Харухико Сато

Отдел по физикална терапия, Институт по здравни науки, Медицински факултет, Университет Хирошима

Пол Д. Андрю

Отдел по физикална терапия, Институт по здравни науки, Медицински факултет, Университет Хирошима

Резюме

Това изследване разглежда въпрос за това кое е по-лошо за колянната става: увеличаване на телесното тегло или намаляване на мускулната сила. Симулирахме едностранно понасяне на тежести и анализирахме степента, до която всеки от тях имаше вреден ефект върху колянната става. Използвахме модел на твърдо тяло, при който телесното тегло беше увеличено, а мускулите на квадрицепсите намалени. Също така, за да се отчетат разликите между мъжете и жените, моделът отразява разликата в ширината на таза. При тази симулация намаляването на мускулната сила с 30% от първоначалната й нормална стойност имаше по-силен неблагоприятен ефект от този при увеличаване на телесното тегло до същата относителна степен. Ефектът от разликите в пропорциите на тялото между мъжете и жените не оказва значително влияние върху резултатите, стига масите и линейните размери да са средни стойности за съответните полове. Нашите резултати предполагат, че пациент с остеоартрит в коляното трябва да обърне особено внимание на проблеми с мускулната слабост.

Мускулната слабост и затлъстяването се считат за фактори, които могат да ускорят прогресирането на артрозата в коляното 1–5). Те се наблюдават при пациенти с остеоартрит 6,7), така че упражненията за укрепване на мускулите или намаляването на теглото често са част от програмата за лечение на такъв пациент 1,3). Много изследователи са показали, че упражненията за укрепване на мускулите могат да бъдат ефективни за намаляване на болката и увеличаване на функционалните дейности при пациенти с остеоартрит 8-10). Затлъстяването е показано в проучване на Kohatsu et al. 6), да бъде 3,5–5,3 пъти по-вероятно при пациенти с остеоартрит, отколкото в сравнима контролна група. Felson et al. 11) показа, че загубата на тегло при жените намалява риска от бъдещо развитие на остеоартрит на коляното в около 50% от случаите в проучването за остеоартрит на коляното във Фрамингам.

Въпреки че ефектите от прекомерното телесно тегло и недостатъчната мускулна сила са установени като рискови фактори за остеоартрит на коляното, сравнителните им биомеханични ефекти върху коляното са неизвестни. Ако ефектът върху прогресията на остеоартрита може да бъде количествено сравнен между промени в мускулната сила и промени в телесното тегло, физиотерапевтът може по-точно да създаде подходяща програма за лечение на пациента с остеоартрит на коляното.

Целта на това проучване беше да се изясни кое има механично по-вредно въздействие върху колянната става, мускулна слабост или затлъстяване. Анализирахме това чрез биомеханична симулация, използвайки модел на твърдо тяло. Burstein и Wright 12) са описали механизъм на стабилност във фронталната равнина, при който точка в колянната става е определена за балансиране на мускулните сили спрямо земната реакционна сила. Те заявяват, че тази точка на равновесие се намира в медиалното отделение на коляното. Ако точката на равновесие се измести медиално, извън границите на самата колянна става, коляното ще има тенденция да преминава във варус и по този начин трябва да бъде уравновесено чрез добавяне на напрежение от страничния страничен лигамент.

В съответствие с тази идея сравнихме степента, в която понижаването на мускулното напрежение и повишаването на телесното тегло караше точката на баланс в коляното да се измести медиално. Също така, за да се отчетат разликите между мъжете и жените, моделът отразява разликата в ширината на таза.

Методи

Аналитичен модел

За да изчислим силата на реакцията в колянната става в изправено положение, импортирахме снимки в персонален компютър (Power Macintosh), които бяха изгледи във фронталната и сагиталната равнини. Изображението беше преобразувано в модел на твърдо тяло, състоящ се от четири сегмента: глава, багажник, включително ръце, бедро и опашка, включително крак (фиг. 1). Границите на връзките и такива параметри на тялото като теглото на сегмента и центъра на масата се основават на информация от учебник 13). За аналитичния модел във фронталната равнина ширината на таза (D на фиг. 2) не беше ясна, така че трябваше сами да извлечем тази стойност, което ще бъде обяснено в следващия раздел. За целите на това проучване предположихме, че ширината на таза е хоризонтална. Аналитичният модел включва различни ъглови отношения, както е показано на фиг. 1А и и2, 2, което би било подходящо както за дълги, така и за къси сегменти. Тъй като се фокусирахме върху обикновени функции, изискващи активност на квадрицепсите, анализираната поза не изглеждаше като стабилно изправяне на единия крак.

затлъстяването

Основа за изчисляване на въртящия момент на колянната става в сагиталната равнина. О: Поза на еднократна стойка. Б: Модел на твърдо тяло. показва центъра на масата. C: Изчислителен модел. G представлява център на масата за комбинирани сегменти на тялото, с изключение на носещото тегло стъпало и дръжка. W представлява обща телесна маса, с изключение на носещото тегло стъпало и опашка. L1 е дължината на перпендикулярна линия от колянната става до гравитационната линия.

