Журнал «Травма» Том 20, №6, 2019

Вступ

Зап’ятковий бурсит (ЗБ) — запальне захворювання, що виникає внаслідок механічного імпінджменту зап’яткової (глибокої) синовіальної бурси, розташованої між ахілловим сухожиллям (АС) і задньоверхніми відділами п’яткової кістки. Синдром Haglund був описаний шведським хірургом-ортопедом Patrik Haglund у 1928 році [2, с. 50], він включав поняття зап’яткового бурситу, спричиненого імпінджментом синовіальної сумки між АС і збільшеними задньоверхніми відділами п’яткової кістки — так званою деформацією Haglund [5, с. 433]. P.T. Karjalainen, К. Soila та співавт. у своєму дослідженні 118 АС методом магнітно-резонансної томографії діагностували в 19 % випадків збільшену зап’яткову бурсу. Також було встановлено, що в 15 з 18 випадків інерційної тендинопатії був виявлений ЗБ [4, с. 254]. Todd A. Irwin у своєму дослідженні [3, с. 933] також вказує на зв’язок між запальними процесами в синовіальних бурсах і дегенеративними змінами самого сухожилля — між ЗБ і розвитком супутньої тендинопатії. Під час ретроспективного дослідження [1, 7] 176 пацієнтів з інсерційною ахіллотендинопатією Håkan Alfredson і Christoph Spang виявили, що в 74 % пацієнтів було також діагностовано поверхневий і зап’ятковий бурсити, а також синдром Haglund. Тому, ґрунтуючись на попередніх дослідженнях, можна говорити про те, що зв’язок між ЗБ або синдромом Haglund і тендинопатією якщо не очевидний, то дуже ймовірний і він вимагає подальшого вивчення.

Науковий пошук серед літературних джерел не виявив будь-яких досліджень напружено-деформованого стану (НДС) структур заднього відділу стопи (АС, глибока синовіальна бурса, п’яткова кістка) при ЗБ. Детальний аналіз поведінки перерахованих вище структур дозволить краще зрозуміти проблему діагностики й лікування хворих із ЗБ або синдромом Haglund.

Мета дослідження — аналіз показників напружено-деформованого стану імітаційних моделей задніх відділів стопи із зап’ятковим бурситом і синдромом Нaglund під час ходьби.

Матеріали та методи

На початковому етапі для визначення сили натягу ікроножного м’яза й ахіллового сухожилля при стоянні й в акті ходьби створено розрахункові схеми (рис. 2) і проведені математичні обчислення. У розрахунках було використано усереднені антропометричні дані: вага тіла — 75 кг, зріст — 170 см.

На наступному етапі засобами програмного пакета SolidWorks були створені імітаційні 3D-моделі стопи — інтактна модель, модель із бурситом і модель із синдромом Haglund (рис. 3) у нейтральному положенні в гомілковостопному суглобі, положенні підошовної флексії –10º і тильної флексії +10º. Подальші розрахунки здійснювали методом скінченних елементів (СЕ), що дозволяє дослідити еволюцію процесу деформування елементів імітаційної моделі стопи, а саме кісткової тканини, бурси й ахіллового сухожилля, з великими геометричними й фізично нелінійними властивостями матеріалів і змінними в часі зовнішніми впливами. Для проведення розрахунків НДС у програму ANSYS було імпортовано імітаційні моделі, які налічували в середньому 332 906 вузлів і 191 538 елементів. У напівавтоматичному режимі згенеровано СЕ-моделі (рис. 4). Для збільшення точності розрахунків у ділянках контакту й для елементів бурси й сухожилля СЕ-сітка ущільнена. СЕ-сітка представлена переважно тетраедричними елементами, розмір яких на основній моделі не перевищує 1 мм, у місцях згущення — 0,1–0,5 мм.

У СЕ-розрахунках застосовували фізичні властивості біологічних тканин, отримані з літературних джерел (табл. 1).

У подальшому розглянуто 3 моделі для кожного варіанта дослідження — інтактна модель, модель із ЗБ і модель із синдромом Haglund для трьох положень у гомілковостопному суглобі: нейтральне, передній поштовх (підошовна флексія –10º) і задній поштовх (тильна флексія +10º).

