Development of a hyaline cartilage thickness map of a normal knee joint and in knee varus and valgus deformity

Cover Page

Abstract


Aim. Estimation of the average thickness of hyaline cartilage on the basis of magnetic resonance imaging for its further evaluation in standard radiography of the normal knee joint.

Methods. The study included 66 magnetic resonance imaging scans of healthy knee joints (30 right and 36 left joints) from 32 females and 34 males aged 35 to 59 years (mean age 47±8.1 years) with different limb axis deviation. All scans were processed manually using Syngo fastView programs to create a 3D model of the distal femoral epiphysis and the proximal tibial epiphysis, and also to differentiate between cartilage tissue and bone. The next step was measurement of hyaline cartilage thickness on the created models made at intervals of 2 mm to create a «thickness map» which later would make it possible to estimate the cartilage thickness on the basis of standard knee radiograph.

Results. The hyaline cartilage thickness varies depending on the sex and limb axis deformation. Thus, the largest thickness of cartilaginous tissue was observed on the articular surface of the femur in males 1.5-2 cm above the attachment site of the anterior cruciate ligament, and the average thickness on the femur was 1.90±0.425 mm. The largest thickness of the cartilage on the articular surface of the tibia in males was observed in the lateral side, and the average thickness was 1.64±0.434 mm. The cartilage thickness in the medial joint was significantly less in varus deformity than in valgus deformity.

Conclusion. The hyaline cartilage «thickness map» of the knee joint allows assessing its state by standard radiographs without performing magnetic resonance imaging; modification of hyaline cartilage «thickness map» in pathology will improve the treatment results for local defects and more reliably perform preoperative planning for needed knee replacement.


Повсеместно отмечают значительный рост заболеваемости дегенеративно-дистрофическими болезнями крупных суставов [1]. Это приводит к увеличению затрат на диагностику, лечение и реабилитацию таких пациентов.

В настоящее время стандартом диагностики заболеваний коленного сустава служит рентгенография в двух проекциях. К сожалению, данный метод не позволяет получить полноценную информацию о состоянии гиалинового хряща. Наиболее достоверным и малоинвазивным методом диагностики в таком случае становится магнитно-резонансная томография (МРТ) [2].

Необходимо отметить, что медиальные отделы коленного сустава испытывают нагрузку на 50% больше, чем латеральные. К тому же медиальный мениск поглощает 50% нагрузки, тогда как латеральный ­мениск — до 70%. Большая часть ­нагрузки, естественно, приходится на гиалиновый хрящ [3].

В одном из классических исследований S. Lee описывал толщину хрящевого покрова и показал, что в отделах, где контакт между гиалиновыми хрящами максимален, толщина его может быть выше на 40%. Отмечено, что толщина может значительно варьировать в разных отделах, особенно при вальгусной или варусной установке голени [4].

Целью нашей работы было определение средней толщины гиалинового хряща на основании данных МРТ с последующей возможностью её оценки при стандартной рентгенографии коленного сустава в норме.

В исследование включено 66 магнитно-резонансных томограмм здоровых коленных суставов (30 правых и 36 левых). Учитывали возраст пациента и ось ­конечности (нейтральная, варус до 8°, вальгус до 8°). Обследованы 32 женщины и 34 мужчины. Возраст пациентов составлял от 35 до 59 лет (средний возраст 47±8,1 года). Распределение пациентов в зависимости от оси конечности представлено в табл. 1.

 

Таблица 1. Распределение пациентов в зависимости от оси конечности

Ось конечности

Количество пациентов

Нейтральная

32

Варус до 8°

16

Вальгус до 8°

18

Всего

66

 

Первым этапом все томограммы обрабатывали вручную при помощи программ Syngo fastView с целью создания 3D-модели дистального эпифиза бедренной кости и проксимального эпифиза большеберцовой кости, а также разделения хрящевой ткани и кости (рис. 1–2).

 


Рис. 1. Выделение гиалинового хряща бедренной кости

 


Рис. 2. Выделение гиалинового хряща большеберцовой кости

 

Отмечали толщину хряща обоих суставных концов по периметру с шагом 2 мм у пациентов без признаков гонартроза (рис. 3, 4).

 


Рис. 3. Толщина гиалинового хряща в прямой проекции

 


Рис. 4. Толщина гиалинового хряща в боковой проекции

 

Таким образом была определена средняя толщина хрящевого покрова на каждом участке с учётом пола пациента и положения голени. Все полученные данные обработаны статистическим способом с помощью специализированных программ (Microsoft Exel 2007, SPSS Statistics 21) с применением критерия Стьюдента, что позволило создать своеобразный макет коленного сустава с указанием толщины гиалинового хряща в различных отделах коленного сустава.

Полученные результаты позволяют оценить толщину гиалинового хряща на разных участках коленного сустава (рис. 5–8).