Подравняване на единичен крак, стоящ във фронталната равнина. D представлява разстоянието между бедрените глави.

Пропорциите на симулационния модел се основават на данни за пропорциите при 50-годишни японци 14). За мъжете ръстът беше 166 см, а теглото 65 кг; при жените височината беше 154 см, а теглото 53 кг. Използвайки тази информация, беше изчислен центърът на масата на тялото, с изключение на носещото тегло стъпало и стебло. L1 се определя чрез измерване на дължината на линия от колянната става до перпендикулярно пресичане с гравитационната линия в сагиталната равнина. L2 (фиг. 3) беше измерен по същия начин във фронталната равнина. Под гравитационна линия имаме предвид вертикална линия, която минава през центъра на масата, както е определено за W в таблица 1 .

Основа за изчисляване на мускулната сила във фронталната равнина. L2 е дължината между гравитационната линия и линията на мускулната сила. Fq е сила на квадрицепсите, а Fh е сила на подколенните сухожилия.

маса 1

аМоментно рамо за квадрицепсите (50 мм)
бМоментно рамо за подколенните сухожилия (30 мм)
дДължина между бедрените глави (mm)
L1Дължина на перпендикулярна линия от колянната става до гравитационната линия в сагитална равнина (mm)
L2Дължина на перпендикулярна линия от колянната става до гравитационната линия във фронтална равнина (mm)
BPДължина между точката на баланс и колянната става в сагитална равнина (mm)
FqСила на квадрицепса (N)
FhСила на сухожилието (N)
WОбща телесна маса, с изключение на крака и крака с тежест (N)

Ширина на таза

Ширината на таза е определена на базата на нормални рентгенови снимки на таза. Дължината между центровете на бедрените глави е измерена в рентгенови снимки на 7 мъже и 15 жени. Средната възраст и стандартното отклонение са 41,6 ± 23,0 за мъжете и 49,7 ± 26,6 за жените. След това се използва проста регресия между височината и ширината на таза въз основа на тези данни, за да се получи уравнение за оценка на ширината на таза. Изчислено е, че ширината на таза при мъжете и жените отразява разликите в пропорциите между половете.

Числена процедура

Моментът около колянната става поради телесно тегло беше изчислен при статични условия. Тогава равновесието в сагиталната равнина (фиг. 4) може да бъде изразено като

където a е моментно рамо за квадрицепсите, а b е моментно рамо за сухожилията. Моментни рамена a и b се определят чрез измерване върху един скелетен образец. За точност на измерването мускулната линия е маркирана с цветна лента. Ставният център е получен от изпъкналостта на страничния кондил на бедрената кост в областта на ставния център. a е дължина на перпендикулярна линия от центъра на ставата до линията на мускулната сила на квадрицепса. b е дължина на перпендикулярна линия от центъра на ставата до линията на мускулна сила на подколенното сухожилие.

Моментни ръце на (а) четириглави мускули и (б) мускули на подколенното сухожилие. Ставният център се получава от изпъкналостта на страничния кондил на бедрената кост в областта на съвместния контакт.

Във фронталната равнина точката на реакционната сила в коляното се определя като механична опорна точка (фиг. 3). Тогава равновесието във фронталната равнина може да бъде изразено като

Така имахме три неизвестни параметъра (Fq, Fh, BP), но само две уравнения. Тъй като това беше статично неопределен проблем, трябваше да намалим броя на неизвестните параметри, така че зададохме параметъра BP като първоначално нормално състояние. Решихме да го зададем на 15 mm като разумна стойност, след като изпробвахме различни стойности. С тази стойност за BP можем да изчислим силата на квадрицепса (Fq) и силата на сухожилието (Fh). Първо направихме изчисленията при нормални условия. След това симулирахме ситуация с намалена мускулна сила на квадрицепса, както и ситуация с повишено телесно тегло. Когато квадрицепсната мускулна сила или телесното тегло бяха променени, силата на подколенната сухожилие се изчислява по уравнение 1 и точката на баланс (BP) се определя по уравнение 2.

Точката на баланса представлява точката, в която силата на сгъстяваща реакция (вертикалната реакционна сила на ставата) действа в колянната става. Мащабът на тази сила на натиск беше сумата от вертикалния компонент на силата на квадрицепса (Fq cos 25 °), силата на подколенното сухожилие (Fh cos 5 °) и телесното тегло (W).

Резултати

Намаляването на силата на квадрицепса изглежда е по-силно в нарушаването на стабилността на колянната става, отколкото увеличаването на телесното тегло. Това се основава на следния анализ.

Фигура 5 показва ширината на таза (mm). Регресионният анализ дава 0.166 × (височина в мм) - 80.55 за мъжете и 0.185 × (височина в мм) - 84.3 за жените. Свързаните коефициенти на корелация са 0.70 за мъжете и 0.78 за жените.

