Gradient of contact stress as a parameter determining biomechanical status of human hip

Bedrový kĺb je jedným z hlavných nosných kĺbov v tele. Pretože je tento kĺb často postihnutý degeneratívnymi procesmi, ktoré vedú k imobilizácii pacienta, skúmajú sa faktory, ktoré ovplyvňujú jeho vývoj. Predpokladá sa, že dlhodobo zvýšený tlak na kĺbovú chrupku urýchľuje vývoj koxartrózy [22, 51]. Preto sa v predchádzajúcich štúdiách používala na popis stavu kĺbu maximálna hodnota tlaku. Objavujú sa aj názory [8], že okrem tejto hodnoty je dôležité aj rozloženie tlaku. Predpokladá sa, že vysoká hodnota gradientu tlaku na laterálnom okraji acetabula (ďalej gradientu tlaku) môže byť dôležitejším parametrom popisujúcim stav kĺbu ako samotný tlak. Preto by bolo zaujímavé použiť na ohodnotenie stavu kĺbu gradient tlaku a taktiež ďalšie parametre, ktoré zahrňujú kombináciu tlaku a gradientu tlaku. V prezentovanej práci sme zaviedli nové biomechanické parametre – gradient tlaku, index tlaku a funkčný uhol nosnej plochy. Pre určenie významnosti týchto parametrov sme uskutočnili štúdie stavu populácii kĺbov. Ak chceme rozumieť funkcii bedrového kĺbu, musíme poznať jeho štruktúru. Preto sa v prvej časti práce zaoberáme anatómiou bedrového kĺbu. Ďalej prezentujeme prehľad literatúry v oblasti biomechaniky bedrového kĺbu. Tieto práce delíme do dvoch skupín: práce, ktoré sa zaoberajú silou pôsobiacou v bedrovom kĺbe a práce, ktoré sa zaoberajú rozložením tlaku na kĺbovú chrupku. Podrobnejšie sa venujeme metódam, ktoré používame v ďalšej analýze. Na odvodenie metódy pre výpočet biomechanických parametrov sme použili dva nedávno vyvinuté matematické modely. Jeden pre výpočet sily pôsobiacej v kĺbe pri stoji na jednej nohe [27] a druhý pre určenie rozloženia tlaku v kĺbe [30]. V tejto práci je okrem iného prezentovaný aj nový jednoduchší spôsob odvodenia rovníc druhého modelu, ktorý spočíva vo voľbe alternatívneho súradnicového systému (Obr. 3.2). Vstupom do týchto modelov sú niektoré geometrické parametre panvy a proximálneho femuru určené zo štandardného antero-posteriórneho röntgenového snímku (Obr. 3.4). Presnosť určenia biomechanických parametrov závisí od presnosti modelu a od presnosti určenia vstupných parametrov modelu. Tieto sú ovplyvnené zväčšením röntgenového snímku. Preto sme prispôsobili metódu na získavanie geometrických parametrov panvy a proximálneho femuru tak, že sme zobrali do úvahy zväčšenie röntgenového snímku. Na základe nameraných dát sme zistili, že priemerné zväčšenie snímkov je väčšie ako priemerne uvažovaných 10%. Zistili sme, že najmenej je ovplyvnený zväčšením funkčný uhol nosnej plochy a najviac index tlaku. Ak je zväčšenie snímkov neznáme a predpokladáme, že je rôzne, najvhodnejším parametrom na ocenenie stavu kĺbu je funkčný uhol nosnej plochy. Pomocou matematickej simulácie sme odhadli chybu, ktorej sa dopúšťame pri štúdiách veľkého počtu pacientov a vypracovali sme metódu korekcie tejto chyby, ktorú sme následne použili v štúdii normálnych a dysplastickych bedrových kĺbov. Zistili sme, že rozdielnosť geometrických parametrov panvy vplýva na variáciu hodnôt biomechanického parametra viac ako rozdielnosť vo zväčšení snímkov. Navrhujeme, aby sa v budúcnosti pri rádiografickom výšetrení umiestnil štandard známych rozmerov na úroveň veľkého trochantra. To by umožnilo