Журнал «Травма» Том 12, №3, 2011

В условиях технического прогресса повышается удельный вес травматических повреждений коленного сустава, составляя 10–24 % от общего числа повреждений нижней конечности [10], достигая 80 % среди лиц молодого возраста [11]. Процент изолированного или сочетанного повреждения хряща коленного сустава составляет 48,0–61,5 % [12]. Проблемой современной артрологии является выбор соответствующего метода лечения локальных травматических повреждений суставного хряща — сложносоставного материала с разными изотропными, вязкоэластичными свойствами, с нелинейной зависимостью от уровня нагрузки и направления действия усилий. Большим количеством морфологических и биохимических исследований установлено, что повреждение хряща, независимо от генеза, не обладает способностью спонтанного восстановления, с трудом поддается заживлению и вовлекает в дегенеративный процесс остальную часть суставной поверхности. Прогрессивная потеря хрящевой ткани приводит к возникновению необратимых вторичных изменений с развитием гонартроза, одним из ключевых факторов которого является неравномерное распределение нагрузки на суставные поверхности в зоне дефекта хряща [14]. При нормальном функционировании коленного сустава нагрузки на суставной хрящ колеблются от нуля до значений, в 3–4 раза превосходящих вес тела (BW). По краям контактной поверхности при этом могут развиваться достаточно большие деформации [13]. Геометрия коленного сустава имеет специфичную для каждого индивидуума кривизну в сагиттальной и фронтальной плоскостях, определяя биомеханические факторы, влияющие на механизм распределения давления на суставные поверхности и субхондральную кость коленного сустава. Особенности распределения нагрузок в коленном суставе при наличии дефекта хряща предопределяют темпы прогрессирования дегенеративных изменений. Работами многих авторов [1, 3, 5] доказано, что за дегенеративные изменения суставной поверхности преимущественно ответственны увеличение пикового контактного давления, среднего контактного усилия и уменьшение контактной зоны.

Своевременная хирургическая обработка изолированного дефекта может задержать или приостановить развитие генерализованного остеоартроза. При этом широко распространено мнение об отсутствии необходимости восстановления целостности суставного хряща в зоне дефекта при его размере менее  1 см. В такой ситуации велика роль менисков в передаче компрессионных усилий по хрящевой поверхности мыщелков коленного сустава. При интактных менисках повышение контактной нагрузки по краю дефекта компенсируется их эластичностью. Однако часто наблюдается комбинация дефекта суставного хряща с повреждением мениска, что существенно изменяет концентрацию контактных усилий на суставных поверхностях и способствует прогрессированию дегенеративных изменений в суставе.

При рассмотрении величины компрессирующего усилия в тибиофеморальной зоне нужно не забывать о том, что распределение силы на мыщелки меняется в зависимости от угла сгибания в коленном суставе [6]. Так, площадь поверхности тибиофеморального контакта больше при более выпрямленном положении сустава, соответственно, в этой ситуации давление на единицу площади меньше при одинаковом компрессирующем усилии.

В работе поставлена задача изучить изменения площади контактной поверхности в менискофеморальной зоне медиального мыщелка, определить величины критических уровней контактного давления и краевых эффектов в зоне дефекта суставного хряща при разной его площади и разных углах сгибания в коленном суставе под действием функциональных нагрузок (1–2 BW).

Материалы и методы

Исследование проведено на базе Бюро судебно-медицинской экспертизы ГУ здравоохранения г. Киева на 10 биологических объектах коленных суставов. После удаления экстракапсулярных элементов произведена артротомия коленного сустава со смещением надколенника вниз. Мениски, связки менисков и крестообразные связки оставлены интактными. Произведена ревизия сустава на предмет целостности менисков и отсутствия артрозных изменений суставных поверхностей. После юстировки контактных поверхностей коленного сустава тибиальный компонент установлен и жестко фиксирован с помощью костного цемента полиметилметакрилата в стакане нагрузочного элемента биомеханического экспериментального комплекса с ограничением свободы варус-вальгусных и ротационных движений. В надмыщелковой зоне феморального компонента параллельно суставной поверхности сформировано сквозное отверстие в медиолатеральном направлении, предохраняя места прикрепления крестообразных связок. В отверстие введен стержень, который через удерживающую скобу установлен в направляющем пазу рамы экспериментального комплекса.

