CC BY
16
I
Орипнальы досл1дження
Original Researches
Травма
УДК 616.718.72-001.5:616.748.54-008
ЛАЗАРЕВ И.А., РЯБОКОНЬ П.В., HALLER M, DENDORFER S. ГУ «Институт травматологии и ортопедии НАМН Украины», г. Киев Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg, Germany
ВЛИЯНИЕ СМЕЩЕНИЯ ПЕРИФЕРИЧЕСКОГО ФРАГМЕНТА ПЯТОЧНОЙ КОСТИ ПРИ ЕЕ ПЕРЕЛОМЕ НА ФУНКЦИЮ ТРЕХГЛАВОЙ МЫШЦЫ ГОЛЕНИ
Резюме. В структуре повреждений опорно-двигательного аппарата переломы пяточной кости составляют до 4 % всех переломов скелета и до 60 % переломов заднего отдела стопы. Изучено влияние смещения периферического отломка пяточной кости на силы реакции мышц голени в момент принятия упрощенного положения приседа на корточки методом моделирования в программной среде AnyBody Modeling System 6.0. M.gastrocnemius (lateralis et medialis) в начальной фазе движения во всех вариантах смещения периферического фрагмента не развивала достаточных мышечных усилий по сравнению с интактной пяточной костью. M.soleus medialis et lateralis демонстрировала значительное повышение показателей мышечной активности в начальной фазе движения (41,87 ± 1,90 Н и 52,07 ± 2,10 Н) до достижения своих максимальных значений по сравнению с аналогичными показателями интактной пяточной кости. В конечной фазе движения, в момент достижения мышцей своей максимальной длины показатели мышечных сил m.soleus возвращались к исходным величинам или были значительно ниже этих значений. Снижение показателей мышечных сил происходило в связи с уменьшением плеча силы или мышечной экскурсии при сближении точек прикрепления мышцы. При смещении периферического фрагмента, за счет опускания пятки на поверхность опоры в условиях анатомического удлинения мышцы, ей требуется дополнительное усилие для достижения длины покоя и своего силового максимума. Во всех вариантах смещения периферического фрагмента нарушается функция трехглавой мышцы голени с вовлечением дополнительных мышечных усилий и энерготрат. Данный факт должен нацелить хирурга на необходимость точной репозиции отломков при переломе пяточной кости со смещением периферического фрагмента.
Ключевые слова: переломы пяточной кости, AnyBody Modeling System, мышечные силы, m.gastrocnemius, m.soleus.
Введение
В структуре повреждений опорно-двигательного аппарата переломы пяточной кости составляют до 4 % всех переломов скелета и до 60 % переломов заднего отдела стопы [3]. Наиболее неблагоприятными являются внутрисуставные переломы (80 % переломов пяточной кости) [4]. Основной причиной переломов пяточной кости является падение с высоты на ноги. В 15 % случаев отмечаются двусторонние переломы. Перелом пяточной кости со смещением отломков является тяжелой травмой, а недостаточная репозиция и фиксация отломков приводят к полной или частичной утрате статико-динамической функции стопы. Основной функциональной единицей голени является трехглавая мышца голени, которая в результате перелома пяточной кости со смещением периферического фрагмента претерпевает изменения своей длины и плеча силы. Такие нарушения
приводят к изменению поведения мышцы в условиях функциональной нагрузки. В фазе заднего толчка акта ходьбы трехглавая мышца голени, передавая усилие по поднятию массы тела через смещенный периферический фрагмент пяточной кости, работает в измененных условиях.
Цель исследования — изучение влияния смещения периферического отломка пяточной кости на функцию трехглавой мышцы голени.