Съотношение между височината на тялото и ширината на таза. Корелациите са 0.70 за мъжете и 0.78 за жените.

Моментните рамена, които измерихме на скелетния образец, бяха 5 cm за квадрицепсите (a) и 3 cm за подколенните сухожилия (b).

Фигура 6 илюстрира как точката на баланс на реакционната сила се движи медиално, когато силата на квадрицепса намалява. Когато мускулната сила в симулацията намалее с 30% от първоначалното нормално състояние, точката на баланса се движи медиално с 2,6 cm (фиг. 6-C).

Ефект от намаляващата сила на квадрицепса при женски модел. О: Нормално състояние. B: 15% намаляване на силата на квадрицепса. C: 30% намаляване на силата на квадрицепса.

Когато телесното тегло беше увеличено при симулацията, точката на реакционната сила отново се движеше медиално, но ефектът от нея беше по-малък, отколкото когато мускулната сила намали еквивалентно количество от първоначалното състояние (Фиг. 7). Ако например телесното тегло се увеличи с 30%, точката на баланс се премести с 2,0 cm. За да се постигне същия ефект върху миграцията на балансната точка като 30% намаление на мускулната сила, телесното тегло трябва да се увеличи със 75%.

Относителни ефекти от увеличаването на телесното тегло и намаляването на квадрицепсите при мъжете и жените. ● ○: намалена сила на квадрицепса, ■ □: увеличено телесно тегло; ● ■: мъже, ○ □: жени.

Фигура 7 показва, че мъжете и жените не са имали видими разлики в ефекта от намаляване на силата на квадрицепса или увеличаване на телесното тегло. Точката на баланса би се изместила около 3,2 mm медиално, ако обаче се използва нормалната стойност на квадрицепсите за мъж в комбинация с уравнението за регресия за таза на жената (данните не са показани).

Дискусия

При тази симулация намаляването на мускулната сила има по-силен неблагоприятен ефект върху стабилността на колянната става, отколкото увеличаването на телесното тегло. Когато мускулната сила намалява с 30% от първоначалното нормално състояние, точката на баланс се измества почти до ръба на медиалното отделение. 30% намаление на мускулната сила е клинично реалистично. Мъри и др. 15, 16) показват, че силата на мускулите на коляното е с 30% по-ниска при възрастни пациенти, отколкото при млади. За да се постигне същия ефект върху коляното чрез увеличаване на телесното тегло, ще е необходимо увеличение от 75%. Например, човек с тегло 60 кг ще трябва да увеличи телесното тегло до 105 кг. Очевидно пациентите с остеоартрит на коляното трябва да бъдат по-загрижени за поддържане на мускулната сила, отколкото за намаляване на телесното тегло, що се отнася до коляното.

Тази симулация се потвърждава от констатации, съобщени от Miller et al. 17), който е оценил връзката между клиничните и рентгенографските находки при пациенти с дегенеративен артрит на коляното. Те съобщават, че медиалната нестабилност на колянната става е свързана с намалено напрежение на квадрицепсите, но че телесното тегло не е свързано значително с тежестта на рентгенографските промени. Тези открития предполагат, че нашият опростен симулационен модел може да бъде практичен.

Нашият симулационен модел не отразява много подробно реалното състояние на пациентите с остеоартрит. Моделът беше опростен, за да се сравнят очевидните ефекти от намаляването на мускулната сила спрямо увеличаването на телесното тегло. Едно от последиците от нашите резултати е, че точката на баланс в коляното може да не се движи медиално много далеч чрез промяна на положението на сегмент на тялото, като главата или таза. Това рязко контрастира с ефекта от загуба на сила на квадрицепса. По този начин пациентът с остеоартрит в коляното трябва да обърне сериозно внимание на проблеми с мускулната слабост.

Ефектът от разликите в пропорциите на тялото между мъжете и жените не оказва значително влияние върху резултатите, стига масите и линейните размери да са средни стойности за съответните полове. Ако обаче регресията за жена се използва с мъж, точката на баланс ще се измести, за да направи коляното по-малко стабилно. Това естествено показва, че прекалено широкият таз може да бъде рисков фактор за стабилността на коляното. Това, че по-широкият таз не е повлиял неблагоприятно стабилността на коляното при жените, може да се дължи на по-малките им размери във височина и тегло.

Заключение

Сравнихме ефекта на мускулната слабост спрямо увеличаването на телесното тегло, използвайки симулация с модел на твърдо тяло, върху статичната стабилност на носещото тегло коляно по време на едностранно изправяне. При тази симулация намаляването на мускулната сила има по-силен неблагоприятен ефект върху стабилността на колянната става, отколкото увеличаването на телесното тегло. Не само пациентите с остеоартрит на коляното, но и техните физиотерапевти трябва да бъдат по-загрижени за поддържане на мускулната сила, отколкото за намаляване на телесното тегло.