I Kongres Mechaniki Polskiej, Warszawa, 28 31 sierpnia 2007 r. J. Kubik, W. Kurnik, W.K. Nowacki (Red.) na prawach rękopisu Biomechaniczne aspekty deformacji porażennego stawu biodrowego Szczepan Piszczatowski Politechnika Białostocka, Wydział Mechaniczny Marek Okoński Katedra i Klinika Ortopedii i Rehabilitacji Dziecięcej Akademii Medycznej im. F. Skubiszewskiego w Lublinie 1. WPROWADZENIE Tkanka kostna jest materiałem niezwykłym, z jednej strony stanowi lekki i wytrzymały budulec naszego szkieletu, z drugiej jest strukturą żywą podlegającą nieustannym procesom przebudowy. Służą one przede wszystkim systematycznemu odświeżaniu kości. Bywa jednak, że towarzyszą bardziej gruntownym zmianom struktury wewnętrznej lub kształtu i wymiarów poszczególnych elementów (adaptacja funkcjonalna tkanki kostnej), umożliwiając w ten sposób dostosowanie się układu kostnego do zmieniających się warunków pracy. Jednym z najważniejszych czynników decydujących o przebiegu procesów przebudowy tkanki kostnej są uwarunkowania mechaniczne. Zaburzenie naturalnych warunków obciążenia inicjuje proces adaptacji funkcjonalnej, którego celem jest przywrócenie optymalnych warunków pracy danej struktury. Sytuacja taka występuje, jako efekt uboczny, po wykonaniu różnorodnych procedur medycznych, m.in. po wszczepieniu implantów dokostnych (np. endoprotezy stawów), po założeniu aparatów ortopedycznych (stabilizatory, ortezy itp.) lub po wykonaniu niektórych zabiegów chirurgicznych (np. osteotomie). Bywa jednak, że zaburzenia obciążeń działających na układ szkieletowy, a tym samym inicjacja procesów adaptacji funkcjonalnej tkanki kostnej, są skutkiem zaburzenia pracy mięśni. Typowym przykładem są powikłania związane z mózgowym porażeniem dziecięcym (mpdz.). Schorzenie to stanowi w czasach współczesnych poważne wyzwanie dla medycyny. Dotyka ono od 2 do 2,5 na 1000 żywo urodzonych noworodków. Pomimo poprawy opieki perinatalnej odsetek ten nie zmniejsza się. Każdy spadek zapadalności na mpdz. jest bowiem wyrównywany przez wzrost przeżywalności noworodków [3]. Zmienia się natomiast profil (postać kliniczna) mpdz. a przewagę liczebną zyskują postacie spastyczne i niedowłady czterokończynowe powstałe w wyniku czynników prenatalnych. Jednym z najpoważniejszych powikłań związanych z mpdz. jest postępująca deformacja stawów biodrowych. Początkowo prawidłowo rozwinięty staw, na skutek zmian neurologicznych związanych z porażeniem, ulega deformacji, której końcowym efektem często jest jego zwichnięcie. W takiej sytuacji dziecko cofa się w rozwoju, m.in. przestaje chodzić. Współczesna medycyna zbyt często pozostaje bezradna wobec tego problemu. Wydaje się jednak, że opracowanie skutecznych metod jego rozwiązania jest dzisiaj możliwe. Konieczne jest szybkie podjęcie dogłębnych badań pozwalających ustalić bezpośrednie przyczyny i przebieg deformacji stawu biodrowego. Jest oczywiste, że oczekiwanych rezultatów nie uda się uzyskać bez efektywnej współpracy lekarzy opiekujących się pacjentami z mpdz. (neurologów, ortopedów, rehabilitantów) z inżynierami. Niezwykle przydane mogą się tutaj okazać badania modelowe z wykorzystaniem symulacji komputerowej, które powinny umożliwić wczesne prognozowanie potencjalnego rozwoju deformacji biodra. W dalszych krokach można też będzie symulować zabiegi chirurgiczne czy zastosowanie aparatów ortopedycznych oraz przewidywać ich wpływ na zahamowanie lub cofnięcie się niekorzystnych procesów.
