Приводящий момент в коленном суставе
Нагрузки, которые возникают в медиальном компартменте коленного сустава связаны с варусом колена и величиной наружного приводящего момента (НПМ) в колене. НПМ определяется силой реакции опоры и плечом её рычага. На нагрузки в суставе и распределение сил влияют мышечная сила, кинематика сустава и соотношение сегментов конечности. Вектор силы проходит медиальней центра сустава и создает момент приведения, который увеличивает нагрузку на медиальный отсек сустава. Момент приведения колена создается произведением реакции опоры, которая во время ходьбы проходит медиальнее центра коленного сустава на плечо этой силы, которое представляет собой перпендикуляр к вектору реакции опоры конечности от центра сустава. Приводящий момент создает в бедренно-большеберцовом суставе силу приведения, вызывая повышение давления в его медиальном отсеке. НПМ считается косвенным показателем силы в медиальном тибиофеморальном компартменте. Величина НПМ позволяет сделать опосредованное заключение о нагрузке в медиальном компартменте коленного сустава и обосновать эффект снижения нагрузки после хирургического вмешательства или при применении консервативных ортопедических средств.
Рис. 1. Приводящий момент коленного сустава (НПМ) во время ходьбы. Слева ровные конечности. Справа имеется большой варусный угол в коленном суставе и большое плечо силы. (Pazit Levinger)
Существуют противоречивые данные о корреляции между моментом приведения и силой в суставе, а также разногласия относительно того, как следует интерпретировать НПM в клинике. Величина приводящего момента остается неизменной при увеличении веса тела, если вес находится в физиологических пределах и не изменяется с возрастом по мере роста. По данным B. D. Jackson у здоровых женщин момент приведения почти не влияет на объем суставного хряща. В отличие от людей с нормальным весом, у лиц с ожирением большой вес способствует деформации коленного сустава, что приводит к увеличению НПМ с возрастом у полных людей (Blazek K). Момент приведения имеет положительную связь с размером медиального плато большеберцовой кости. С моментом приведения связано положение бедренной и большеберцовой костей в коленном суставе. Установлено соотношение НПM с положением всей конечности и отдельных её сегментов. При увеличении вальгуса колена на 8° момент коленного сустава уменьшается на 7% (Kutzner I). В то время, как одни исследователи рассматривают пиковое значении НПM в зависимости от фаз реакции опоры, другие анализируют пиковое значение НПM отдельно в ранней и поздней фазах или делают упор на импульс НПM, чтобы получить больше информации о нагрузке на медиальную часть коленного сустава. Снижение НПM на 10% соответствует снижению медиальной силы от 3,6 до 5,5% в фазе переднего толчка и от 2,7 до 7,6% в фазе заднего толчка. Различия показывают, что одно и то же снижение НПM может приводить к снижению силы, особенно в фазе заднего толчка и то, что с помощью уменьшения НПM можно регулировать субъективные ощущения в суставе. I. Kutzner исследовал количественную взаимосвязь между наружным моментом приведения колена и контактной силой в суставе во время ходьбы с помощью телеметрического имплантата коленного сустава после полной замены коленного сустава эндопротезом. Показано, что величина НПM уменьшается благодаря коррекции варусной деформации. Автор установил умеренную корреляцию между НПM и медиальной силой во время периода опоры. Обнаружено, что уменьшение первого пика НПМ на 33% не соответствует уменьшению первого пика медиальной силы. Автор подтвердил общую корреляцию между НПM и силой на протяжении периода опоры, а также между пиковыми и средними силами и соответствующими значениями НПM. I. Kutzner рассматривал НПM, как показатель распределение силы в медиальном и латеральном отсеках, а не как реальную силу, действующую в медиальном компартменте. Медиально-латеральное распределение силы в суставе является важной механической переменной. Изменение режима работы мышц может увеличивать величину медиальной силы, при этом, не влияя на соотношение сил в медиальном и латеральном компартментах. Хорошая корреляция между моментом и медиальной силой в фазу переднего толчка, позволяет рассматривать НПM как показатель, подходящий для прогнозирования распределения силы в коленном суставе на протяжении переднего толчка реакции опоры. Момент приведения является показателем, который хорошо подходит для прогнозирования соотношения сил на протяжении всего периода опоры или медиальной силы в начале опоры. Прогностическая ценность НПM во второй половине переката стопы не является информативной. Она ограничена из-за слабой корреляции и высоких межиндивидуальных различий в фазе отталкивания. Согласно мнению I. Kutzner умеренная корреляции и высокие межиндивидуальные вариации указывают на то, что прогностическая ценность момента приведения не может быть распространена на всю ходьбу. Конструкция обуви способствует изменению нагрузки в разных отсеках коленного сустава (А.Ю. Аксенов). Уменьшение высоты каблука, уменьшение угла скоса носка, ведут к снижению нагрузки на медиальную часть коленного сустава. Обувь с высотой каблука 1,5 см значительно уменьшает момент приведения колена на протяжении периода опоры от 50% до 100 % по сравнению с каблуком 5,5 см. Угол скоса носочной части подошвы в 10° уменьшает момент приведения колена в течение 0-50% опорного периода по сравнению с 20° и значительно уменьшает момент приведения колена во время окончания опорного периода по сравнению с обувью, в которой угол скоса носка 15° и 20°.