Второй стержень введен параллельно первому в диафиз феморального компонента, ориентируясь на отверстия в скобе, задающие угол флексии в коленном суставе, и жестко фиксирован. Скоба посредством датчика усилия фиксирована к раме экспериментального комплекса. Датчик посредством аналогово-цифрового преобразователя соединен с программно-компьютерным комплексом. Для определения наиболее нагружаемых контактных зон на хрящевой поверхности медиального мыщелка, несущего основную нагрузку, в суставную щель вводилась копировальная бумага, обращенная чернильной стороной вверх, и с помощью компрессирующего элемента создавалось усилие на суставные поверхности величиной 1000 Н. После освобождения поверхности от нагрузки по отпечатку определена контактная зона на суставной поверхности хряща феморального компонента в соответствии с углом сгибания в коленном суставе. После извлечения верхнего стержня, фиксирующего диафиз феморального компонента в скобе, с помощью пробойника соответствующего диаметра в контактной зоне медиального мыщелка сформирован дефект размерами 5 x 10 x 20 мм на глубину суставного хряща (рис. 2). Округлая форма дефекта взята за основу как наиболее встречаемая при артроскопических операциях [15]. Верхний стержень возвращен в прежнее положение, соответствующее определенному углу сгибания в коленном суставе (табл. 1).

Исследование зоны контакта и распределение нагрузки по контактной поверхности проводилось с использованием измерительной пленки Fuji Prescale Pressure Measuring System (Fuji Photo Film Co., Ltd., Tokyo, Japan). Пленка представляла собой 2 отдельных листа, которые, соединяясь рабочими поверхностями в направлении друг к другу, помещались в целлофановый карман и располагались между суставными поверхностями в медиальной мениско­феморальной зоне (рис. 2). Для исключения выскальзывания измерительной пленки из зоны контакта под действием нагрузки целлофановый карман с пленкой фиксировался с помощью игл к кости вне зоны нагружения.

С помощью нагрузочного элемента биомеханического экспериментального комплекса создавалась нагрузка, величина и время приложения которой контролировались на мониторе программно-компьютерного комплекса посредством датчика усилия. Компрессионное усилие, прилагаемое на суставные поверхности, соответствовало 750–1500 Н и было эквивалентно 1–2 величинам веса тела (BW) — среднее значение компрессионного усилия при ходьбе человека весом 75 кг в норме (0,8–1,8 BW — среднестатистические данные идеального веса тела в динамике). Фиксация феморального компонента макропрепарата позволяла достичь конгруэнтности суставных поверхностей в тибиофеморальной зоне под действием прилагаемого компрессионного усилия, с равномерным распределением нагрузки на медиальный и латеральный мыщелки большеберцовой кости (50 : 50 %). Усилие по оси тибиального компонента прилагалось равномерно, с градиентным увеличением до достижения максимальной заданной величины в течение 20 секунд с последующей экспозицией в течение 30 секунд.

Под действием компрессии чувствительная пленка окрашивалась в красный цвет с плотностью окрас­ки, соответствующей приложенному к ее поверхности давлению. Использовалась измерительная пленка 2 типов LLW в диапазоне измерений 0,1–2,5 МРа и LW в диапазоне 2,5–10,0 МРа (рис. 3). Погрешность измерения составила 11 %.

Полученные отпечатки на измерительной пленке Fuji Prescale оцифрованы с помощью сканера и для дальнейшего анализа экспортированы в разработанную компьютерную программу, позволяющую проводить цифровую обработку сканированных графических изображений контактных давлений, зарегистрированных в натурном эксперименте на измерительной пленке Fuji Pressure Measuring System, с известным диапазоном градиента давлений. В программе для каждого отдельного графического файла нормировалась шкала интенсивности его цвета в градиентах серого и с использованием масштабного коэффициента преобразования поля точек растрового изображения в числовые данные матриц градиентов интенсивности изображение разбивалось на 5 диапазонов по плотности окрашивания. Результаты математической обработки изображений путем расчета площади экстремальных (пиковых) величин контактных давлений представлены в виде дискретно ранжированных гистограмм с количественным описанием их значений (рис. 4).