W prezentowanej pracy, stanowiącej wstęp do szerszego programu badań, podjęta zostanie próba dyskusji nad biomechanicznymi uwarunkowaniami procesu deformacji dziecięcego stawu budowy w przebiegu mpdz. Przedstawione też będą wstępne rezultaty badań nad modelowaniem dziecięcego stawu biodrowego. 2. MATERIAŁ I METODY 2.1. Anatomia dziecięcego stawu biodrowego Staw biodrowy jest węzłem kinematycznym, w którym łączy się kość udowa z miednicą. Jego budowa anatomiczna zapewnia możliwość zginania prostowania, przywodzenia odwodzenia oraz pronacji supinacji kończyny dolnej. Jest to więc staw o trzech stopniach swobody, jednak zakres poszczególnych ruchów, w porównaniu np. ze stawem ramiennym, jest dość znacznie ograniczony. Budowa stawu biodrowego musi być bowiem przystosowana do przenoszenia znacznych obciążeń. W prawidłowo rozwiniętym stawie głowa kości udowej jest zanurzona aż poza równik w głębokiej panewce ukształtowanej w kości miednicznej. Połączenie to jest dodatkowo zabezpieczone ciasną torebką stawową wzmocnioną układem więzadeł. W okresie rozwojowym występują dość znaczne różnice w budowie stawu biodrowego, w porównaniu z wiekiem dojrzałym [4]. Dla biomechaniki dziecięcego stawu biodrowego podstawowe znaczenie mają następujące cechy anatomiczne: inne niż u dorosłych położenie środka masy całego ciała, odmienne ustawienie i wymiary szyjki kości udowej w porównaniu do jej trzonu, obecność chrząstek wzrostowych. Kość miedniczna u dzieci nie stanowi całości. Oddzielone od siebie chrząstkami pozostają kości biodrowa, łonowa i kulszowa. Również w bliższej nasadzie kości udowej występują dwie chrząstki wzrostowe, nasadowa głowy kości udowej i krętarza większego. Kąt szyjkowo trzonowy u dzieci w przedziale wiekowym od 2 do 10 lat wynosi 148,2 do 133,7, podczas gdy u dorosłych spada do ok. 125. Szyjka kości udowej ma u dzieci mniejszą średnicę wymiarów stosunku do wymiarów trzonu, w porównaniu z kością osoby dorosłej. Budowa stawu biodrowego w okresie rozwojowym podlega ciągłym zmianom. Obecność chrząstek wzrostowych umożliwia przyrastanie kości na ich długości. Niezwykle ważne jest przy tym prawidłowe przestrzenne ustawienie centrów wzrostowych, tak by w warunkach fizjologicznej stymulacji (obciążenia wywoływane ciężarem ciała i napięciem poszczególnych mięśni) modelowanie kości zapewniało prawidłowy efekt. Zaburzenia działania aparatu mięśniowego, np. przy porażeniach spastycznych, a w efekcie nieprawidłowe bodźce sterujące wzrostem kości, mogą doprowadzić do znacznych deformacji poszczególnych elementów układu szkieletowego. 2.2. Obciążenia działające na staw biodrowy Odpowiednio ukształtowany staw biodrowy jest w stanie przenosić cyklicznie zmieniające się obciążenia o amplitudzie nawet kilkakrotnie przekraczającej ciężar ciała człowieka, zapewniając jednocześnie wystarczającą swobodę ruchów kończyny. Przyczyną powstawania tak dużych reakcji pomiędzy panewką a głową kości udowej jest fakt, że w jej środku znajduje się punkt podparcia dźwigni dwustronnej, na której równoważą się z jednej strony siła ciężkości, a z drugiej, oddziaływanie silnych mięśni odwodzicieli (Rys.1a). Problem ten został szczegółowo opisany przez Pauwelsa, a później m.in. przez Maqueta i Będzińskiego [2]. Eksperymentalnie reakcję w stawie biodrowym w czasie wykonywania różnych czynności dnia codziennego (chód, wchodzenie na schody, siadanie, wstawanie) wyznaczył Bergmann i wsp. [1]. Należy jednak zauważyć, że przedstawiony tutaj model obciążeń działających na staw biodrowy, chociaż często, jest bardzo uproszczony. W rzeczywistości w rejonie stawu biodrowego działa aż 27 aktonów, w tym bardzo silne odwodziciele (m. pośladkowy średni, m. pośladkowy mały, m. napinacz powięzi szerokiej), przywodziciele (mm. przywodziciele wielki, długi, krótki, m. grzebieniowy), zginacze (m. biodrowo - lędźwiowy, m. prosty uda, m. napinacz powięzi szerokiej, m. krawiecki), prostowniki (m. pośladkowy wielki i mm. kulszowo goleniowe) i rotatory. Ich działanie, w warunkach fizjologicznych, jest adekwatne do wykonywanych czynności. W przypadku porażeń
