Резюме
Актуальність. Захворювання кульшового суглоба часто супроводжуються структурними м’язовими змінами, що ускладнюють підбір компонентів ендопротеза, тому що врахувати еластичність м’яза до операції неможливо. Це призводить до порушення роботи абдукційного механізму і погіршує результати ендопротезування. Метою даного дослідження є аналіз роботи м’язів, що відповідають за збереження постурального балансу при різній величині загального стегнового офсету. Матеріали та методи. Для розрахунків використана модель горизонтальної рівноваги таза. Модель побудована з розрахунку ваги пацієнта 70 кг. Використано показники абсолютної величини сил, що розвиваються кожним м’язом, враховані кути прикріплення м’язів і величини плеча сили кожного м’яза. В основу розрахунків покладено принцип рівності сил і моментів сил м’язів-абдукторів і моменту сили гравітації, що забезпечує горизонтальну рівновагу таза. Моделювання передбачало аналіз сил, які повинні розвивати м’язи для збереження горизонтальної рівноваги таза при різних умовах: зменшенні величини загального стегнового офсету, збільшенні ваги пацієнта, зниженні абсолютної сили м’язів. Результати. У результаті проведеного моделювання встановлено, що зменшення загального стегнового офсету до 5 мм після ендопротезування не має критичного впливу на ефективність роботи абдукційного механізму, але більша різниця між довжиною плеча абдукторів здорового стегна і величиною загального стегнового офсету після ендопротезування різко погіршує умови роботи м’язів. Дуже важливим фактором, що негативно впливає на збереження постурального балансу після ендопротезування, є функціональна недостатність м’язів-абдукторів. Надмірна вага пацієнта є фактором, що ускладнює роботу абдукційного механізму. Причому в умовах функціональної недостатності м’язів цей фактор має критичний вплив на процес збереження постурального балансу. Висновки. Найбільш значимими факторами, що негативно впливають на роботу абдукційного механізму після ендопротезування кульшового суглоба, є: зменшення загального стегнового офсету більш ніж на 5 мм, надмірна вага пацієнта, доопераційне зниження сили м’язів, відповідальних за збереження постурального балансу.
Актуальность. Заболевания тазобедренного сустава часто сопровождаются структурными мышечными изменениями, которые затрудняют подбор компонентов эндопротеза, так как учесть эластичность мышцы до операции невозможно. Это приводит к тому, что общий бедренный офсет, а именно он определяет длину плеча абдукторов после эндопротезирования, не всегда соответствует длине плеча абдукторов с противоположной стороны, а часто бывает меньше. Это приводит к нарушению работы абдукционного механизма и ухудшает результаты эндопротезирования. Целью данного исследования является анализ работы мышц, отвечающих за сохранение постурального баланса при различной величине общего бедренного офсета. Материалы и методы. Для расчетов использовали модель горизонтального равновесия таза. Модель построена из расчета веса пациента 70 кг. Использованы показатели абсолютной величины сил, развиваемых каждой мышцей, учтены углы прикрепления мышц и величины плеча силы каждой мышцы. В основу расчетов положен принцип равенства сил и моментов сил мышц-абдукторов и моментов силы гравитации, которые обеспечивают горизонтальное равновесие таза. Моделирование подразумевало анализ сил, которые должны развивать мышцы для сохранения горизонтального равновесия таза при различных условиях: уменьшении величины общего бедренного офсета, увеличении веса пациента, снижении абсолютной силы мышц. Результаты. В результате проведенного моделирования установлено, что уменьшение общего бедренного офсета после эндопротезирования до 5 мм не имеет критического влияния на эффективность работы абдукторного механизма, но более значительная разница между длиной плеча абдукторов здорового бедра и величиной общего бедренного офсета после эндопротезирования резко ухудшает условия работы мышц. Очень важным фактором, негативно влияющим на сохранение постурального баланса после эндопротезирования, является функциональная недостаточность мышц-абдукторов. Избыточный вес пациента является фактором, затрудняющим работу абдукторного механизма. Причем в условиях функциональной недостаточности мышц этот фактор имеет критическое влияние на процесс сохранения постурального баланса. Выводы. Наиболее значимыми факторами, негативно влияющими на работу абдукционного механизма после эндопротезирования тазобедренного сустава, являются: уменьшение общего бедренного офсета более чем на 5 мм, избыточный вес пациента, дооперационное снижение силы мышц, ответственных за сохранение постурального баланса.