Рис. 2. Распределение сил в коленном суставе во время отталкивания от опоры, ротация в суставе и приводящий момент
(Sritharan Prasanna)
Остеоартроз
Остеоартроз (ОА) коленного сустава - это дегенеративно дистрофическое поражение сустава. ОА представляет собой распространенное заболевание, которое сопровождается болями и нарушением подвижности. ОА является причиной боли и инвалидности. Причинами артроза и боли в коленном суставе являются следующие патологические состояния: пателлофеморальный бурсит, хондромаляция надколенника, разрыв мениска, растяжение и разрыв крестообразных связок, разрыв и растяжение сухожилий, тендинит, болезнь Осгуда-Шлаттера, синдром илио-тибиального тракта, рассекающий остеохондрит, синдром синовиальной складки. Боли в коленном суставе способствуют такие факторы, как большая нагрузка, а также занятия силовыми видами спорта и бегом, которые вызывают напряжение в структурах сустава. Нагрузка на сустав является одним из факторов, который влияет на прогрессирование ОА. У 67% пациентов остеоартрозом коленного сустава процесс поражает медиальный компартмент сустава; от 10% до 16% дегенерация сустава имеет латеральную локализацию.
Большой приводящий момент коленного сустава присущ ходьбе людей с артрозом коленного сустава. Повышенная частота ОА медиального отсека - это результат высокой нагрузки в этой области сустава. Повышенная нагрузка на суставной хрящ является одним из факторов в патогенезе артроза коленного сустава, при этом взаимосвязь между механическими факторами, объемом хряща и состоянием кости в здоровых и больных коленных суставах остается до конца невыясненной. Повышенная механическая нагрузка вызывает адаптацию кортикального слоя и губчатого вещества кости, однако связь между нагрузкой и объемом хряща по B. D. Jackson не установлена. При прогрессировании медиального остеоартроза, по мере сужения суставной щели, происходит увеличение приводящего момента.
Рис. 3. Тяжелый артроз и варусная деформация коленного сустава
Увеличение момента приведения предрасполагает к большей нагрузке медиального отсека коленного сустава, что увеличивает риска артроза в медиальной части коленного сустава (Blazek K.). Корреляция НПM и медиальной силы существенно различаются на протяжении периода переката стопы. В начале переката, в фазу переднего толчка имеется высокая линейная корреляция, т.е. НПM является показателем величины медиальной силы. Основным фактором нагрузок на сустав является реакция опоры и мышечная сила, поэтому на пиковый НПM в начале фазы переднего толчка влияет скорость ходьбы (Kutzner I.). По подсчетам B. D. Jackson при ходьбе есть умеренная корреляция между приводящим моментом и средней силой на протяжении всего периода переката, особенно при отталкивании. Согласно исследованиям I. Kutzner, в фазу отталкивания от опоры регистрируется снижение силы, однако количественная связь между реакцией опоры и наружным моментом приведения окончательно не установлена. B. D. Jackson предположил, что эффект момента приведения коленного сустава отличается у здоровых по сравнению с пациентами у которых диагностирован артроз коленного сустава. Пациенты с ОА коленного сустава демонстрируют при ходьбе более высокий, чем обычно, пиковый момент приведения коленного сустава. У людей с тибиофеморальным ОА объем суставного хряща снижен по сравнению с нормальными субъектами, и они со временем теряют значительную часть хряща. Видимо, избыточный момент приведения в колене во время ходьбы может объяснить относительно больший размер медиального плато большеберцовой кости и причину истирания медиального хряща (Jackson B. D.).