a) b) c) odwodziciele F P F Z R - reakcja w stawie biodrowym M - siła m. odwodzicieli Q' - siła ciężkości ciała (bez kończyny, na której opieramy się) c - ramię działania odwodzicieli b - ramię działania siły ciężkości przywodziciele F- p siła m. prostowników F - siła m. zginaczy Rys. 1. Obciążenia działające na staw biodrowy: a) przy staniu na jednej nodze (klasyczny model dźwigni dwustronnej (wg Pauwelsa), na której równoważą się obciążenia grawitacyjne z siłą m. odwodzicieli), b) schemat działania m. odwodzicieli i przywodzicieli, c) schemat działania m. zginaczy i prostowników spastycznych lub wiotkich, nieprawidłowe napięcie poszczególnych mięśni zaburza stan równowagi i może prowadzić do zmian patologicznych w obrębie stawu biodrowego. 2.3. Zaburzenia anatomii i biomechaniki stawu biodrowego wynikające z porażeń spastycznych Porażenie mózgowe, według klasycznej definicji, jest pojęciem obejmującym grupę niepostępujących, lecz często zmieniających się zespołów ruchowych, będących następstwem uszkodzenia lub zaburzenia rozwojowego mózgu, powstałego we wczesnym okresie jego rozwoju [3]. Mimo, że klasyczna definicja określa ten zespół chorobowy jako niepostępujący, należy stwierdzić, że niektóre objawy mają charakter wybitnie postępujący, czego klasycznym przykładem jest rozwijająca się patologia w obrębie stawu biodrowego. Objawy chorobowe są połączone w takich przypadkach w ciąg przyczynowo skutkowy. Nie łatwo jest jednak ustalić, jaka jest kolejność pojawiających się nieprawidłowości, inaczej mówiąc, co jest przyczyną a co skutkiem. W większości przypadków dzieci dotknięte porażeniem mózgowym rodzą się ze zdrowymi stawami biodrowymi. Jednak w przypadku porażeń spastycznych lub wiotkich, mózgowe porażenie dziecięce, będąc przyczyną nieprawidłowego napięcia niektórych mięśni, szczególnie mocno wpływa na biomechanikę stawu biodrowego, a w dalszej kolejności na rozwój kości i wzajemne relacje pomiędzy poszczególnymi elementami tworzącymi staw. Można założyć, że dwa zjawiska nakładają się na siebie w tym procesie. Z jednej strony każda kość, na którą działają zbyt duże lub zbyt małe obciążenia, podlega adaptacji funkcjonalnej. Zmiany dotyczyć mogą zarówno wewnętrznej struktury jak też kształtu i wymiarów zewnętrznych kości. Proces taki może zachodzić zarówno w wieku dojrzałym jak też u dzieci. W okresie jednak, kiedy szkielet podlega jeszcze procesom rozwojowym, nieprawidłowe obciążenia zaburzają dodatkowo wzrost kości. Nadmierne naciski wpływają na chondrogenezę, zaburzają procesy wzrostu, kostnienia śródchrzęsnego, wzrostu apozycyjnego, resorpcji a także kostnienia wtórnego. Te dwa czynniki razem sprawiają, że u dzieci z porażeniem mózgowym początkowo prawidłowo zbudowany staw zaczyna się deformować, a to powoli prowadzi do jego patologicznego zwichnięcia. Doświadczenia kliniczne wskazują, że dominującą rolę w rozwoju patologii stawu biodrowego mogą mieć spastycznie napięte przywodziciele, zginacze oraz mięśnie grupy kulszowo goleniowej. Analizując ich umiejscowienie oraz kierunki działania, łatwo można wytłumaczyć tendencję do koślawego ustawienia stawu i koślawienia szyjki kości udowej. Prowadzi to zmniejszenia ramienia działania odwodzicieli i dodatkowo pogłębia brak równowagi momentów sił działających na staw z