Ключовими показниками для порівняльного аналізу обрані дані, отримані шляхом розрахунків значення інтенсивності напружень за Мізесом, які визначали на усіх елементах моделі: АС, зап’ятковій бурсі, таранній кістці й п’ятковому горбі.

Результати та обговорення

Для визначення сили натягу ікроножного м’яза й АС при стоянні та в акті ходьби створено розрахункові схеми (рис. 2).

Модель у нейтральному положенні в гомілковостопному суглобі подано на рис. 2а. Припускаючи, що величина СВ₁ не змінюється при ротації стопи навколо С, з умови рівноваги отримуємо:

де a — кут нахилу АС відносно вертикальної осі; Р — вага людини 750 Н (75 кг); F — сила натягу АС.

це сила натягу ікроножного м’яза для стабілізації гомілковостопного суглоба у вертикальному положенні тіла при стоянні.

Для визначення сили натягу АС при ходьбі розглянуто 2 положення — передній поштовх (рис. 2б) — при наступанні на п’ятку передньої ноги (підошовна флексія –10º) і задній поштовх (рис. 2в) — при відриві п’ятки задньої ноги під час відштовхування від площі опори (тильна флексія +10º). Для досягнення підошовної флексії –10º центр маси тіла зміщується назад на відстань АВ (рис. 2б), тому для розрахунків натягу АС враховано цю відстань. Аналогічно отримуємо:

де α — кут нахилу АС відносно вертикальної осі; Р — вага людини 750 Н (75 кг); F — сила натягу АС.

це сила, що необхідна для стабілізації гомілковостопного суглоба у вертикальному положенні тіла при наступанні на п’ятку передньої ноги (підошовна флексія –10º), але ця сила розкладається на дві складові: натяг АС — 65 % (277 Н) і стабілізуючу силу передньої групи м’язів — 35 % (182 Н).

 Для досягнення тильної флексії +10º центр маси тіла зміщується вперед на відстань АС (рис. 2в), тому для розрахунків натягу АС враховано цю відстань. Аналогічно отримуємо:

де α — кут нахилу АС відносно вертикальної осі; Р — вага людини 750 Н (75 кг); F — сила натягу АС.

це сила, що необхідна для стабілізації гомілково-стопного суглоба у вертикальному положенні тіла при відштовхуванні задньої ноги від площі опори (тильна флексія +10º).

З урахуванням проведених розрахунків для визначення НДС використано такі значення навантажень на АС:

— для утримання тіла в положенні стоячи АС розвиває зусилля в 458 Н;

— для стабілізації гомілковостопного суглоба у вертикальному положенні тіла при наступанні на площу опори (передній поштовх) АС розвиває зусилля в 277 Н (65 %), а зусилля в 182 Н (35 %) розвиває передня група м’язів гомілки як стабілізатори;

— для відриву стопи від площі опори (задній поштовх) і підйому її на кут 10º АС розвиває зусилля в 1028 Н.

За результатами розрахунків показників НДС моделей найбілш значущі зміни відбувалися на ахілловому сухожиллі та п’ятковому горбі, найменші — на таранній та іншіх ділянках п’яткової кістки. У звязку з цим подальший порівняльний аналіз здійснювали за показниками НДС на АС і п’ятковому горбі. Отримані показники напружень при нейтральному положенні стопи подано на рис. 5. Напруження на АС на моделі із зап’ятковим бурситом на 19,8 % менші, а на моделі із синдромом Haglund — на 10,0 % більші, ніж на інтактній моделі. Значення напружень на п’ятковому бугрі на моделі із зап’ятковим бурситом на 13,2 % більші, а на моделі із синдромом Haglund — на 46,5 % більші, ніж на інтактній моделі.

Результати розрахунків показників напружень на АС і п’ятковому горбі в положенні підошовної флексії стопи –10º (передній поштовх) подано на рис. 6. Значення напружень на АС на моделі із зап’ятковим бурситом на 16,5 % менші, а на моделі із синдромом Haglund — на 38,1 % більші, ніж на інтактній моделі. Значення напружень на п’ятковому бугрі на моделі із зап’ятковим бурситом на 49,6 % менші, а на моделі з синдромом Haglund — на 9,2 % менші, ніж на інтактній моделі.