znížiť šum spôsobený nerovnakým zväčšením snímkov. Účinok jednotlivých biomechanických parametrov na vývoj a stav kĺbu sme skúmali na populácii normálnych a dysplastických bedrových kĺbov, kĺbov po Salterovej osteotómii a kĺbov postihnutých vývinovou dyspláziou. Skúmali sme nielen nami definované biomechanické parametre ale aj parametre používané v predošlých štúdiách – maximálny tlak, kumulatívny tlak a parameter, ktorý sa používa v klinickej praxi – Wibergov uhol. Dysplázia bedrového klbu sa považuje za stav, ktorý v dôsledku nepriaznivých biomechanických pomerov v kĺbe vedie k jeho degeneratívnym zmenám. Zo štúdie normálnych a dysplastických bedrových kĺbov vyplýva, že všetky nami skúmané parametre sa signifikantne líšia medzi normálnymi a dysplastickými bedrovými kĺbmi na úrovni významnosti menšej ako 0,001. Ukazuje sa, že nízky Wibergov uhol a funkčný uhol nosnej plochy, vysoký maximálny tlak, gradient tlaku a index tlaku sú biomechanicky nepriaznivé, čo je v súlade s predošlými štúdiami [35, 45, 70]. Zistili sme, že pri maximálnom tlaku, gradiente tlaku a indexe tlaku je vplyv iných geometrických parametrov panvy ako Wibergov uhol vyšší pri nižších hodnotách tohto uhla. Gradient tlaku a index tlaku sú u väčšiny dysplastických kĺbov kladné a u väčšiny normálnych kĺbov záporné. Pozorovali sme, že táto zmena znamienka nastáva pri Wibergovom uhle rovnom približne 22◦, čo je v súlade s klinickými štúdiami [46]. Na vysvetlenie pozorovanej skutočnosti sme vychádzajúc z Pauwelsovej teórie kauzálnej histogenézy mezenchymálneho tkaniva [57] navrhli novú hypotézu na vysvetlenie vplyvu zaťaženia na chrupku. Vychádzame z toho, že jedným zo stimulov ovplyňujúcich metabolickú aktivitu chondrocytu môže byť zmena jeho tvaru podmienená deformáciou chrupky. Gradient tlaku nám potom vyjadruje rýchlosť výtoku intersticiálnej tekutiny a teda rýchlosť deformácie chrupky. Znamienko gradientu súvisí so smerom toku intersticiálnej tekutiny vzhľadom k acetabulu. Ďalej sme skúmali vývoj kĺbu počas dlhšieho časového obdobia. Keďže v archívoch nie sú viacnásobné snímky zdravých kĺbov, zvolili sme si pacientov, ktorí v detstve podstúpili Salterovu osteotómiu a preto boli následne sledovaní. Bolo by zaujímavé sledovať súvislosť medzi stavom kĺbov bezprostredne po operácii a následný vývoj týchto kĺbov. Bohužiaľ model na určenie sily pôsobiacej v bedrovom kĺbe sa ukázal byť nepoužiteľný pri malých deťoch. V dôsledku značného rozdielu v zväčšení snímkov sme na ocenenie stavu kĺbov použili funkčný uhol nosnej plochy. Zistili sme, že v priemere väčší Wibergov uhol po operácii vedie z dlhodobého hľadiska k biomechanicky priaznivejšiemu výsledku. V štúdii kĺbov postihnutých vývinovou dyspláziou sme skúmali súvis medzi klinickým skóre, ktoré zahrňuje subjektívne pocity pacienta, a biomechanickými parametrami. Tu prezentujeme len čiastkové výsledky, pretože tento výskum stále pokračuje. Hoci štatistická významnosť tejto štúdie je nízka, ukazuje sa, že biomechanické parametre môžu byť vhodnejšie na popis stavu kĺbu ako Wibergov uhol. Súčasťou tejto práce bolo aj prispôsobenie počítačového programu HIPSTRESS pre operačný systém MS Windows c © a tabuľkový kalkulátor MS Excel c ©. To umožnilo použitie tohto programu v prezentovaných biomechanických štúdiách a uľahčí jeho používanie v klinickej praxi.