 


Рис 5. Толщина гиалинового хряща в дистальном отделе бедра у мужчин

 


Рис. 6. Толщина гиалинового хряща в проксимальном отделе большеберцовой кости у мужчин

 


Рис. 7. Толщина гиалинового хряща в дистальном отделе бедра у женщин

 


Рис. 8. Толщина гиалинового хряща в проксимальном отделе большеберцовой кости у женщин

 

Средняя толщина гиалинового хряща коленного сустава представлена в табл. 2.

 

Таблица 2. Средняя толщина гиалинового хряща коленного сустава

Пол

Сегмент

Средняя толщина, мм

Мужской

Бедро

1,90±0,425

Голень

1,64±0,434

Женский

Бедро

1,62±0,448

Голень

1,28±0,444

 

Средняя толщина гиалинового хряща коленного сустава в зависимости от деформации голени представлена в табл. 3.

 

Таблица 3. Средняя толщина гиалинового хряща коленного сустава в зависимости от деформации голени

Деформация

Сегмент

Средняя толщина, мм

Варус

Бедро

1,456±0,735

Голень

1,245±0,718

Вальгус

Бедро

1,302±0,864

Голень

1,028±0,724

 

Предложенный макет коленного сустава позволяет оценить толщину гиалинового хряща на основании стандартной рентгенограммы с учётом возраста и допустимого отклонения оси голени.

Стандартом в обследовании пациентов с дегенеративно-дистрофическими заболеваниями коленного сустава служит рентгенография в двух проекциях. Указанный метод не позволяет оценить состояние гиалинового хряща, а МРТ-диагностику невозможно выполнить ввиду наличия противопоказаний к исследованию, в том числе наличия имплантированных металлоконструкций в организме, а также в силу дороговизны исследования. В связи с этим необходимо иметь возможность оценки хрящевого покрова с помощью стандартных и недорогих методов диагностики.

В большинстве работ либо дана оценка средней толщины гиалинового хряща в разных отделах коленного сустава, либо авторы вообще ограничиваются средней толщиной хряща, не учитывая локализацию [5]. Однако очевидно, что толщина хрящевого покрова не может быть усреднена, так как она значительно варьирует в различных отделах сустава. Это особенно актуально при деформациях конечности.

Выводы

1. При варусной деформации голени толщина гиалинового хряща в медиальном отделе сустава значительно ниже, чем при вальгусной деформации.

2. «Карта толщины» гиалинового хряща коленного сустава позволит оценить его состояние по стандартным рентгенограммам без выполнения магнитно-резонансной томо­графии.

3. Доработка «карты толщины» гиалинового хряща при патологии позволит улучшить результаты лечения локальных дефектов и более достоверно выполнять предоперационное планирование при необходимости эндопротезирования коленного сустава.

 

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов по представленной статье.

G A Ayrapetov

Stavropol State Medical University

Author for correspondence.
Email: airapetovGA@yandex.ru
Stavropol, Russia

A A Vorotnikov

Stavropol State Medical University

Email: airapetovGA@yandex.ru
Stavropol, Russia

E A Konovalov

Stavropol State Medical University

Email: airapetovGA@yandex.ru
Stavropol, Russia

  • Bagirova G.G. Izbrannye lektsii po revmatologii. (Selected lectures in rheumatology.) Moscow: Meditsina. 2008; 253 p. (In Russ.)
  • Wirth W., Buck R., Nevitt M. et al. MRI-based extended ordered values more efficiently differentiate cartilage loss in knees with and without joint space narrowing than region-specific approaches using MRI or radiography — data from the OA initiative. Osteoarthritis Cartilage. 2011; 19 (6): 689–699. doi: 10.1016/j.joca.2011.02.011.
  • Korzh N.A., Golovakha M.L., Agaev E., Orlyanskiy V. Predicting the result of knee cartilage damage treatment. Ortopediya, travmatologiya i protezirovanie. 2010; (4): 24–31. (In Russ.)
  • Lee S., Park S.H., Shim H. et al., Optimization of local shape and appearance probabilities for segmentation of knee cartilage in 3-D MR images. Computer Vision and Image Understanding. 2011; 115 (12): 1710–1720. doi: 10.1016/j.cviu.2011.05.014.
  • Link T.M. Cartilage imaging: significance, techniques, and new developments. Springer. 2011; 394 p. doi: 10.1007/978-1-4419-8438-8.

Views

Abstract - 168

PDF (Russian) - 87

PlumX


© 2018 Ayrapetov G.A., Vorotnikov A.A., Konovalov E.A.

Creative Commons License

This work is licensed
under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.


Свидетельство о регистрации СМИ ЭЛ № ФС 77-70434 от 20 июля 2017 года выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор)