Symmetry and gender differences of the knee joint adduction moment

Full Text

АКТУАЛЬНОСТЬ

Остеоартроз коленного сустава является одним из наиболее коварных дегенеративных заболеваний, резко снижающим качество жизни больных и зачастую приводящим к инвалидизации [1]. По данным эпидемиологических исследований, проведенных для национальной программы изучения остеоартроза коленного сустава в США, встречаемость манифестного гонартроза составила 1,6% среди лиц в возрасте 25–74 лет и 9,5% среди лиц в возрасте 63–93 лет, из них 2/3 — это люди трудоспособного возраста [2]. Несмотря на совершенствование как инвазивной, так и неинвазивной инструментальной диагностики раннего остеоартроза и преостеоартроза коленного сустава, а также поиск лабораторных маркеров его прогнозирования, задача предикции гонартроза на сегодняшний день полностью не решена [3], однако существенная роль биомеханических факторов в возникновении и прогрессировании остеоартроза коленного сустава очевидна [4]. При этом наиболее тяжело понимание этой роли в возникновении первичного гонартроза, когда причина инициации повреждения коленного сустава неясна [5]. Между тем на сегодняшний момент достоверно установлено, что ряд биомеханических факторов, которые участвуют в патогенезе идиопатической формы гонартроза, обусловлены особенностями походки [6, 7]. Объективный скачок в изучении биомеханических предикторов гонартроза произошел вместе с распространением в научно-практической среде функционального метода исследования походки под названием «видеоанализ движений» [8]. На сегодняшний день наиболее изученным шаговым предиктором гонартроза является момент аддукции коленного сустава в фазу опоры. Имеют место многочисленные исследования, которые устанавливают аномальность его средних и пиковых значений на различных стадиях гонартроза [9]. При этом отдельные исследования, посвященные поиску его референтных значений среди различных возрастных и гендерных групп, достаточно малочисленны и противоречивы [10].

Целью исследования являлась оценка влияния пола и функциональной асимметрии тела на пиковые моменты аддукции коленного сустава у здоровых добровольцев.

МЕТОДЫ

Дизайн исследования

Проведенное исследование было запланировано на здоровых добровольцах мужского и женского пола, включая следующие этапы: 1) первоначальный отбор испытуемых в соответствии возрастом, индексом массы тела и данными анамнеза; 2) окончательный отбор испытуемых в соответствии с данными объективного осмотра и антропометрии; 3) набор и техническая оценка качества полученных данных от видеоанализа походки; 4) группировка и статистическая обработка полученных пиковых значений момента аддукции коленного сустава; 5) анализ и представление результатов исследования.

Исследование предполагало оценку симметричности пиков момента аддукции правого и левого коленного сустава в целом и в зависимости от пола, а также общую межгендерную оценку достоверности различий данных пиков. Для исследования в качестве двигательного акта была использована ходьба в комфортном для испытуемых темпе.

Критерии соответствия

Исследование было запланировано в соответствии с критерием включения сопоставимого количества здоровых мужчин и женщин в возрасте 18–50 лет. Из исследования исключались добровольцы, имеющие в анамнезе какие-либо врожденные или приобретенные деформации, соматические заболевания, а также травмы со стойким нарушением целостности опорно-двигательного аппарата. Исследование не предполагало включение волонтеров в возрасте младше 18 и старше 50 лет, а также добровольцев с индексом массы тела более 35 кг/м² ввиду возможного влияния процессов формирования или старения опорно-двигательного аппарата и существенного ожирения на биомеханику коленных суставов.

Условия проведения

Исследование проводилось на базе лаборатории видеоанализа движений Центра восстановительной медицины Федерального государственного бюджетного учреждения «Федеральный Сибирский научно-клинический центр Федерального медико-биологического агентства» (Красноярск). Первоначальный отбор волонтеров осуществлялся на базе Медицинского центра Сибирского федерального университета (Красноярск). Волонтеры отбирались из числа пациентов, обратившихся на консультацию к терапевту по поводу ОРВИ.

Продолжительность исследования

Исследование было запланировано в срок 03.2019–08.2019 г. Этап первоначального отбора испытуемых был запланирован в течение 4 нед и был выполнен в срок. При этом первоначально для исследования было отобрано 40 добровольцев. Этап окончательного отбора волонтеров и этап набора и технической оценки качества полученных данных от видеоанализа походки по плану были осуществлены совместно в течение 4 мес. Объективный осмотр с антропометрией при окончательном отборе добровольцев и проведением тестов ходьбы с захватом движений были выполнены в один день. На следующий день осуществлялась техническая оценка качества полученных данных от видеоанализа походки. При этом из 40 добровольцев окончательный отбор прошли 38 человек. Группировка и статистическая обработка полученных данных с анализом и представлением полученных результатов были проведены в соответствии с планом в течение 1 мес.