Для артроза коленного сустава характерна боль. Болевая реакция и снижение физической активности мешают повседневной деятельности пациентов с ОА коленного сустава, тем самым увеличивая их инвалидность. Боль и симптомы артроза коленного сустава связаны с НПМ, положением таза и ног, однако взаимосвязь между всеми факторами, связанными с НПМ и симптомами ОА коленного сустава остается неясной (Nie Yong). В одних исследованиях описана положительная корреляция между НПМ и болью в коленях, в то время как другие работы демонстрируют обратную связь. НПМ считается связанным со степенью артроза. Более высокие значения НПM чаще встречаются у пациентов с более выраженным артрозом по сравнению со здоровыми людьми. Пациенты с более тяжелым ОА коленного сустава имеют тяжелую варусную или деформацию (Nie Yong). Связь между нагрузкой и симптомами артроза, связанными с НПМ, зависит от тяжести артроза коленного сустава. Henriksen et al. сообщили, что пациенты с ОА коленного сустава 2 степени демонстрируют отрицательную связь между приводящим моментом и болью, в то время как пациенты с артрозом 3 и 4 степени показывают положительную связь между болью и моментом. Hall et al. писали, что у пациентов с ОА коленного сустава 2 степени нет связи между моментом и болью в колене, а пациенты с ОА 4 степени демонстрируют отрицательную связь между моментом и болью в коленях. Сильная боль в коленях объясняется большим приводящим моментом колена и движением бедра в направлении к средней линии тела при ходьбе. У больного артрозом уменьшение силы при отталкивании может быть вызвано попыткой снизить интенсивность боли. Пик и импульс приводящего момента являются предикторами тяжести и прогрессирования артроза коленного сустава. По данным B. D. Jackson пациенты с ОА медиального отсека сустава, как правило, имеют более высокий НПМ. Приводящий момент у пациентов с ОА коленного сустава больше коррелирует с деформацией коленного сустава, чем с рентгенологической картиной артроза.
Лечение
Целью ортопедического лечения ОА является уменьшение НПМ колена, который влияет на распределение нагрузки на коленный сустав в медиальном компартменте во время ходьбы. Для того, чтобы уменьшить медиальную силу целесообразно либо уменьшать общую силу, которая действует на конечность, либо сместить силу в сторону, не вызывая дополнительного сокращения мышц. Существуют методы лечения артроза, которые направлены на снижение НПМ. Консервативное лечение ОА включает в себя стельки или обувь с асимметричной клиновидной подошвой, а также наколенники или брейсы на коленный сустав. Ортопедические средства, такие как обувные коски, стельки и ортезы используются для механического выравнивания колена с целью уменьшения НПМ колена. Они уменьшают нагрузку на сустав, которая увеличивает риск прогрессирования артроза. Уменьшение НПМ переднего толчка коррелирует со снижением силы, которая имеется в медиальном компартменте. Ортопедическая обувь или стельки могут уменьшить боль, связанную с артрозом медиального отсека коленного сустава. Ортопедические стельки изменяют распределение сил в коленном суставе, создавая пронационный статический или динамический эффект. Статическая пронация достигается с помощью пронатора, который представляет собой клин, расположенный под наружным, латеральным краем подошвы. Стельки с боковым клином изменяют механику колена и уменьшают боль. Клин под латеральным краем подошвы увеличивает высоту латерального края и пронирует стопу, создает в колене момент отведения и уменьшает приводящий момент (D’Lima D. D.).
Рис. 4. Латеральный пронирующий клин под наружную часть стопы в стельке или обуви для установки голени в вальгусное положение и смещения давления в колене изнутри наружу
Динамическая пронация достигается, если обувная подошва или стельки сделаны из разных материалов. Внешне подошва или стелька имеет обычную форму, однако её наружный край сделан из более плотного материала, а внутренний край изготовлен из более мягкого материала. Во время ходьбы мягкий внутренний край сжимается сильнее, чем твердый наружной край, в результате чего стопа опускается своим внутренним краем и совершает пронацию. Стельки делают с высоким латеральным краем в переднем отделе, который в виде клина сходит на нет в центральной части. Клин толще на наружном крае стопы. Угол наклона стельки с боковым клином делают индивидуально для каждого пациента. Стельки с боковым клином помогают уменьшить варусный момент, который увеличивает нагрузку на коленный сустав и приводит к прогрессированию артроза коленного сустава. Стельки с боковым клином помогают корректировать соотношение суставных концов и смещают нагрузку от медиального компартмента в латеральном направлении. Изменение нагрузки на колено может уменьшить симптомы артроза и замедлить прогрессирование заболевания у пациентов с ОА коленного сустава. Разные исследования дают противоречивые результаты относительно эффективности стелек с боковым клином. В то время как одни работы говорят о том, что стельки с латеральным клином не оказывают значительного влияния на симптомы остеоартроза или его прогрессирование, другие публикации свидетельствуют, что пациенты, которые используют стельки с пронатором, уменьшают использование препаратов, применяемых для терапии артроза.