w płaszczyźnie czołowej. Można sformułować tezę, że jest to jeden z zasadniczych powodów skośnego ustawienia miednicy i decentracji stawu. Z kolei w płaszczyźnie strzałkowej u dzieci z mpdz. obserwuje się przykurcze zgięciowe bioder związane m.in. z sedenteryjnym trybem życia. Jest też faktem, że podczas całego cyklu kroku występuje zgięcie w stawach kolanowych. Dla zachowania równowagi konieczne jest przesunięcie środka ciężkości do przodu, co wymusza zgięcie w stawach biodrowych. W efekcie siła ciężkości ciała i przednia grupa mięśni (zginacze) działają na nieproporcjonalnie dużym ramieniu w stosunku do grupy tylnej (prostowniki). Zachowanie równowagi możliwe jest poprzez wzrost siły rozwijanej przez prostowniki, a to dodatkowo zwiększa reakcję działającą na staw biodrowy. Jest on przeciążony z tendencją do przedwczesnego zużycia [5]. Podsumowując można stwierdzić, że u dzieci z mpdz. mięśnie zginacze i przywodziciele mają znaczną przewagę nad swoimi antagonistami, co powoduje rotację wewnętrzną i przywiedzenie w stawie, a także przodopochylenie miednicy. Redukcja siły odwodzicieli sprawia, że zmniejsza się nacisk stymulujący chrząstkę nasadową krętarza większego. Następuje zahamowanie procesu naturalnej waryzaji biodra i rozpoczyna się proces walgizacji szyjki kości udowej. Działanie m. pasma biodrowo-piszczelowego i mm. pośladkowych, a co a tym idzie stymulacja chrząstki wzrostowej krętarza większego, jest również niewystarczająca. Prowadzi to do powiększania koślawości i antetorsji szyjki udowej. Kąt szyjkowo trzonowy może osiągać wartość w przedziale 170 180. Działa to decentrująco na staw. Deformacja koślawa i przodoskręcenie bliższej części kości udowej sprawia, że pokrycie głowy przez dach panewki jest niepełne. W tej sytuacji rosną lokalne wartości nacisków występujących pomiędzy głową i panewką stawową. Może to być przyczyną pogłębiania patologii, gdyż dochodzić może do przebudowy tkanki kostnej panewki i torowania swego rodzaju kanału (bardzo dobrze widocznego w obrazie tomograficznym), poprzez który głowa coraz bardziej wysuwa się na zewnątrz, aż do całkowitego zwichnięcia stawu. Przedstawione powyżej informacje jasno dowodzą, że w rozwoju deformacji stawu biodrowego u dzieci z porażeniem mózgowym, decydujący jest czynnik mięśniowy. Siły mięśniowe mają wyraźną przewagę nad czynnikiem kostnym powodując jego modelowanie. Pojawia się błędne koło, gdyż zmiany w strukturze geometrycznej stawu dodatkowo wzmacniają przewagę spastycznie napiętych mięśni. Brak odpowiedniej profilaktyki i odpowiednio zaplanowanego leczenia zazwyczaj prowadzą do ciężkich powikłań z utratą zdolności do lokomocji włącznie. 2.4. Trójwymiarowe modelowanie porażennego stawu biodrowego W warunkach klinicznych diagnostyka i planowanie leczenia dzieci z porażennymi deformacjami stawu biodrowego bazuje najczęściej na klasycznych zdjęciach RTG wykonywanych w dwóch płaszczyznach. Nie jest to rozwiązanie idealne. Często dochodzić może bowiem do błędnej oceny stopnia deformacji stawu. Rozwiązaniem może być wykorzystanie tomografii komputerowej i trójwymiarowa rekonstrukcja stawu biodrowego. Oprócz większych możliwości diagnostycznych zdecydowanie poprawia się w takiej sytuacji możliwość planowania leczenia i prognozowania jego efektów. Rentgenowska tomografia komputerowa (CT computer tomography) pozwala zarejestrować w trakcie badania zestaw skanów stanowiących poprzeczne przekroje przez badany obszar, oddalonych od siebie o znaną odległość. Na każdej warstwie, w określonej liczbie punktów (np. 512 x 512), wyznaczany jest zbiór współczynników osłabienia promieniowania. Przypisując poszczególnym wartościom współczynnika osłabienia odpowiednie odcienie szarości, można przedstawić wynik badania tomograficznego w postaci obrazów, podobnych do klasycznych zdjęć RTG. Korzystając jednak z odpowiednich algorytmów można zbudować na podstawie wyników badania CT przestrzenny model numeryczny wybranych obiektów anatomicznych. Może on znacznie ułatwić proces diagnozowania i planowania leczenia. Metodyka taka może być skutecznie stosowana również do oceny deformacji stawów biodrowych będących następstwem mózgowego porażenia dziecięcego.