Background. Diseases of the hip joint are often accompanied by structural muscular changes, which are one of the reasons that make it difficult to select the components of the endoprosthesis, since it is impossible to take into account the elasticity of the muscle before the surgery. This leads to the fact that the global femoral offset, and it is determine the length of the abductor shoulder after endoprosthetics, does not always correspond to the length of the arm of force of the abductors from the opposite side, and often is less. This leads to disruption of the abduction mechanism and worsens the results of arthroplasty. The purpose of this study is to analyze the work of the muscles responsible for maintaining the postural balance at a different value of the global femoral offset. Materials and methods. A horizontal equilibrium model of the pelvis was used for the calculations. The model is constructed from the calculation of the patient’s weight of 70 kg. The absolute values of the forces developed by each muscle are used, the angles of attachment of muscles and the magnitude of the the arm of force of each muscle are taken into account. The calculations are based on the principle of equality of forces and moments of the forces of abductor muscles and moment of gravity, which provide a horizontal balance of the pelvis. Simulation implied an analysis of the forces that should develop the muscles to maintain horizontal equilibrium of the pelvis under different conditions: a decrease in the global femoral offset, an increase in the weight of the patient, a decrease in the absolute strength of the muscles. Results. As a result of the simulation, it was found that a decrease in the global femoral offset after arthroplasty to 5 mm does not have a critical effect on the efficiency of the abductor mechanism, but the more significant difference between the length of the arm of abductors’ force of the healthy femur and the value of the global femoral offset after arthroplasty significantly worsens the working conditions of the muscles. A very important factor negatively affecting the preservation of the postural balance after arthroplasty is the functional insufficiency of abductor muscles. Excess body weight of the patient is a factor that complicates the work of the abductor mechanism. And in conditions of functional deficiency of muscles, this factor has a critical effect on the process of maintaining the postural balance. Conclusions. The most significant factors negatively affecting the functioning of the abduction mechanism after hip arthroplasty are a decrease in the global femoral offset by more than 5 mm, an excess body weight of the patient, a preoperative decrease in the muscle strength responsible for maintaining the postural balance.
Введение
Заболевания тазобедренного сустава, особенно с деструкцией головки или вертлужной впадины, часто сопровождаются развитием сгибательно-приводящей контрактуры, что отрицательно влияет на исход последующего эндопротезирования. Длительно существующая контрактура тазобедренного сустава приводит к контрактильному спазму, уменьшению длины мышцы и со временем — к структурным мышечным изменениям [1–3]. Контрактильные изменения мышц до операции являются одной из причин, по которым затрудняется подбор компонентов эндопротеза, так как учесть эластичность мышцы до операции невозможно. Это приводит к тому, что общий бедренный офсет, а именно он определяет длину плеча абдукторов после эндопротезирования, не всегда соответствует длине плеча абдукторов с противоположной стороны, а часто бывает меньше.
Эти изменения мышц также затрудняют восстановление движений после эндопротезирования. И хотя в последние годы появляется все больше информации о влиянии общего бедренного офсета на функцию мышц [4, 5], эти работы имеют больше клинический характер и нуждаются в обобщении и научном обосновании. Например, нет четкого ответа на вопрос, какая величина изменения общего офсета после эндопротезирования будет критичной для работы мышц. Как влияет снижение силы мышц-абдукторов на особенности сохранения постурального баланса? Каким образом влияют друг на друга изменение работы мышц тазового пояса и изменение компонентов эндопротеза, обусловливающие величину общего бедренного офсета? Как эти компоненты влияют на сохранение вертикальной позы?
Для ответа на поставленные вопросы целесообразно воспользоваться методом моделирования.
Целью данного исследования является анализ работы мышц, отвечающих за сохранение постурального баланса при различной величине общего бедренного офсета. Данный раздел исследования выполнен на базе лаборатории биомеханики ГУ «ИППС имени проф. М.И. Ситенко НАМН Украины», с консультативной и технической помощью сотрудников лаборатории: проф. А.А. Тяжелова и научного сотрудника М.Ю. Карпинского.
