Журнал «Травма» Том 12, №4, 2011

Введение

Около 70–75 % посттравматических артрозов коленного сустава являются следствием повреждений его внутренних структур. В частности, повреждения хряща, менисков и крестообразных связок в 79 % случаев являются причиной развития дистрофических изменений в коленном суставе. Повреждение связок приводит к прогрессирующему поражению мышц, хронической неустойчивости колена, преждевременным дегенеративным изменениям суставного хряща. В связи с этим возникает ряд вопросов, которые приходится решать клиницистам. Повреждение каких мягкотканных структур или какое их сочетание наиболее неблагоприятны в плане последующего развития посттравматического гонартроза? Как тактика лечения пострадавших в остром периоде влияет на вероятность развития гонартроза? Возможна ли компенсация функций поврежденных мягкотканных структур, в частности крестообразных связок? Эти и другие вопросы напрямую связаны с выбором тактики лечения и потому архиважны в клинической практике.

По частоте повреждений связочного аппарата коленный сустав занимает первое место, на него приходится до 50 % всех травм суставов [1, 2]. Передняя крестообразная связка (ПКС) при этом является наиболее часто повреждаемой стабилизирующей структурой коленного сустава (от 33 до 92 % случаев) [3].

Укрепление четырехглавой мышцы бедра считается основным для восстановления мышечного баланса при недостаточности ПКС. В то же время, по данным, опубликованным за последние 10 лет, укрепление ее является нефизиологичной нагрузкой, приносящей вред, так как при напряжении данной мышцы возникает вектор силы, направленный вперед [3], что при отсутствии ПКС ведет к переднему подвывиху. В результате со временем развиваются дистрофические изменения в суставном хряще. Эти положения противоречивы и нуждаются в уточнении.

Поэтому целью данной работы мы определили изучение вопроса компенсации стабильности коленного сустава при повреждении передней крестообразной связки.

Материалы и методы

Исследования проводили с использованием метода математического моделирования. На первом этапе работы были рассчитаны силы и моменты сил, возникающие в коленном суставе при различных положениях голени относительно бедра.

Рассматриваемая модель работы коленного сустава представлена следующим образом. Бедренная кость расположена горизонтально, проксимальный ее конец жестко фиксирован. Голень рассмотрена в трех положениях: свободно свисающая (сгибание под углом 90°), полностью разогнутая в коленном суставе (0° сгибания) и в промежуточном положении (сгибание под углом 45°).

Очевидно, что в зависимости от положения нижней конечности и степени сгибания в коленном суставе внешние усилия будут вызывать различное напряжение мышц, необходимое для удержания голени под заданным углом. При отсутствии опоры, при вертикальном положении голени на коленный сустав будет воздействовать только вес голени и стопы, приложенный к центру тяжести данного сегмента [4]. Работа мышц бедра и голени, а также связочного аппарата коленного сустава будет направлена на компенсацию только этого усилия. При отклонении голени от вертикали и для удержания данного положения необходимо дополнительное воздействие со стороны мышц, направленное на компенсацию возникшего крутящего момента (рис. 1).

Наличие опоры в виде контакта суставных поверхностей большеберцовой и бедренной костей создает дополнительное усилие в виде реакции опоры, и компенсироваться это усилие будет дополнительным напряжением мышц. Такая ситуация будет характерна при статическом положении коленного сустава, которое мы и рассмотрим для определения возможных смещающих усилий, возникающих в коленном суставе и компенсирующихся натяжением кресто­образной связки.

Расчет усилий при статическом положении коленного сустава

Для начала мы определили основную группу, усилий участвующих в удержании коленного сустава в заданном положении. К таким усилиям мы отнесли: силу тяжести расположенных дистально отделов конечности (голень и стопа), которая будет компенсироваться усилием четырехглавой мышцы; натяжение передней крестообразной связки, которое будет препятствовать переднему смещению дистального отдела голени и обеспечивать физиологическое движение голени относительно бедренной кости в виде скольжения-качения. При разных углах сгибания коленного сустава величина этих усилий будет изменяться.

Вес голени и стопы, положение их центров тяжести определяли по данным литературы [4], исходя из веса, роста пациента и длины сегментов конечности. Условно приняли для пациента вес 70 кг и рост 170 см, при этом масса голени была определена в 2,99 кг, масса стопы — 0,95 кг, расстояние от коленного сустава до центра тяжести голени — 15,4 см, расстояние от голеностопного сустава до центра тяжести стопы — 3,0 см.

Решая систему уравнений моментов и сил относительно точки вращения голени, получили усилие, воспринимаемое передней крестообразной связкой при трех положениях коленного сустава: при сгибании коленного сустава под углом 90° — 0,2 Н, при 45° — 2,4 Н, при 0° — 4,9 Н.