3. WYNIKI BADAŃ 3.1. Trójwymiarowa rekonstrukcja numeryczna dziecięcego stawu biodrowego Prezentowane w pracy badania przeprowadzono przy wykorzystaniu danych pacjentki M.A. leczonej w Klinice Ortopedii i Rehabilitacji Dziecięcej Akademii Medycznej w Lublinie (Rys. 2). Dane te uzyskano w wyniku rentgenowskiej tomografii komputerowej wykonanej przy zastosowaniu aparatu Shimadzu SCT-7800TX (zapis w formacie DICOM). Badanie wykonano z dopuszczeniem swobodnej pozycji ciała. Celem tej modyfikacji w stosunku do standardowej procedury było uzyskanie w obrazie CT naturalnego dla danej pacjentki ustawienia elementów kostnych i mięśni. Będzie to szczególnie istotne w planowanych dalszych pracach zmierzających do określenia kierunków działania sił mięśniowych u pacjentów z porażeniami spastycznymi. Jeden staw (prawy) nie wykazywał poważniejszych odchyleń od normy, podczas gdy drugi był dość znacznie zdeformowany. a) b) Rys.2. Obraz deformacji stawu biodrowego w przebiegu mózgowego porażenia dziecięcego: a) widok w płaszczyźnie czołowej, b) widok w trzech projekcjach - opracowanie na podstawie danych CT w systemie MIMICS Dane CT zostały poddane obróbce przy wykorzystaniu systemu MIMICS. Z obrazu tomograficznego wybrano jedynie elementy kostne pomijając tkanki miękkie. Uzyskany w ten sposób model (Rys.3) geometryczny został wyeksportowany w formacie STL i poddany dalszej analizie w systemach CAD/CAE. Rys. 3 Trójwymiarowa rekonstrukcja stawów biodrowych wykonana na podstawie danych CT
Na podstawie przedstawionego modelu geometrycznego zbudowano, przy wykorzystaniu systemu ANSYS, model zgodny z metodą elementów skończonych (MES) (Rys. 4 a). Dyskretyzacji poddano model prawego stawu biodrowego. Omówienie wyników analiz numerycznych prowadzonych przy użyciu tego modelu przekracza jednak ramy niniejszego opracowania. Cenną jest też możliwość trójwymiarowej oceny stopnia deformacji stawu (Rys. 4 b). Pozwala to wyeliminować ryzyko błędów popełnianych przy diagnostyce prowadzonej na podstawie klasycznych zdjęć RTG. a) b) Rys. 4. Wykorzystanie trójwymiarowych modeli stawu biodrowego do: a) budowy modelu MES, b) przestrzennej analizy geometrii zdeformowanego stawu biodrowego. 4. WNIOSKI Deformacja stawu biodrowego u dzieci z porażeniem mózgowym jest poważnym problemem klinicznym. Istnieją przesłanki teoretyczne by sądzić, że zasadnicze wpływ na ten proces mają zaburzenia w działaniu układu mięśniowego. Opracowanie skutecznych metod zapobiegania i leczenia tej patologii wymaga szczegółowych analiz biomechaniki porażennego stawu biodrowego. Badania numeryczne bazujące na przestrzennych modelach stawu, budowanych na podstawie danych tomograficznych, otwierają nowe możliwości w zakresie diagnozowania stawu, jego analizy biomechanicznej i planowania leczenia. Podziękowania Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2007-2009 jako projekt badawczy Nr N518 043 32/3352. Bibliografia [1] Bergmann G., Deuretzbacher G., Heller M., Graichen F., Rohlmann A., Strauss J., Duda G.N.: Hip contact forces and gait patterns from routine activities, J.Biomech, 34: 859-871, 2001. [2] Będziński R.: Biomechanika inżynierska, Of. wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 1997. [3] Czochańska J.: Mózgowe porażenie dziecięce., w: Zdrowie i szkoła, red. B. Woynarowska, Wydaw.Lek. PZWL, Warszawa, 2000. [4] Saito S., Kusaba A.: The pediatric Hip. Biomechanics and Biomaterials in Orthopedics, red. D.G. Poitout, 298-305, Springer, 2004. [5] Syczewska M.: Funkcjonalne zaburzenia chodu u dzieci ze spastycznością Medycyna po Dyplomie, Wydanie specjalne, 54-56, 2001. Summary in English: Mechanical background of the hip joins deformation in cerebral palsy has been discussed in the paper. It is supposed, that spastic muscle tension is the main reason of bone element deformation. Numerical modeling will enable us to gain a better understanding of children hip joint pathology and facilitate planning of therapy.