения в коленном суставе. Недостаток различий между группами в угловых моментах сгибания ТБС при подъеме не противоречат результатам исследования Pai и Su et al. [8, 13], которые обнаруживали различия лишь тогда, когда высота табурета составляла 65 % от высоты колена. В нашем исследовании использовался табурет, высота которого составляла 110 % от высоты коленей. Было установлено, что при такой высоте табурета происходит меньшее сгибание бедра и колена [2].
18
16
+ 14
1 12 I 10
s
^ 8
о 1-1-шЛт т$тшщ—
Рис. 2. Угловые позиции тазобедренных суставов в конце теста и при их минимуме
в сагиттальной плоскости:
* — представлены достоверные различия между группами, p < 0,01; Д — доминантная нижняя конечность;
НД — не доминантная нижняя конечность
Таким образом, при статистической обработке биомеханических показателей КГ и ЭГ были выявлены существенные различия в кинематике тазобедренных суставов. Установлено, что люди в возрасте 42-65 лет, страдающие ОАКС, имеют большую флексию бедра, чем люди, не страдающие ОАКС. Данные различия могут обозначать, что люди, страдающие ОАКС, претерпевают гораздо большее напряжение в хрящах ТБС, что потенциально ведет к прогрессированию остеоартроза.
Литература
1. Altman R. D., Hochberg M. C., Moskowitz R. W., Schnitzer T. J. Recommendations for the medical management of osteoarthritis of the hip and knee // Arthritis Rheum. 2000. Vol. 43. P.1905-1915.
2. Burdett R. G., Habasevich R., Pisciotta J., Simon S. R. Biomechanical comparison of rising from two types of chairs // Phys. Ther. 1985. Vol. 65. P. 1177-1183.
3. Elahi S., Cahue S., Felson D. T., Engelman L., Sharma L. The association between varus-valgus alignment and patellofemoral osteoarthritis // Arthritis Rheum. 2000. Vol. 43(8). P. 1874-1880.
4. Ikeda E. R., Schenkman M. L., Riley P. O., Hodge W. A. Influence of age on dynamics of rising from a chair // Phys. Ther. 1991. Vol. 71. P. 473-481.
5. Martin C. C., Burkert D. C., Choi K. R., Wieczorek N. B., McGregor P. M., Herrmann R. A., Beling P. A. A Real-time Ergonomic Monitoring System using the Microsoft Kinect // Proceedings of the 2012 IEEE Systems and Information Engineering Design Symposium, University of Virginia, Charlottesville, VA, USA, April 27, 2012. 238 p.
6. Martin D. F. Pathomechanics of knee osteoarthritis // Med. Sci. Sports Exerc. 1994. Vol. 26. P.1429-1434.
7. Pagura S. M. C., Thomas S. G., Woodhouse L. J., Ezzat S. Women awaiting knee replacement have reduced function and growth hormone // Clin. Orthop. Rel. Res. 2003. № 415. P. 202-213.
8. Pai Y-C., Chang H. J., Chang R. W., Sinacore J. M., Lewis J. L. Alteration in multijoint dynamics in patients with bilateral knee osteoarthritis // Arthritis Rheum. 1994. Vol. 37. P. 1297-1304.
9. Schenkman M., Berger R. A., Riley P. O., Mann R. W., Hodge W. A. Whole-body movements during rising to standing from sitting // Phys Ther. 1990. Vol. 70. P. 638-651.
10. Sharma L. Local factors in osteoarthritis // Curr. Opin. Rheumatol. 2001. № 13(5). P. 441-446.
11. Sharma L., Lou C., Cahue S., Dunlop D. D. The mechanism of the effect of obesity in knee osteoarthritis: the mediating role of malalignment // Arthritis Rheum. 2000. Vol. 43(3). P. 568-575.
12. Sharma L., Song J., Felson D. T., Cahue S., Shamiyeh E., Dunlop D. D.The role of knee alignment in disease progression and functional decline in knee osteoarthritis // JAMA. 2001. № 286. P. 188-195.
13. Su F. C., Lai K. A., Hong W. H. Rising from chair after total knee arthroplasty // Clin. Biomech. 1998. Vol. 13. P. 176-181.
14. Susin A., Lligadas X. Biomechanical Validation of Upper-body and Lower-body Joint Movements of Kinect Motion Capture Data // Ramon Llull University, Barcelona, Spain, 2012. 258 p.
