Кинематический инструментальный анализ состояния плечевого и локтевого суставов в норме и при синдроме гипермобильности суставов в цикле шага

Полный текст

Обоснование

Синдром гипермобильности суставов представляет собой основное клиническое проявление генетически детерминированной системной дисплазии соединительной ткани. Проблема диагностики наследственных нарушений строения соединительной ткани — одна из самых сложных в педиатрии и детской ортопедии вследствие разнообразия мутаций, клинического полиморфизма. В МКБ-10 включены только пять нозологических форм наследственных нарушений строения соединительной ткани, в том числе и синдром гипермобильности суставов (СГМС) (М35.7). Этот синдром характеризуется увеличением диапазона движений в суставах по сравнению со среднестатистической нормой, выявляется в подростковом возрасте с частотой от 6,7 до 39,6 % [1]. Кинематический инструментальный метод анализа походки позволяет оценить численные показатели функционального состояния суставов верхних и нижних конечностей при СГМС. Большинство исследований было посвящено изучению состояния опорной, рессорной и двигательной функций пассивной части опорно-двигательного аппарата и работе скелетных мышц в норме и при патологических состояниях нижних конечностей, таза и позвоночника. При этом перемещение верхних конечностей при ходьбе в цикле шага является малоизученной областью. С созданием оптико-электронных систем захвата движения исследователи смогли по-новому взглянуть на роль верхних конечностей в цикле шага. Ряд авторов доказали, что ограничение движений рук при ходьбе влияет на уменьшение стабильности походки в медиолатеральном, передне-заднем и вертикальном направлениях [2]. Движение рук при нарушенном равновесии играет существенную роль в восстановлении утраченного баланса тела [3]. Имеются сведения, что перемещение рук при ходьбе способствует уменьшению вертикальной составляющей силы реакции опоры [4, 5]. Было показано, что в результате ограничения или полного отсутствия движений рук при ходьбе увеличивается амплитуда смещения центра масс по вертикали [6].

Анализ этих исследований позволил выдвинуть гипотезу о влиянии движений рук при ходьбе на снижение энергозатрат в результате минимизации нервно-мышечных усилий, направленных на стабилизацию равновесия тела [7, 8]. Отмечено нарушение или полное изменение цикла переноса рук при ходьбе при ряде патологических состояний. Были исследованы кинематические характеристики походки у пациентов с синдромом пателлофеморальной боли [9], с гипермобильной формой синдрома Элерса – Данлоса [10, 11]. Однако эти исследования проводили в рамках изучения кинематики нижних конечностей и таза при ходьбе. Не было обнаружено работ, посвященных анализу биомеханических параметров состояния суставов верхних конечностей при ходьбе у пациентов с СГМС.

Цель настоящего исследования заключалась в оценке функционального состояния плечевого и локтевого суставов в норме и при СГМС с использованием кинематического инструментального метода анализа походки человека. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

– определить количественные показатели функционального состояния плечевого и локтевого суставов в норме;

– выявить кинематические особенности плечевого и локтевого суставов у девочек-подростков с СГМС.

Материал и методы

В работе использовали разработанный нами цикл переноса рук при ходьбе человека [12]. Объектом исследования стали 27 девочек подросткового возраста 12–15 лет согласно принятой биологической схеме возрастной периодизации, предложенной Институтом физиологии детей и подростков в 1965 г. [13]. Эталонные исследования проведены на 22 здоровых испытуемых женского пола (рост — 1,64 ± 0,26 м, вес — 49,5 ± 2,3 кг, длина нижних конечностей — 0,80 ± 0,02 м). Критерии отбора кандидатов в эталонную группу включали отсутствие каких-либо сердечно-сосудистых, неврологических или мышечно-скелетных расстройств, видимых постуральных или моторных нарушений, сохраненный нормальный диапазон движений и уровень мышечной силы. Группа исследования состояла из пяти девочек с диагнозом СГМС (рост — 1,70 ± 0,12 м, вес — 47,5 ± 3,4 кг, длина нижних конечностей — 0,85 ± 0,04 м).