Результати розрахунків показників напружень на АС і п’ятковому горбі в положенні тильної флексії стопи +10º (задній поштовх) подано на рис. 7. Значення напружень на АС на моделі із зап’ятковим бурситом на 10,2 %, а на моделі із синдромом Haglund — на 68,6 % більші, ніж на інтактній моделі. Значення напружень на п’ятковому бугрі на моделі із зап’ятковим бурситом зросли на 28,3 %, а на моделі з синдромом Haglund — більше ніж у 2 рази (на 120,1 %) відносно інтактної моделі.

Результати розрахунків НДС інтактної моделі подані в табл. 2. У положенні підошовної флексії стопи значення напружень найменші. Це пов’язано як із розслабленням литкового м’яза, так і зі збільшенням об’єму зап’яткового рецесуса, де розташована глибока синовіальна бурса. Ця структура сприяє рівномірному перерозподілу сил із передньої поверхні АС на задньоверхні відділи п’яткової кістки. Також бурса амортизує стресовий вплив сухожилля на ділянку контакту з нерівною задньою поверхнею п’яткової кістки при різкому тильному згинанні. Тому зап’яткова бурса відіграє важливу роль у функціонуванні біомеханічної системи «АС — п’ятковий горб».

Результати розрахунків НДС моделі з зап’ятковим бурситом подані в табл. 3. Як ми й припускали, у моделі з бурситом визначено збільшення значень напружень на всіх досліджуваних структурах у положенні тильної флексії стопи в акті ходьби (задній поштовх). Це пов’язано зі збільшенням розмірів синовіальної бурси внаслідок запального ексудативного процесу. У випадку з моделлю синдрому Haglund ми отримали аналогічні дані (табл. 4) із значним збільшенням значень напружень на всіх досліджуваних структурах у положенні тильної флексії стопи. При цьому напруження зростають однаково як на бурсі, так і на АС.

Зростання напружень на ахілловому сухожиллі (рис. 8) у процесі переходу з нейтрального положення в положення тильної флексії стопи (задній поштовх) вказує на зв’язок травмуючого фактора з розвитком патологічних змін у навколосухожилкових структурах (глибока синовіальна бурса, збільшені задньоверхні відділи п’яткової кістки — деформація Haglund) і захворюваннями самого АС, підтверджуючи стресову теорію розвитку тендинопатії від постійного локального перевантаження. При цьому як синдром Haglund, так і ЗБ практично однаково можуть впливати на розвиток супутніх вторинних дегенеративних процесів у сухожиллі, що заслуговує на додаткову увагу.

Збільшення показників напруженості кісткових структур — таранної кістки і п’яткового бугра (рис. 9) також свідчить про єдність функціонування всіх структур заднього відділу стопи й неможливість перебігу патологічного процесу в одних структурах без впливу на інші. У нормі реактивні репаративні процеси перебігають як адаптивні з нормальними фізіологічними реакціями. При патологічних змінах вони можуть сягати рівня пристосувальних процесів із порушенням структури.

Висновки

— У досліджуваній моделі із синдромом Haglund напруження на АС змінюється при різних положеннях стопи, але порівняно з інтактною моделлю залишається вищим на 10,0 % у нейтральному положенні, на 38,1 і 68,6 % — у положенні підошовної і тильної флексії стопи відповідно;

— значення напружень на АС при переході з нейтрального положення в положення тильної флексії стопи на моделі із зап’ятковим бурситом більше на 10,2 %, ніж на інтактній моделі;

— за результатами імітаційного моделювання з визначенням НДС структур заднього відділу стопи виявлено причинно-наслідковий зв’язок між патологічним процесом при зап’ятковому бурситі/синдромі Haglund і розвитком супутніх дегенеративних змін (тендинопатії) внаслідок локального перевантаження АС;

— виявлено неможливість ізольованого пошкодження однієї частини системи без адаптаційних змін у другій при порушенні функції системи «АС — п’ятковий горб».

Конфлікт інтересів. Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів і власної фінансової зацікавленості при підготовці даної статті.