Для последующего анализа выделен диапазон максимальных значений контактного давления и его площадь. Из контактной площади исключалась площадь дефекта. На следующем этапе отображение градиента интенсивности давления по чувствительной пленке представлено в трехмерных координатах. Значение интенсивности цвета точки по монохромной шкале связано с координатами Х и Y на графическом рисунке, с получением поля точек в трехмерных координатах. Регулярная сетка разбита по габаритам рисунка, и по ней построена поверхность. Полученные значения величины давления (пики) по оси Z окрашены палитрой цветов по интенсивности давления.

Результаты и обсуждение

Величины контактных напряжений (давлений) в коленном суставе зависят от множества факторов: величины нагрузки на сустав (компрессирующее усилие), площади контактной поверхности, геометрических характеристик сопряженных поверхностей и структурных элементов (мениск, большеберцовая кость, мыщелки бедра, суставной хрящ), а также трибологических и механических свойств мениска и хрящевой ткани.

При появлении дефекта суставного хряща медиального мыщелка бедра изменяется фактическая площадь сопряжения контактируемых тел, что приводит к перераспределению контактных давлений и возникновению зон концентрации напряжений, примыкающих к краю дефекта с прогрессирующим разрушением хрящевой ткани в краевой зоне на всю глубину хряща.

Проведенными экспериментальными исследованиями с использованием измерительной пленки Fuji Prescale Pressure Measuring System при создании феморального дефекта медиального мыщелка на всю глубину суставного хряща диаметром 5–20 мм в тибиофеморальной зоне коленного сустава выявлена существенная неоднородность градиентов напряжений по краю дефекта. Появление зон концентрации напряжений зависит от размера дефекта, прилагаемой нагрузки и угла сгибания в суставе.

Пример математической обработки изображений отпечатков в пяти диапазонах градиентов давления для различных размеров дефекта представлен  в табл. 2.

В результате анализа данных, ранжированных по величине диаметра дефекта, установлено, что зоны концентрации контактных давлений имеют различную глубину зон краевого эффекта. Ее протяженность изменяется в радиальном направлении вдоль образующей дефект хрящевой ткани. Для дефекта диаметром 5 мм (образец 004_LW0_150kg) площадь зоны концентрации контактных давлений составляет  37,4 мм2, а ее максимальная протяженность равна  2,74 мм (табл. 2). Для дефекта диаметром 20 мм ­площадь зоны концентрации контактных давлений составляет 315,3 мм2, а ее максимальная протяженность равна 10,27 мм. Ниже приведено описание типового неравномерного распределения контактных давлений вдоль окружной координаты дефекта хряща (образец 014_LW60_75kg_20) диаметром 20 мм  (рис. 5).

Протяженность зоны краевого эффекта для контактных давлений варьируется от L1 = 8,5 до L3 = = 1 мм, а среднее значение составляет L2 = 4 мм. При этом экстремальные величины давлений факти­ческой зоны контакта лежат в пределах от 7,5 МПа  для сечения C1–C2 до 8,6 МПа в сечении А1–А2 (рис. 6). Максимальные градиенты контактных давлений (6,8 МПа/мм) наблюдаются вблизи зон, примыкающих к краям поверхности контакта.

Исследования показали, что существует корреляционная зависимость между величинами диаметра дефекта d и максимальной протяженностью зоны концентрации контактных давлений L (краевой эффект Сен-Венана) вида Lmin = kd, (k = 0,5–2,0). Чем более однородна зона краевого эффекта вдоль окружной координаты дефекта, тем меньше разрушающее действие края дефекта.

Локализация контактной зоны и пикового давления на суставных поверхностях зависит от положения сустава и величины нагрузки. В суставе с отсутствием дефектов суставного хряща и интактными менисками зон концентрации напряжений не выявлено.

В диапазоне сгибания в коленном суставе 0–60° определялось равномерное распределение давления по всей площади контактирующих поверхностей. Разница их геометрии компенсировалась эластичностью суставного хряща и менисков. Площадь контакта и среднее контактное давление увеличивалось пропорционально уровню прилагаемой нагрузки.

0° при Р = 1500 Н — с увеличением размера дефекта медиального мыщелка бедра отмечена концентрация напряжений по краю дефекта с достоверным увеличением контактной площади с 31,8 до 65,1 мм2 (∆ = 51 %) в диапазоне контактного давления 7,1 — 8,6 Н/мм2 (LW).