Материалы и методы
Исследование проведено методом моделирования в программной среде AnyBody Modeling System 6.0 (AnyBody Technology, Dаnemаrk) с использова-
© Лазарев И.А., Рябоконь П.В., Haller M., Dendorfer S., 2015 © «Травма», 2015 © Заславский А.Ю., 2015
Рисунок 1. StandingModel из пакета AnyBody Repository AMMR
нием стандартной модели костно-мышечнои системы StandingModel из пакета AnyBody Repository AMMR Version 1.6.2. Механические свойства тканей изменены в соответствии с экспериментальными целями. В контексте данной работы исследовались силы реакции задней группы мышц голени в момент принятия упрощенного положения приседа на корточки (рис. 1). Межсегментарные углы представлены в табл. 1.
Анализ проводился в разных условиях нахождения точки фиксации ахиллова сухожилия к пяточ-
Таблица 1. Межсегментарные углы модели нижних конечностей (MannequinFile)
//Leg
AnyVar HipFlexion = 60.0; AnyVar HipAbduction = 0.0; AnyVar HipExternalRotation = 0.0;
AnyVar KneeFlexion = 89.0;
AnyVar AnklePlantarFlexion = 0.0; AnyVar SubTalarEversion = 0.0;
ной кости путем изменения параметра координаты TendonCalcaneousNode в модели (табл. 2).
Положение координаты места крепления ахиллова сухожилия к пяточной кости при отсутствии ее перелома установлено по умолчанию, а также использовано 5 дополнительных вариантов положения, определяющих направление смещения периферического фрагмента перелома пяточной кости:
Вариант 1: TendonCalcaneousNode -0.8098, —0.0189}—> 10 шш вверх;
Вариант 2: TendonCalcaneousNode —0.7998, -0.0189}— 20 шш вверх;
Вариант 3: TendonCalcaneousNode —0.8198, -0.0189}— 10 шш кпереди;
Вариант 4: TendonCalcaneousNode —0.8198, -0.0189}— 10 шш кзади;
Вариант 5: TendonCalcaneousNode = {0.0390, -0.7998, -0.0189}— 20 шш вверх + 10 шш кпереди (рис. 2).
Анализ результатов проводился путем расчета мышечных сил в момент принятия упрощенного положения приседа для каждого положения смещения
{0.0290, {0.0290, {0.0390, {0.0190,
Таблица 2. Параметры координат места крепления ахиллова сухожилия к пяточной кости
//Insertion points on Hindfoot:
AnyVec3 TendonCalcaneousNode = ({0.0290, -0.8198, -0.0189}-{0.02, 0.015, -0.015})*.TF';
AnyVec3 GastrocnemiusLateralis1Node = TendonCalcaneousNode; //{0.0290, -0.8198, -0.0189}-{0.02, 0.015, -0.01})*.TF'; AnyVec3 GastrocnemiusLateralis1Node = TendonCalcaneousNode; //{0.0301, -0.8221, -0.0274}-{0.02, 0.015, -0.01})*.TF';
AnyVec3 Plantaris1Node = TendonCalcaneousNode; //{0.0451, -0.8141, -0.0233}-{0.02, 0.015, -0.01})*.TF';
AnyVec3 SoleusMedialis1Node = TendonCalcaneousNode; AnyVec3 SoleusMedialis2Node = TendonCalcaneousNode; AnyVec3 SoleusMedialis3Node = TendonCalcaneousNode; AnyVec3 SoleusLateralis1Node = TendonCalcaneousNode; AnyVec3 SoleusLateralis2Node = TendonCalcaneousNode; AnyVec3 SoleusLateralis3Node = TendonCalcaneousNode;
//{0.0418, -0.8171, -0.0271}-{0.02, 0.015, -0.01})*.TF' //{0.0418, -0.8171, -0.0271}-{0.02, 0.015, -0.01})*.TF' //{0.0418, -0.8171, -0.0271}-{0.02, 0.015, -0.01})*.TF' //{0.0290, -0.8198, -0.0189}-{0.02, 0.015, -0.01})*.TF' //{0.0290, -0.8198, -0.0189}-{0.02, 0.015, -0.01})*.TF' //{0.0290, -0.8198, -0.0189}-{0.02, 0.015, -0.01})*.TF'
Рисунок 2. Направление смещения периферического фрагмента перелома пяточной кости
фрагмента перелома пяточной кости по следующим элементам модели: GаstrocnemiusLаterаlis1, Gastrocne-ш1шМеё1аН82, Plantaris1, SoleusMedialis1, SoleusMedia-lis2, SoleusMedialis3, SoleusLateralis1, SoleusLateralis2, SoleusLateralis3.