Исследования осуществляли в динамике. Испытуемым предлагали выполнить серию из семи проходов по динамометрической платформе с произвольной скоростью, которая в эталонной группе составила 1,2 ± 0,1 м/с, а в группе с СГМС — 0,92 ± 0,1 м/с.

Биомеханические параметры регистрировали при помощи системы захвата и анализа движения Vicon (Оксфорд, Великобритания), включающей десять инфракрасных камер Vicon N40, двухсекционную динамометрическую платформу AMTI (OR6-5-1000, Watertown MA, США) и программное обеспечение Vicon Nexus и Vicon Polygon (Великобритания). Предметом исследования были углы сгибания-разгибания, приведения-отведения и ротации конечностей в плечевых суставах и сгибания-разгибания предплечий в локтевых суставах, а также мощности работы плечевых и локтевых суставов. Мощность работы суставов в используемой скелетной модели определяли как скалярное произведение момента сил и угловой скорости движения в суставе и считали абсолютной величиной с единицей измерения Вт/кг.

В работе использовали модель Plug-in Gait full body с 39 маркерами, устанавливаемыми на испытуемого в соответствии с руководством [14]. По результатам анализа графических материалов, полученных при регистрации движений верхних конечностей при ходьбе в эталонной группе, были вычислены точки максимальных значений углов движения сегментов конечностей в цикле переноса рук (табл. 1).

 

Таблица 1

Схема регистрации максимальных значений углов движения сегментов конечностей в цикле переноса рук

Сустав	Движение	Фаза переноса вперед		Фаза переноса назад
		период падения	период подъема	период падения	период подъема
Плечевой	Сгибание		×
	Разгибание	×			×
	Приведение		×
	Отведение	×			×
	Внутренняя ротация		×	×
	Внешняя ротация	×			×
Локтевой	Сгибание			×
	Разгибание	×			×

 

Все полученные данные подвергали статистической обработке. Различия между группами считали значимыми при p ≤ 0,05. В работе применяли универсальный математический пакет MathCad.

Результаты

Движения верхних конечностей при ходьбе носят цикличный характер. Начало цикла приходится на достижение кистью крайнего заднего верхнего положения, середина цикла — на крайнее переднее верхнее положение кисти и окончание цикла — на ее возвращение в крайнее заднее верхнее положение. Цикл переноса верхней конечности по времени совпадает с шаговым циклом ипсилатеральной нижней конечности. Это позволяет интегрировать циклы перемещения нижних и верхних конечностей по временному параметру.

Цикл переноса рук включает две фазы: фазу переноса верхней конечности вперед и фазу переноса верхней конечности назад, каждая из которых занимает 50 % времени цикла. Каждая фаза состоит из одного периода подъема и одного периода падения руки (по 25 % времени цикла). Границами между фазами и периодами являются моменты занятия крайнего верхнего заднего и переднего положения кисти и двух моментов симметричного положения рук.

В табл. 2 представлены параметры кинематики плечевого и локтевого суставов в норме, полученные при исследовании условно здоровых девочек-подростков и подростков того же возраста с СГМС.

 

Таблица 2

Кинематические параметры плечевого и локтевого суставов в шаговом цикле у здоровых испытуемых и подростков с синдромом гипермобильности суставов

Сустав	Движение	Фаза переноса вперед		Фаза переноса назад
		норма	СГМС	норма	СГМС
Плечевой	Сгибание	–4,2 ± 0,30	–5,7 ± 0,50*	0	0
	Разгибание	–23,9 ± 1,10	–16,6 ± 0,70*	–26,6 ± 0,90	–18,5 ± 0,60*
	Приведение	21,3 ± 0,50	12,5 ± 0,70*	0	0
	Отведение	17,4 ± 0,40	7,4 ± 0,60*	16,8 ± 0,50	6,5 ± 0,40*
	Внутренняя ротация	22,9 ± 0,80	3,9 ± 0,50*	23,5 ± 0,60	0*
	Внешняя ротация	15,2 ± 0,60	–4,9 ± 0,40*	14,2 ± 0,60	–6,7 ± 0,50*
Локтевой	Сгибание	0	41,5 ± 0,90*	53,3 ± 1,10	0*
	Разгибание	35,3 ± 1,20	30,8 ± 0,90*	33,9 ± 1,10	32,0 ± 0,80

Примечание. * значимые различия средних в группах при p < 0,05; СГМС — синдром гипермобильности суставов.