Методы регистрации исходов

Всем испытуемым было проведено однократное исследование походки посредством современного программно-аппаратного комплекса Vicon Motion Capture Systems компании Vicon (Великобритания), включающего 12 инфракрасных видеокамер, расположенных по периметру комнаты, а также 3 динамометрические платформы, встроенные в пол. Система позволяет фиксировать более 2 полных шаговых цикла за одну пробу. Сбор и обработка биомеханических данных происходили посредством программы Nexus, а представление полученных результатов — с помощью программы Polygon.

В качестве скелетной биомеханической модели программное обеспечение Vicon Motion Capture Systems использует иерархическую модель, наиболее зарекомендовавшую себя в научной и клинической практике. Биомеханическая модель вычисляется по дистальным анатомическим ориентирам в области эпифизов костей и совмещается перпендикуляром с центром проксимального сустава. К этим неподвижным анатомическим ориентирам прилегают светоотражающие маркеры, с которых считывается оптическая информация для «виртуального скелета». Применение дополнительных стержневых приспособлений с маркерами на конце, размещенных на коже диафизарной части бедер и голеней, обусловлено необходимостью точного определения торсии сегментов в коронарной плоскости.

Результаты проведенных проб визуализируются в виде различных трехмерных изображений, структурно привязанных к анатомической скелетной модели, которые дополняются видеоизображением в видимом спектре, полученном в двух плоскостях от камер контрольного видео. Количественные биомеханические данные представляются в виде непрерывных (графических) и дискретных значений.

Перед каждым исследованием производились подробный сбор анамнеза относительно полученных травм, ортопедических и неврологических заболеваний, врожденных аномалий, а также физикальный осмотр, при котором происходила тщательная проверка на наличие деформаций и асимметрий скелета и мягких тканей, суставных контрактур, гипертонуса мышц, болевых и триггерных пунктов. В начале исследования осуществлялся сбор антропометрических данных, которые заносились в интерфейс программы Nexus, и были использованы для программирования анатомии будущей скелетной модели. При этом у 5 из 38 добровольцев имело место функциональное укорочение одной из нижних конечностей в пределах 1 см, вызванное незначительным фронтальным перекосом таза и/или незначительным функциональным сколиозом при равенстве абсолютной длины нижних конечностей. Данный вариант функциональной асимметрии не является полностью физиологическим, однако ввиду своей высокой распространенности среди относительно здоровых лиц, слабого влияния на биомеханику ходьбы и отсутствия структурных аномалий, перманентно его обусловливающих, будет уместно пренебречь его наличием при настоящем и последующем формировании выборок [11, 12].

Исследование походки производилось путем поочередного прохождения по динамометрическим платформам левой и правой ногой с отсечкой минимум 1 м в комфортном темпе. Количество тестов для каждой нижней конечности составляло 6–8. При этом для графических значений кинетических и кинематических показателей в интерфейсе программы Polygon было вычислено математическое ожидание. Пиковые моменты аддукции обоих коленных суставов были взяты из средних межтестовых величин в полученных непрерывных данных. Как известно, первый пик аддукции коленного сустава приходится на временную точку в 30% от длительности фазы опоры, а второй — в терминальный период фазы опоры, выражаясь в Нм/кг либо в виде произведения процента массы тела на рост [9]. В интерфейсе используемой нами версии программы Polygon в качестве единицы измерения кинетических показателей использовались Нм/кг. Были произведены сравнительные оценки амплитуды обоих пиков между левой и правой нижней конечностью у мужчин и женщин, а также вне зависимости от пола. Достоверность гендерных различий в амплитуде обоих пиков оценивалась суммарно для правой и левой нижней конечности.

Этическая экспертиза

Исследование было выполнено без проверки этическим комитетом.

Статистический анализ

Статистическая обработка базы данных проводилась в соответствии с требованиями, предъявляемыми к статистическому анализу биомедицинских данных посредством программного пакета Statistica v. 7.0 (StatSoft, США). Ввиду малого размера выборок соответствие статистического распределения нормальному распределению Гаусса оценивали с помощью критерия Шапиро–Уилка. Так как все имеющиеся выборки количественных данных не подчинялись закону нормального распределения, то различия были оценены при помощи методов непараметрической статистики и представлены графически в виде медианы, 25-го и 75-го процентилей [Ме (P25; P75)]. Для оценки достоверности различий использовался количественный U-критерий Манна–Уитни для независимых выборок. При попарном сравнении каждого из пиков момента аддукции между левой и правой нижней конечностью мы также использовали U-критерий Манна–Уитни для несвязанных выборок, выдвинув более строгую гипотезу о независимости кинетики правой и левой ноги.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Объекты (участники) исследования

В качестве участников исследования были взяты 38 здоровых добровольцев в возрасте 20–45 лет (17 мужчин и 21 женщина) с индексом массы тела менее 35 кг/м².

Основные результаты исследования

В результате оценки значимости различий в амплитуде первого пика момента аддукции коленного сустава между правой и левой нижней конечностью было отмечено отсутствие достоверной разницы между выборками (U=626,5; p>0,05), что демонстрирует отсутствие асимметрии в значениях данного показателя между правой и левой ногой (рис. 1). При отдельном сравнении амплитуды первого пика момента аддукции коленного сустава для правой и левой нижней конечности у мужчин различия между выборками также были незначимы (U=121,5; p>0,05). Аналогичные результаты в отношении первого пика были получены у женщин (U=206,5; p>0,05).

 

Рис. 1. Непараметрические показатели, характеризующие первый пик момента аддукции коленного сустава для правой и левой нижней конечности

 

Достоверность различий отсутствовала при сравнении второго пика момента аддукции между правой и левой нижней конечностью (U=613,5; p>0,05) (рис. 2). При этом различия в амплитуде второго пика между левой и правой нижними конечностями были незначимы как у мужчин (U=110; p>0,05), так и у женщин (U=191,5; p>0,05). Данный результат демонстрирует достаточно выраженную симметрию момента аддукции коленного сустава у здоровых людей независимо от пола.

 

Рис. 2. Непараметрические показатели, характеризующие второй пик момента аддукции коленного сустава для правой и левой нижней конечности

 

При оценке влияния половых различий на пиковые моменты аддукции коленного сустава обнаружено, что первый пик не имел достоверных различий у мужчин и женщин (U=646; p>0,05) (рис. 3), тогда как второй пик был достоверно выше у мужчин (U=409,5; p<0,05) (рис. 4). Очевидно, это связано с большей мощностью заднего толчка у мужчин при равенстве осевой нагрузки на коленный сустав во время нагрузочной реакции, соответствующей первому пику.

 

Рис. 3. Непараметрические показатели, характеризующие первый пик момента аддукции коленного сустава у мужчин и женщин

 

Рис. 4. Непараметрические показатели, характеризующие второй пик момента аддукции коленного сустава у мужчин и женщин

 

ОБСУЖДЕНИЕ

В зарубежной литературе имеет место оригинальное исследование, в котором получены аналогичные нашим результаты, отражающие высокую степень симметрии обоих пиков момента аддукции коленного сустава с учетом пола и возраста [13]. Однако наличие в данной работе слишком малой выборки (17 здоровых добровольцев) с крайне неравномерным распределением по полу внушает необходимость проведения более качественных исследований, результаты которых будут отвечать критериям генеральной совокупности.

При подтверждении нормальности полученных данных относительно влияния гендерных особенностей биомеханики на составляющие аддукционных сил, сформированный диапазон их референтных значений будет различаться в зависимости от пола. Установленные особенности в отношении пиковых моментов аддукции коленного сустава будут учтены при внедрении видеоанализа движений в качестве диагностического инструмента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование подтвердило, что достоверные различия в амплитуде как первого, так и второго пика момента аддукции коленного сустава между правой и левой нижней конечностью отсутствуют вне зависимости от пола. Значимые гендерные различия отсутствуют в отношении амплитуды первого пика момента аддукции коленного сустава, но присутствуют в отношении амплитуды второго пика. Таким образом, при подтверждении полученных результатов методами параметрической статистики при большем количестве человек в выборках симметричность аддукционных сил, воздействующих на коленные суставы в фазу опоры, будет доказана. Полученные результаты будут использованы для решения диагностических и прогностических задач, в частности для установления риска возникновения гонартроза при наличии анатомической асимметрии и анатомических аномалий одной из нижних конечностей.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы подтвердили отсутствие конфликта интересов, о котором необходимо сообщить.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

ФГБУ ФСНКЦ ФМБА России.

УЧАСТИЕ АВТОРОВ

Малков А.Б. — окончательный отбор волонтеров, набор и техническая оценка качества полученных данных от видеоанализа походки, статистическая обработка, анализ и представление результатов исследования, написание оригинальной статьи; Кондратьев С.Н. — техническое обеспечение видеоанализа движений в рамках исследования; Аброськина М.В. — первоначальный отбор волонтеров.

Все авторы внесли существенный вклад в проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию до публикации.

About the authors

Alexey B. Malkov

The Federal Siberian Research Clinical Centre under the Federal Medical Biological Agency

Author for correspondence.
Email: genesis-med@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2282-7407
SPIN-code: 4057-2538

к.м.н.

Russian Federation, Krasnoyarsk

Stanislav N. Kondrat’ev

The Federal Siberian Research Clinical Centre under the Federal Medical Biological Agency

Email: stas.84@inbox.ru

MD

Russian Federation, Krasnoyarsk

Maria V. Abros'kina

The Federal Siberian Research Clinical Centre under the Federal Medical Biological Agency; Professor V.F. Voyno-Yasenetsky Krasnoyarsk State Medical University

Email: mabroskina@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1454-1807
SPIN-code: 6011-2040

MD, PhD

Russian Federation, Krasnoyarsk

References

Supplementary files