Материалы и методы
Для расчетов использовали модель горизонтального равновесия таза [6]. Модель построена из расчета веса пациента 70 кг, данные о параметрах мышц взяты из литературных источников [7]. В частности, использованы показатели абсолютной величины сил, развиваемых каждой мышцей, учтены углы прикрепления мышц и величины плеча силы каждой мышцы (табл. 1). Учитывая данные литературы, свидетельствующие, что величина плеча абдукторов втрое меньше длины плеча силы гравитации, примем величину плеча силы гравитации тела a = 0,08 м.
В основу расчетов положен принцип равенства сил и моментов сил мышц-абдукторов и моментов силы гравитации, которые обеспечивают горизонтальное равновесие таза.
Проверка работоспособности модели в нашей предыдущей работе показала, что в норме при одноопорном стоянии мышцы, стабилизирующие таз, имеют более чем троекратный запас прочности и эффективно работают даже при увеличении веса пациента.
Поэтому заданием данного этапа работы стал анализ работы мышц, отвечающих за сохранение постурального баланса, при изменении величины общего бедренного офсета и веса пациента.
На величину общего бедренного офсета при эндопротезировании тазобедренного сустава влияют геометрические параметры компонентов эндопротеза. Размер офсета эндопротеза различается у каждой фирмы и зависит от номера ножки. Минимальный размер — 34 мм, максимальный — 44 мм, но наиболее часто используют эндопротезы с офсетом 37,5–44 мм, то есть разница показателя для разных типов и размеров ножки достигает 6 мм.
Диаметр головки — от 28 до 36 мм, но чаще используют имплантаты диаметром 32–36 мм. Диапазон, который влияет на величину общего бедренного офсета, равен разнице половины диаметра головок, или 2 мм.
Глубина посадки головки — от –4 до +12 мм, но чаще используют посадку от –4 до +4 мм, то есть диапазон разброса показателя составляет 8 мм. Толщина вертлужного компонента также различна и влияет на разброс показателя.
Таким образом, максимальный разброс показателей компонентов эндопротеза или общего бедренного офсета может равняться 16 мм и более.
Изменения этих параметров влияют на величину плеч мышц, имеющих точки крепления непосредственно на проксимальном конце бедренной кости (участок большого вертела). Поэтому мы в модели меняли величину плеча только для мышц F1, F2, F6. Изменение величины общего офсета выполняли с шагом 5 мм.
Результаты и обсуждение
Моделирование работы абдукторного механизма при нормальной силе мышц, отвечающих за сохранение постурального баланса, при различной величине общего бедренного офсета
В табл. 2 сведены результаты расчета величин сил мышц, необходимых для удержания горизонтального равновесия таза при уменьшении величины общего бедренного офсета на 5 мм.
Визуальное сравнение величин мышечных сил, необходимых для сохранения горизонтального равновесия таза в условиях уменьшенной величины плеч действия абдуктора бедра на 5 мм, приведено на диаграмме (рис. 1).
/135-2.jpg)
Как видим, уменьшение величины общего бедренного офсета после эндопротезирования на 5 мм не оказывает принципиального влияния на работу мышц тазового пояса. Все мышцы работают с более чем двукратным запасом прочности. Но надо отметить, что при увеличении веса пациента запас прочности резко уменьшается. Так, при весе тела пациента 100 кг и более мышцы вынуждены развивать усилия более 50–60 % своей мощности, что обязательно повлияет на выносливость работы мышц. С точки зрения клинической интерпретации такого результата, с учетом мышечной синергии следует ожидать нормальной бытовой активности пациента даже при увеличении веса тела. Но длительная перегрузка мышц может привести к клинической симптоматике нарушения постурального баланса, а пациенты с увеличением веса попадают в группу риска.
Следующим этапом моделирования стало уменьшение величины общего бедренного офсета на 10 мм. Результаты расчетов мышечных усилий, необходимых для поддержания равновесия таза в данных условиях, приведены в табл. 3.
Визуальное сравнение работы мышц приведено на диаграмме (рис. 2).
Как показывают результаты моделирования, уменьшение величины общего бедренного офсета на 10 мм приводит к заметному уменьшению запаса прочности мышц. Все без исключения мышцы для удержания горизонтального равновесия таза должны развивать усилия более 50 % своей мощности. С точки зрения клинической интерпретации такого результата, даже с учетом мышечной синергии можно говорить о выраженном снижении возможностей сохранения постурального баланса, а увеличение веса пациента более чем на 30 % выглядит критическим для нормального передвижения без дополнительной опоры.
Еще больше усугубляет ситуацию уменьшение величины общего бедренного офсета на 15 мм. Данные о величине мышечных усилий, необходимых для поддержания равновесия таза при одноопорном стоянии в данном случае, сведены в табл. 4.
Визуальное сравнение величины мышечных сил, необходимых для поддержания равновесия таза в условиях уменьшения величины общего бедренного офсета на 15 мм, с помощью диаграммы (рис. 3) демонстрирует дальнейшее ухудшение работы мышц тазового пояса.
Полученные результаты показывают, что уменьшение величины общего бедренного офсета на 15 мм требует от мышц-абдукторов бедра работы в экстремальном режиме. Даже с учетом мышечной синергии абдукторы вынуждены работать почти на пределе своих возможностей, а с увеличением веса пациента на 30 % и более мышцы-абдукторы вообще не в состоянии обеспечить сохранение горизонтального равновесия таза.
Клиническая интерпретация полученных данных позволяет говорить о фактической несостоятельности нормального одноопорного стояния и ходьбы, требует использования дополнительной опоры при ходьбе и может способствовать другим неинфекционным осложнениям.
Таким образом, результаты моделирования работы мышц при уменьшении общего бедренного офсета, но при обычной силе мышц доказали, что общий бедренный офсет — важный показатель, влияющий на характер работы мышц, ответственных за сохранение постурального баланса.
Уменьшение общего бедренного офсета до 5 мм существенно не влияет на эффективность работы абдукторов, мышцы работают с более чем двукратным запасом прочности, но разница между нормальной длиной плеча абдукторов бедра и величиной общего бедренного офсета больше 5 мм резко ухудшает условия работы мышц, при их обычной силе. Еще одним фактором, негативно влияющим на работу абдукторов бедра после эндопротезирования, является избыточный вес тела пациента.
Моделирование работы абдукторного механизма при снижении силы мышц, отвечающих за сохранение постурального баланса, при различной величине общего бедренного офсета
Известно, что длительный патологический процесс в тазобедренном суставе сопровождается контрактурой и снижением силы мышц тазового пояса. Поэтому следующим этапом моделирования стал анализ эффективности работы ослабленных мышц при нормальной и уменьшенной величине общего бедренного офсета.
Первым заданием для данного этапа работы стало снижение силы абдукторов бедра на 25 % в сравнении с нормальной силой мышц.
Результаты расчетов для варианта с величиной общего бедренного офсета после эндопротезирования, которая соответствует нормальному показателю плеча силы здоровой конечности, приведены в табл. 5.
Полученные данные показывают, что если после эндопротезирования общий бедренный офсет имеет ту же величину, что и длина плеча абдукторов здорового бедра, то работа мышц тазового пояса после операции не отличается от работы мышц здорового тазобедренного сустава. А именно: все мышцы развивают усилия в 2 раза меньше максимальных, то есть имеют как минимум двукратный запас прочности. А с учетом мышечных синергий можно говорить о еще большем запасе прочности мышц. По крайней мере, при расчетном весе пациента.
Более наглядно величины мышечных сил, которые необходимо приложить для выполнения условий равновесия таза при одноопорном стоянии после операции эндопротезирования, показаны на диаграмме (рис. 4).
Как видно из данных диаграммы, при одинаковых показателях длины плеча абдукторов здорового бедра и величины общего бедренного офсета после эндопротезирования, силы мышц, удерживающих горизонтальное равновесие таза пациента рассчитанного веса (в нашем случае 70 кг), вполне достаточно даже в условиях 25% снижения их максимальной силы.
Но увеличение веса пациента на 30 % и более становится критическим для обеспечения горизонтального равновесия таза.
Далее исследуем, что происходит при уменьшении на 5 мм величины общего бедренного офсета в условиях 25% снижения максимальной силы абдукторов бедра. Данные расчетов сведены в табл. 6.
Табличные данные свидетельствуют, что в указанных условиях показатели работы мышц пациента рассчитанного веса меняются, но не критично. Что же касается увеличения веса тела пациента, то этот фактор становится определяющим для эффективной работы мышц-абдукторов.
Наглядность этой таблицы представляет диаграмма (рис. 5).
Результаты расчетов показывают, что снижение абсолютной силы мышц, поддерживающих равновесие таза, на 25 % при уменьшении величины общего бедренного офсета на 5 мм после эндопротезирования влияет на их работу, но критическим такое влияние можно считать только при увеличении веса тела пациента. Например, у больного с весом 120 кг мышцы-абдукторы просто не в состоянии развить необходимые усилия, чтобы удержать горизонтальное равновесие таза. Расчетные усилия для больного с весом 120 кг должны превышать абсолютную мышечную силу, что невозможно.
Еще более сложными будут условия работы мышц-абдукторов при уменьшении величины общего бедренного офсета после эндопротезирования на 10 мм и при снижении их абсолютной силы на 25 %.
Результаты расчета величин мышечных усилий при указанных условиях сведены в табл. 6.
Расчеты показали, что такие условия работы мышц являются критическими для удержания горизонтального равновесия таза, а увеличение веса пациента вообще является фактором, исключающим возможность говорить об эффективности мышечной работы. Визуализация работы мышц-абдукторов при указанных условиях представлена на диаграмме (рис. 6).
На диаграмме видно, что уменьшение величины общего бедренного офсета на 10 мм в условиях 25% снижения максимальной силы абдукторов является критическим для эффективной работы мышц даже с учетом мышечных синергий и даже у пациента рассчитанного веса. Все мышцы вынуждены работать почти на пределе своей абсолютной силы, что недостаточно для обычного передвижения в бытовых условиях без дополнительной опоры.
Фактор веса настолько увеличивает нагрузку на мышцы, что для поддержания горизонтального равновесия таза при одноопорном стоянии они должны развивать усилия, большие, чем их абсолютная сила.
Дальнейшее уменьшение величины общего бедренного офсета после эндопротезирования в условиях 25% снижения максимальной силы абдукторов еще более ухудшает работу мышц.
Обобщая результаты моделирования работы мышц-абдукторов, ответственных за сохранение постурального баланса в условиях 25% функциональной недостаточности мышц, можно отметить, что уменьшение общего бедренного офсета на 5 мм не имеет критического влияния на эффективность работы абдукторов, мышцы работают с двукратным запасом прочности. Разница между нормальной длиной плеча абдукторов и величиной общего бедренного офсета больше 5 мм резко ухудшает условия работы мышц. Очень важным фактором, который негативно влияет на работу абдукторов после эндопротезирования, является избыточный вес пациента. Причем в условиях функциональной недостаточности мышц это влияние можно назвать критическим.
Выводы
Обобщая полученные данные, можно сделать следующие выводы:
1. Уменьшение общего бедренного офсета после эндопротезирования на 5 мм не имеет критического влияния на эффективность работы абдукторного механизма, но большая разница между длиной плеча абдукторов здорового бедра и величиной общего бедренного офсета после эндопротезирования резко ухудшает условия работы мышц.
2. Очень важным фактором, негативно влияющим на сохранение постурального баланса после эндопротезирования, является функциональная недостаточность мышц-абдукторов. Этот фактор надо не только учитывать при выполнении операции эндопротезирования тазобедренного сустава, но по возможности активно его устранять еще до хирургического вмешательства.
3. Избыточный вес пациента является фактором, затрудняющим работу абдукторного механизма. Причем в условиях функциональной недостаточности мышц этот фактор имеет критическое влияние на процесс сохранения постурального баланса.
Таким образом, наиболее значимыми факторами, негативно влияющими на работу абдукционного механизма после эндопротезирования тазобедренного сустава, являются: уменьшение общего бедренного офсета более чем на 5 мм, избыточный вес пациента, дооперационное снижение силы мышц, ответственных за сохранение постурального баланса.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии какого-либо конфликта интересов при подготовке данной статьи.
/134-1.jpg)
/134-2.jpg)
/135-1.jpg)
/135-2.jpg)
/136-1.jpg)
/136-2.jpg)
/137-1.jpg)
/137-2.jpg)
/138-2.jpg)
/138-1.jpg)
/139-1.jpg)