 

В группе испытуемых с СГМС, как и в контрольной группе, плечо при ходьбе находится в состоянии разгибания, амплитуда которого меняется в зависимости от фаз и периодов цикла переноса рук. Нами установлено снижение амплитуды движений конечности в плечевых суставах вокруг фронтальной оси у пациентов с СГМС по сравнению с нормой. Так, в фазе переноса конечности вперед средние значения угла разгибания у здоровых испытуемых составили –23,9 ± 1,10°, тогда как у подростков с СГМС –16,6 ± 0,70°; в фазе переноса назад –26,6 ± 0,90° и –18,5 ± 0,60° соответственно. Разгибание в фазе переноса конечности назад носит неравномерный характер, плавное увеличение разгибания в периоде падения теряет динамику и замедляется. При ходьбе плечо постоянно находится в состоянии приведения, минимумы которого совпадают с началом и концом цикла переноса, а максимум приходится на период подъема фазы переноса вперед [12]. Движения конечности в плечевом суставе вокруг сагиттальной оси в группе исследуемых с СГМС также отличались от показателей подростков из эталонной группы. Как видно из табл. 2, в фазе переноса вперед средние значения угла приведения у здоровых испытуемых составили 21,3 ± 0,50°, тогда как у их сверстниц с СГМС — 12,5 ± 0,70°.

На протяжении всего цикла шага в норме плечо находится в состоянии внутренней ротации, показатели которой изменяются, достигая максимума в периоде подъема фазы переноса вперед и периоде падения фазы переноса назад. Минимальные значения совпадают с моментами начала и конца цикла переноса [12]. В группе девушек с СГМС большую часть цикла переноса плечо находится в состоянии наружной ротации, максимумы которой совпадают с началом и концом цикла переноса. Максимальные значения внутренней ротации приходятся на период подъема фазы переноса вперед и составляют 3,9 ± 0,50°, в меньшей степени — на период падения фазы переноса назад (рис. 1).

 

Рис. 1. График ротации плечевого сустава (скриншот программы Vicon Polygon). Пунктирная линия — группа девушек с синдромом гипермобильности суставов, сплошная — эталонная группа (норма)

 

При исследовании кинематического профиля локтевого сустава в группе обследуемых с СГМС выявлено значимое увеличение угла сгибания предплечья в фазе переноса вперед (41,5 ± 0,90°) и уменьшение значений этого угла в фазе переноса назад (рис. 2).

 

Рис. 2. График сгибания локтевого сустава (скриншот программы ViconPolygon). Пунктирная линия — группа девушек с синдромом гипермобильности суставов, сплошная — эталонная группа (норма)

 

Изменение кинематических параметров движений сегментов верхней конечности в плечевом и локтевом суставах сопровождается выраженными изменениями их кинетических параметров. Наиболее ярко это прослеживается в динамике мощности работы мышц, воздействующих на плечевой сустав. Так, достижение верхней конечностью крайнего заднего положения сопровождается снижением мощности плечевого сустава до 0,0075 Вт, а достижение крайнего переднего положения — снижением мощности до 0,01 Вт (рис. 3).