Результаты и их обсуждение
По результатам расчетов, смещения периферического фрагмента пяточной кости в диапазоне 0—10 мм
Gastrocnemius Lateralisl
100,00-х 80,0060,00 — ! 40,00° 20,00 v.
0,00—-
0,00 0,11 0,22 0,33 0,44 0,56 0,67 0,78 0,89 1,00
Время t, с
— Вариант 0 —Вариант 1 —Вариант 2 Вариант 3 —Вариант 4 —Вариант 5
Gastrocnemius Medialis1
100,00-х 80,00—V—
я- 60,00—V—
1 40,00-V—
° 20,00-V—
0,00-^
0,00 0,11 0,22 0,33 0,44 0,56 0,67 0,78 0,89 1,00
Время t, с
— Вариант 0 —Вариант 1 —Вариант 2 Вариант 3 —Вариант 4 —Вариант 5
Plantaris1
100,00-х 80,00-я- 60,00 — 1 40,00° 20,00-
0,00^ -
0,00 0,11 0,22 0,33 0,44 0,56 0,67 0,78 0,89 1,00
Время t, с
— Вариант 0 —Вариант 1 —Вариант 2 Вариант 3 —Вариант 4 —Вариант 5
Рисунок 3. Графики мышечной активности m.gastrocnemius lateralis, m.gastrocnemius medialis и m.plantaris
не поддаются дальнейшему анализу в связи с низкой разрешающей способностью модели.
С учетом низкой активности m.plantaris как в ин-тактных условиях, так и в условиях перелома пяточной кости со смещением периферического фрагмента дальнейший анализ ее мышечных сил не проводился (рис. 3).
Группа m.gastrocnemius (lateralis et medialis) в начальной фазе движения во всех вариантах смещения периферического фрагмента не развивала достаточных мышечных усилий по сравнению с интактной пяточной костью (рис. 3).
Графики мышечной активности каждой из трех составляющих m.soleus medialis et lateralis демонстрируют значительное повышение их показателей в начальной фазе движения, достигающих значений 41,87 ± 1,90 Н и 52,07 ± 2,10 Н соответственно. Наблюдается больший прирост значений мышечных сил m.soleus lateralis до достижения своих максимальных значений, чем это наблюдается при интактной пяточной кости. В конечной фазе движения, в момент достижения мышцей своей максимальной длины (положение полного приседа модели AnyBody) все составляющие m.soleus демонстрировали возврат показателей мышечных сил, приближающихся к исходным величинам или даже значительно ниже этих значений (рис. 4, 5). Такое снижение показателей мышечных сил может свидетельствовать об уменьшении мышечной экскурсии в связи с уменьшением плеча силы или сближения точек прикрепления мышцы в условиях перелома пяточной кости со смещением периферического фрагмента вперед и вверх. Можно предположить, что в условиях анатомического удлинения мышцы за счет опускания пятки на поверхность опоры, при таком смещении периферического фрагмента мышце требуется дополнительное усилие для достижения длины покоя, а соответственно, и своего силового максимума. Данный факт согласуется с выводами М. Бликса, который в своих работах [1, 2] показал, что при растяжении активной поперечнополосатой мышцы под воздействием внешней нагрузки ее сила вначале возрастает, а затем уменьшается.
Графики показывают, что во всех вариантах смещения периферического фрагмента нарушается функция трехглавой мышцы голени с вовлечением дополнительных мышечных усилий для принятия положения полного приседа модели AnyBody. Данный факт должен нацелить хирурга на необходимость точной репозиции отломков при переломе пяточной кости со смещением периферического фрагмента.
Выводы
Во всех вариантах смещения периферического фрагмента пяточной кости при ее переломе нарушается функция трехглавой мышцы голени с вовлечением дополнительных мышечных усилий для принятия положения полного приседа. Смещение периферического фрагмента сопровождается допол-
Soleus Medialisl
CO
s
О
100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00
0,00 0,11 0,22 0,33 0,44 0,56 0,67 0,78 0,89 1,00 Время 1, с
Вариант 0 —Вариант 1 —Вариант 2 Вариант 3 —Вариант 4 —Вариант 5
Soleus Medialis 2
со ^
s
О
100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00
0,00 0,11 0,22 0,33 0,44 0,56 0,67 0,78 0,89 1,00
со
О
Вариант 0 Вариант 3
100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00
Время t, с Вариант 1 — Вариант 2 _Вариант 4 _Вариант 5
Soleus Medialis 3
0,00 0,11 0,22 0,33 0,44 0,56 0,67 0,78 0,89 1,00 Время 1, с
Вариант 0 —Вариант 1 —Вариант 2 Вариант 3 —Вариант 4 —Вариант 5
о
Вариант 0 Вариант 3
100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00
Время t, с Вариант 1 —Вариант 2 — Вариант 4 — Вариант 5
Soleus Lateralis 2
0,00 0,11 0,22 0,33 0,44 0,56 0,67 0,78 0,89 1,00
Вариант 0 Вариант 3
100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00
Время t, с Вариант 1 —Вариант 2 — Вариант 4 — Вариант 5
Soleus Lateralis 2
0,00 0,11 0,22 0,33 0,44 0,56 0,67 0,78 0,89 1,00 Время 1, с
Вариант 0 —Вариант 1 —Вариант 2 Вариант 3 —Вариант 4 — Вариант 5
Рисунок 5. Графики мышечной активности m.soleus lateralis
Рисунок 4. Графики мышечной активности m.soleus medialis
нительными усилиями m.soleus medialis et lateralis и, следовательно, дополнительными энергозатратами в начальной фазе движения. В конечной фазе движения, в момент достижения мышцей своей максимальной длины под воздействием внешней нагрузки ее сила вначале возрастает, а затем уменьшается.
Список литературы
1. Blix M. Die Lange und die Spannung des Muskels // Skand. Arch. Physiol. - 1895. - 5. - P. 150-206.
2. Blix M. Zur Frage: Wann der Energieumsatz bie der Muskel-contraction auch van der Spannung abhangt // Skand. Arch. Physiol. — 1895. — 6. — P. 245-251.
3. Giovanni C.D., Greisberg J. Core Knowledge in Orthopaedics: Foot and Ankle // Mosby. — 2007. — 416p.
4. Schepers T. DisplacedIntra-articular Fractures of the Calcaneus with an emphasis on minimally invasive surgery // Thesis. — Netherlands: Erasmus Universiteit Rotterdam, 2009.
Получено 09.01.15■
Лазарев I.A., Рябоконь П.В., Haller M., Dendorfer S. ДУ «1нститут травматологи та ортопедИ НАМН Украни», м. Кшв
Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg, Germany
ВПЛИВ ЗМЩЕННЯ ПЕРИФЕРИЧНОГО ФРАГМЕНТУ П'ЯТКОВО! ЮСТКИ ПРИ II ПЕРЕЛОМi НА ФУНКЦiЮ ТРИГОЛОВОГО М'ЯЗА ГОМИКИ
Резюме. У CTpyKrypi ушкоджень опорно-рухового апарату переломи п'ятково! истки становлять до 4 % ycix переломш скелета i до 60 % переломш заднього вщдшу стопи. Вивчено вплив змiщення периферичного вщламка п'ятково! кустки на реакцп м'язiв гомiлки в момент прийняття спрощеного поло-ження присщання методом моделювання в програмному се-редовищi AnyBody Modeling System 6.0. M.gastrocnemius (lateralis et medialis) у початковш фазi руху при всix варiантаx змщен-ня периферичного вщламка не розвинула достатнк м'язових зусиль у поршнянш з iнтактною п'ятковою к1сткою. M.soleus medialis et lateralis демонструвала значне щдвищення показни-к1в м'язово! активном! в початковiй фазi руху (41,87 ± 1,90 Н та 52,07 ± 2,10 Н) до досягнення сво!х максимальних значень у поршнянт з аналопчними показниками штактно! п'ятково! к1стки. У кiнцевiй фазi руху, в момент досягнення м'язом свое! максимально! довжини показники м'язових сил m.soleus по-верталися до вихщних величин чи були значно нижче цих значень. Зниження показниив м'язових сил вщбувалося у зв'язку зi зменшенням плеча сили чи м'язово! екскурсп при зближен-m точок прикршлення м'яза. При змщенш периферичного фрагмента, за рахунок опущення п'яти на поверхню опори при умовах анатомiчного подовження м'яза, йому необхщно додат-кове зусилля для досягнення довжини спокою та свого силового максимуму. При вск варiантаx змiщення периферичного фрагмента порушуеться функц1я триголового м'яза гомшки iз залученням додаткових м'язових зусиль та енерговитрат. Да-ний факт повинен спонукати х1рурга до точно! репозицп вщ-ламкiв при переломi п'ятково! к1стки зi змщенням периферич-ного фрагмента.
K^40Bi слова: перелом п'ятково! шстки, AnyBody Modeling System, м'язовi сили, m.gastrocnemius, m.soleus.
Lazarev I.A., Riabokon P.V., Haller M., Dendorfer S. State Institution «Institute of Traumatology and Orthopedics of National Academy of Medical Sciences of Ukraine», Kyiv, Ukraine Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg, Germany
EFFECT OF THE DISPLACEMENT OF CALCANEAL BONE PERIPHERAL FRAGMENT IN ITS FRACTURE ON THE FUNCTION OF THE THREE-HEADED CALF MUSCLE
Summary. In the structure of musculoskeletal injuries, calcaneal fractures account for up to 4 % of all skeletal fractures and up to 60 % of hindfoot fractures. The effect of the displacement of the peripheral fragment of the calcaneus on the calf muscles's reaction forces at the time of the adoption of the simplified squatting position was investigated by modeling in AnyBody Modeling System 6.0 software. M.gastrocnemius (lateralis et medialis) in the initial phase of motion in all variants of the peripheral fragment displacement did not develop sufficient muscular effort in comparison to the intact calcaneus. M.soleus medialis et lateralis showed significant increase in muscle activity rates in the initial phase of motion (41.87 ± 1.90 H and 52.07 ± 2.10 H) before reaching its maximum values, as compared with those of the intact calcaneus. In the final phase of the movement, upon muscle reaches its maximum length, muscular strength indicators of the m.soleus returned to their original values or were significantly below them. The decline in muscle strength was due to shortening of the moment arm or muscle excursion in case of convergence of muscle attachment points. When the peripheral fragment is displaced, due to putting down the heel to the surface of the support in terms of anatomical muscle lengthening, it takes extra effort to achieve rest length and its maximum power. In all types of the displacement of the peripheral fragment, the function of three-headed calf muscle is disturbed with involvement of additional muscular effort and energy expenditure. This fact should motivate the surgeon on the need for accurate repositioning of bone fragments in calcaneal fractures with the displacement of the peripheral fragment.
Key words: calcaneal fracture, AnyBody Modeling System, muscular strength, m.gastrocnemius, m.soleus.