Как показали расчеты, с уменьшением угла сгибания голени увеличивается сила натяжения передней крестообразной связки, которая достигает максимума при полном разгибании голени. При повреждениях передней крестообразной связки эти усилия должны быть каким-либо образом компенсированы. Однако даже максимальные значения возникающих сил невелики по абсолютному значению и в статических положениях голени могут быть легко компенсированы либо за счет других структур сумочно-связочного аппарата (так называемых вторичных стабилизаторов), либо за счет работы мышц-антагонистов, работающих в уступающем режиме при статических нагрузках или медленных движениях.

Известно, что в положении полного разгибания голени стабилизация коленного сустава, помимо крестообразных связок, осуществляется за счет натяжения коллатеральных связок коленного сустава, а также за счет автоматической осевой ротации большеберцовой кости, которая способствует замыканию коленного сустава в момент максимального разгибания голени. При повреждении передней крестообразной связки в положении разгибания голени указанные механизмы стабилизации могут легко компенсировать недостаточность ее функции. При увеличении угла сгибания голени смещающие усилия уменьшаются и могут быть компенсированы мышцами задней группы бедра и голени.

Таким образом, смещающие усилия в коленном суставе, которые возникают при повреждении передней крестообразной связки, в статике могут быть компенсированы за счет неповрежденных связочных структур или мышц задней группы голени и бедра.

Однако при движениях голени с ускорением или при работе нижней конечности в динамике для компенсации возникающих дополнительно моментов инерции дистальных отделов конечности понадобятся дополнительные усилия мышц бедра и голени. Рассмотрим модель разгибания голени для определения возможности компенсации усилий, приходящихся на переднюю крестообразную связку.

Расчет усилий при вращательном движении коленного сустава

Условия работы данной модели не отличаются от рассмотренной выше статической модели.

Для обеспечения разгибательного движения голени необходимо усилие четырехглавой мышцы, чтобы преодолеть момент инерции дистальных отделов нижней конечности и осуществить движение. При этом голень будет двигаться с определенной угловой скоростью, которую мы определим, зная время движения и перемещения [5]. При ходьбе фаза переноса конечности составляет от 0,15 до 0,23 с. За это время голень совершает вращательное движение относительно коленного сустава, равное 40–50°. При исходных данных угловая скорость будет равна 225 град/с.

Далее определяем момент инерции для голени и стопы по формуле:

                                                                                         (1)

где m — масса объекта (голень, стопа),

r — расстояние от центра тяжести объекта до центра вращения.

Для пациента весом 70 кг и ростом 170 см эти параметры составили: масса голени — 2,99 кг, масса стопы — 0,95 кг, расстояние от центра вращения до центра тяжести голени — 15,4 см, расстояние от центра вращения до центра тяжести стопы — 43,4 см.

Для данных условий момент инерции расположенной ниже колена части конечности составит:

Зная момент инерции, можно определить кинетическую энергию, необходимую для осуществления данного движения:

                                                                                                     (2)

величина которой составляет 6201,5 Дж.

Для создания такой кинетической энергии необходимо, чтобы четырехглавая мышца совершила работу, равную:

                                                                                                         (3)

где Fд —  усилие четырехглавой мышцы, необходимое для осуществления вращения голени,

S — путь, который при этом совершит точка прикрепления четырехглавой мышцы к большеберцовой кости.

Таким образом, дополнительное усилие четырехглавой мышцы, необходимое для осуществления вращения голени, можно определить по формуле:

                                                                                    (4)

При выбранных значениях угловой скорости, инерционных характеристик голени и стопы, угле сгибания голени, 90°, а также геометрических соотношениях в области коленного сустава необходимо усилие четырехглавой мышцы, равное 197,5 Н.

Зная усилие четырехглавой мышцы бедра и угол сгибания голени можно найти значения силы натяжения передней крестообразной связки, которые составили: при сгибании коленного сустава под углом 90° — 7,1 Н, 45° — 12,3 Н, при близком к 0° — 14,8 Н.

Таким образом, суммарное усилие натяжения передней крестообразной связки, создаваемое при движении голени и действии мышц, необходимом для уравновешивания веса дистальной части нижней конечности (полученное при расчете статического и динамического компонентов), составит: при сгибании коленного сустава под углом, близком к 0°, — 19,7 Н, при 45° — 14,7 Н, при 90° — 7,3 Н.

Анализ полученных результатов

Передняя крестообразная связка препятствует смещению большеберцовой кости вперед при движениях в коленном суставе. Сочетанная работа крестообразной связки и четырехглавой мышцы бедра обеспечивает стабильное состояние коленного сустава и сочетание качения и скольжения мыщелков бедренной кости по суставной поверхности большеберцовой кости.