 

Рис. 3. График мощностей работы плечевых суставов при синдроме гипермобильности суставов (прерывистая) и в случае нормы (сплошная)

 

Обсуждение

Движение верхних конечностей при ходьбе человека является малоизученной областью. Отчасти это объясняется укоренившимся мнением о незначительном вкладе движений рук в паттерн походки человека. Другая причина заключается в неэффективности попыток анализа движений рук путем использования цикла шага или воссоздания цикличных действий рук [15]. Для исследования локомоции рук при ходьбе мы разработали и впервые применили циклы перемещения рук при ходьбе, синхронизированной по времени с шаговым циклом, с использованием оптико-электронной системы захвата движения Vicon. Это позволило получить подробные параметры кинематики и кинетики работы плечевых и локтевых суставов и осуществить трехмерное моделирование их движений.

Подобных клинических исследований в доступной нам литературе обнаружено не было.

Выявленное в ходе исследования снижение амплитуды движения сегментов верхней конечности в плечевом и локтевом суставах у обследованных с СГМС, возможно, служит компенсаторной реакцией в ответ на гипермобильность суставов с целью обеспечения оптимального режима их работы.

Заключение

Исследование кинематики суставов верхних конечностей при анализе походки человека с использованием методики захвата движения дает количественную оценку состояния объема их движений в трехмерном пространстве и может применятся в качестве диагностической процедуры при выявлении СГМС и других патологических состояний опорно-двигательного аппарата.

Таким образом, получены количественные данные, характеризующие кинематику и кинетику плечевых и локтевых суставов при ходьбе здоровых людей и пациентов с СГМС. Общим признаком изменений объема движений звеньев верхней конечности в плечевом и локтевом суставах в группе обследуемых с СГМГ было уменьшение амплитуды их сгибания и снижение мощности работы суставов.

В группе подростков с СГМС в плечевом суставе зарегистрировано значительное уменьшение углов внутренней ротации и приведения конечности.

Дополнительная информация

Источник финансирования. Работа выполнена в рамках Государственного задания Министерства образования и науки № 12.9588.2017/7.8.

Конфликт интересов. Конфликт интересов у авторов отсутствует.

Этическая экспертиза. Все субъекты были добровольцами, и их родители дали письменное согласие на участие в этом исследовании. Исследование было одобрено этическим комитетом ФГБОУ ВО «Астраханский государственный медицинский университет» Минздрава России, протокол № 12 от 17.09.2018.

Вклад авторов

О.И. Воронцова, Л.А. Удочкина — концепция и дизайн исследования.

М.С. Баранец — сбор и обработка материала.

М.С. Баранец, М.В. Гречитаева — статистическая обработка данных.

О.И. Воронцова, Л.А. Удочкина, Л.А. Гончарова, М.В. Гречитаева — анализ и интерпретация данных.

О.И. Воронцова, Л.А. Удочкина — написание и редактирование текста.

Об авторах

Ольга Ивановна Воронцова

Астраханский государственный университет

Email: aspuvorontsova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-4037-3990
SPIN-код: 6255-7878

канд. полит. наук, доцент, руководитель Центра коллективного пользования «Трехмерное исследование биомеханики движений человека»

Россия, 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, д.20А

Лариса Альбертовна Удочкина

Астраханский государственный медицинский университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: udochkin-lk@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5016-0633
SPIN-код: 9142-4447

д-р мед. наук, доцент, заведующая кафедрой анатомии

Россия, 414000, г. Астрахань, ул. Бакинская, 121

Марина Сергеевна Баранец

Астраханский государственный университет

Email: marinka_bants@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4496-7021
SPIN-код: 6158-5630

специалист 2-й категории, Центр коллективного пользования «Трехмерное исследование биомеханики движений человека»

Россия, 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, д.20А

Марина Вячеславовна Гречитаева

Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Email: loza65@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3712-1557
SPIN-код: 8576-6490

д-р биол. наук, профессор, профессор кафедры биологии, директор Музея природы

Россия, 308015, г. Белгород, ул. Победы, 85

Людмила Анатольевна Гончарова

Астраханский государственный медицинский университет

Email: sanomed@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-1450-7158
SPIN-код: 8233-1743

д-р мед. наук, профессор, профессор кафедры детской хирургии

Россия, 414000, г. Астрахань, ул. Бакинская, 121

Список литературы

Дополнительные файлы