30° при Р = 750 Н — отмечена концентрация напряжений по краю дефекта с увеличением площади концентрации напряжений с 48,5 до 88,7 мм2  (∆ = 45 %) в диапазоне контактного давления 1,6– 2,5 Н/мм2 (LLW).

60° при Р = 1500Н — отмечена концентрация напряжений по краю дефекта с увеличением площади концентрации напряжений с 15,9 до 41,5 мм2 (∆ = = 62 %) в диапазоне контактного давления 7,1 —  8,6 Н/мм2 (LW). В данном положении сгибания в коленном суставе площадь концентрации напряжений по краю дефекта была максимальной по отношению к общей площади контакта (∆ = 27 %).

Неоднородность размера контактного пятна ­(площади контакта) может быть объяснена различными индивидуальными упруго-эластичными (вязко- упругими) свойствами хряща и менисков в зоне контакта, зависящими от степени их дегенеративных изменений. Большое значение в распределении тибиофеморального давления играет также прочность крепления мениска к капсуле сустава и медиальной коллатеральной связке, ограничивающая подвижность мениска в условиях нагрузки. Увеличение тибиофеморального контактного давления могут вызывать дегенеративные изменения, происходящие в хряще и мениске, а также повреждения медиальной коллатеральной связки в зоне крепления медиального мениска. Наличием дегенеративных изменений в вышеуказанных структурах, по нашему мнению, можно объяснить выявленную в проведенном эксперименте концентрацию пиковых напряжений по краю дефекта суставного хряща при его размере  5 мм. Подтверждение этому можно найти и в работах зарубежных коллег [9], проводивших исследования свойств материала, используемого для замещения менисков с целью восстановления их функции.

Появление контактного пятна с концентрацией напряжений (рис. 7) обнаружено на макропрепарате со сниженной высотой суставного хряща. Такие изменения в распределении нагрузки могут быть обусловлены снижением эластичности контактирующих структур с уменьшением площади контакта.

Полученные данные позволяют создать алгоритм соответствующего пред- и интраоперационного планирования тактики хирургического вмешательства у пациентов с повреждением суставного хряща.

Выводы

1. Характеристики отпечатков контактной поверхности коленного сустава при использовании чувствительной пленки Fuji Prescale Pressure Measuring System индивидуально варьируют в зависимости от прочности крепления мениска к капсуле сустава, состояния медиальной коллатеральной связки в зоне крепления медиального мениска, степени дегенеративных изменений суставного хряща и менисков.

2. Локализация контактной зоны и концентрации контактного давления при наличии дефекта хряща медиального мыщелка бедра зависит от размера дефекта, величины нагрузки и положения сустава.

3. Травматическое повреждение хрящевой ткани медиального мыщелка бедра изменяет площадь сопряжения контактных поверхностей. В результате изменяется фактическая площадь контактирующих тел, что приводит к перераспределению усилий и возникновению зон концентрации напряжений, примыкающих к краю дефекта.

4. С появлением дефекта хряща увеличиваются зоны концентрации контактного давления по краю дефекта пропорционально увеличению размера дефекта и уровню нагрузки, начиная с величины 700 Н (1 BW).

5. Клинически значимым становится дефект суставного хряща медиального мыщелка бедра размером 5 мм при увеличении нагрузки на коленный сустав, начиная с величины 1400 Н (2 BW), в условиях дегенеративных изменений в суставном хряще и мениске.

6. С увеличением площади дефекта происходит увеличение площади концентрации напряжений по краю дефекта в диапазоне 7,1–8,6 Н/мм2 за счет уменьшения общей контактной площади сопряженных поверхностей коленного сустава, с расширением зоны повреждения суставного хряща.

7. При флюктуации величины контактного давления в диапазоне 7,1–8,6 МРа контактная площадь изменяется от 8,3 до 65,1 мм2 соответственно для дефектов размерами от 5 до 20 мм.

8. В условиях дегенерации суставного хряща и при наличии повреждения мениска напряжения  по краю дефекта могут достигать критического уровня.

9. При циклической нагрузке сустава до 3,5 BW (в условиях подъема/спуска по лестнице) в диапазоне движений 0–60° концентрация контактных напряжений с прогрессирующим разрушением суставного хряща по краю дефекта будет наблюдаться у дефекта с большей неоднородностью градиента напряжений.