Суммарное максимальное усилие натяжения передней крестообразной связки достигает 19,7 Н. Оно удерживает голень от смещения вперед и бедренную кость — от смещения назад при работе мышц в положении, близком к полному разгибанию.

При повреждении передней крестообразной связки работа четырехглавой мышцы бедра будет вызывать сдвигающие усилия большеберцовой кости вперед и бедренной кости назад. Эти усилия будут резко возрастать под действием динамической составляющей.

Сдвигающее усилие, приложенное к большеберцовому компоненту, можно определить по формуле:

                                                                                               (5)

Аналогично можно определить сдвигающее усилие, приложенное к бедренному компоненту:

                                                                                           (6)

где FПГ — усилие четырехглавой мышцы;

g — угол наклона результирующей, действующей в точке касания надколенника и бедренной кости к оси ОХ.

Максимальное усилие четырехглавой мышцы при этом будет достигать 281,6 Н (84,2 Н — статическая составляющая и 197,4 Н — динамическая составляющая).

Подставив значение максимального усилия четырехглавой мышцы в формулы 5 и 6, получим следующие величины сдвигающих усилий: усилие, приложенное к большеберцовому компоненту, — 68,1 Н, усилие, приложенное к бедренному компоненту, — 255, 2 Н.

Полученные сдвигающие усилия направлены в противоположные стороны, таким образом, максимальное суммарное сдвигающее усилие может составить 323,3 Н. Оно весьма велико и не может быть компенсировано мышцами задней группы бедра и голени.

Таким образом, расчетные данные свидетельствуют о том, что при повреждении передней кресто­образной связки возникают значительные сдвиговые усилия в области коленного сустава при движениях голени, которые не могут быть полностью компенсированы работой других структур, стабилизирующих коленный сустав.

Проведенное нами моделирование имеет не только теоретическое значение, но и четкое клиническое приложение. Прежде всего это биомеханическое обоснование необходимости раннего восстановления передней крестообразной связки при ее повреждениях. Своими расчетами мы показали, что при повреждении передней крестообразной связки возникают сдвигающие усилия, которые не могут быть полностью компенсированы. И если в статических условиях мы можем говорить об относительной компенсации функции поврежденной передней крестообразной связки, то при движениях возникающие в коленном суставе сдвиговые усилия не могут быть компенсированы, а следовательно, передняя крестообразная связка при повреждении должна быть восстановлена как можно ранее, в остром периоде травмы.

Известно, что медиальный мениск при движениях в коленном суставе менее мобилен (он смещается кзади всего на 6 мм), чем латеральный, который имеет вдвое большую амплитуду перемещения (12 мм), поэтому медиальные фасетки бедренной и большеберцовой костей менее адаптированы к смещениям в сагиттальной плоскости. Избыточная подвижность суставных поверхностей большеберцовой и бедренной костей при повреждении передней кресто­образной связки ведет к повышенным нагрузкам на мениски, что при длительном существовании нестабильности коленного сустава приведет к их вторичному повреждению и усугублению биомеханических несоответствий в суставе.

При сочетанных повреждениях передней крестообразной связки и медиального мениска медиальные фасетки коленного сустава при сгибании голени получают гораздо большую амплитуду перемещения в сагиттальной плоскости, чем в норме, что приводит к выраженному нарушению биомеханики движений. При сочетанных повреждениях передней крестообразной связки и латерального мениска прирост подвижности латеральных фасеток сустава в сагиттальной плоскости будет меньше на фоне относительно большой подвижности мениска в норме, поэтому повреждение латерального мениска будет легче компенсироваться организмом в ближайшем посттравматическом периоде. Однако неповрежденный медиальный мениск при этом будет подвержен чрезмерным нагрузкам и его повреждение будет скорым и неизбежным. То есть мениски коленного сустава, традиционно относящиеся к стабилизирующим структурам, в большей мере являются адаптационными структурами коленного сустава.

Заключение

Проведенное математическое моделирование показало, что при повреждении передней крестообразной связки в коленном суставе возникают сдвигающие усилия, стремящиеся сместить суставные поверхности большеберцовой кости вперед, а бедренной кости назад. При статических условиях нагружения возможна относительная компенсация функции поврежденной передней крестообразной связки. При динамических условиях нагружения возникающие в коленном суставе сдвиговые усилия не могут быть полностью компенсированы, что приводит к нарушению биомеханики коленного сустава.

При сочетанных повреждениях передней крестообразной связки и одного из менисков биомеханические нарушения в коленном суставе усугубляются, что может приводить к дальнейшим вторичным разрушениям стабилизирующих структур, причем медиальные структуры сустава больше подвержены риску вторичной альтерации.

Таким образом, передняя крестообразная связка при повреждении должна быть восстановлена как можно ранее, в остром периоде травмы.