Обувь с асимметричной жесткостью подошвы снижает наружный приводящий момент колена у пациентов с артрозом коленного сустава в медиальном отсеке. Изменение момента приведения колена коррелирует с изменением силы в медиальном отсеке. Контактная сила в медиальном отсеке сустава in vivo снижена по сравнению с тем, что наблюдается в обуви без подошвы переменной жесткости. При использовании обуви с большой жесткостью латерального края подошвы обнаружено, что величина пиков момента приведения в суставе уменьшается при переднем толчке на 13% и при заднем толчке на 22% (Kutzner I.). По мнению D. D. D’Lima пронатор не в состоянии замедлить прогрессирование заболевания, однако способен облегчить симптомы артроза. Для больных ОА оптимальной конструкцией обуви считается обувь, которая обладает большой эластичностью, низкой жесткостью, плоским или низким каблуком и пронатором. Оценивая результаты применения обуви с разной конструкцией подошвы, I. Kutzner предупреждал о больших межиндивидуальных различиях в величине силы в бедренно-большеберцовом суставе. R. Hsiehсообщил об эффекте разгрузки медиального отсека колена у больных атрозом с помощью индивидуальных стелек с латеральным клином 5º и поддержкой свода. Пронирующие стельки изменяют положение стопы и устанавливают стопу под углом 5-10° вальгуса и, т.о. изменяют положение вышерасположенных сегментов нижней конечности. Угол наклона клина во фронтальной плоскости определяет разгрузочное усилие, которое возникает в коленном суставе и вызывает смещение центра давления. Латеральное смещение центра давления на 1 мм уменьшает момент приведения колена на 2%, что приводит к уменьшению на 1% силы, действующей в медиальном отсеке (Hsieh). Стельки с пронатором уменьшают супинацию стопы, увеличивают пронацию стопы и помогают сбалансировать стопу и голеностоп во время ходьбы. Пронатор перераспределяет нагрузку т.о., что часть нагрузки переходит из медиального отсека в латеральный отсек коленного сустава и, т.о. дает уменьшение боли. В отношении применения стелек с боковым клином 5º у пациентов с варусом коленного сустава сообщается о различиях в результатах их применения. По подсчетам Hsieh Ru-Lan эффективность стелек колеблется в диапазоне от 57% до 88%, дискомфорт отмечен от 0% до 47%, в среднем, положительный результат при применении стелечных ортезов достигает 82,5%.
При дегенеративно- дистрофическом поражении суставов процесс может носить распространенный характер и захватывать несколько сочленений нижних конечностей. Деформация голеностопного сустава и стопы в среднем или заднем отделах может привести к неправильному расположению сегментов нижней конечности и усугубить симптомы ОА. Для того, чтобы предотвратить чрезмерную пронацию или супинацию стопы и увеличение компрессионной нагрузки на медиальный отдел коленного сустава, подтаранный сустав поддерживают в нейтральном положении путем регуляции высоты супинатора или используя дополнительные клиновидные элементы в обувном ортезе. У большинства пациентов с артрозом стопы пронация имеет амплитуду в пределах нормальной. Если у пациента имеется изначально пронированная стопа, то латеральный клин усугубляет пронацию. Во время ходьбы без супинаторов в начале периоде опоры, когда стопа опирается на пятку, отсутствуют изменения в крутящем моменте коленного сустава. При использовании стелек наблюдается больший крутящий момент в конце периода опоры. Для того, чтобы стопа сохраняла способность к амортизации ударов во время ходьбы и бега, в стельках делают выкладку продольного свода, что оптимизирует положение стопы. Стельки с латеральным клином и выкладкой продольного свода позволяют здоровым людям ходить естественным образом, увеличить скорость ходьбы и уменьшить НПМ колена в начале периода опоры, что дает у пациентов с ОА уменьшение нагрузки во внутреннем компартменте колена.
Рис. 5. Артроз коленных суставов с изменением соотношения бедренных и берцовых костей и компенсаторной установкой в голеностопном и подтаранном суставах
Стельки с пронатором влияют на силу мышц бедра и голени. Постоянное использование стелек с латеральным клином приводит к уменьшению момента приведения во время ходьбы, уменьшению нагрузки на мускулатуру ног и улучшению поддержанию тела в правильном положении. Индивидуально изготовленные стельки улучшают баланс тела. Ношение изготовленных на заказ стелек с латеральным клином 5º и поддержкой свода обеспечивает уменьшение неприятных ощущение в колене, а также рост физической активности у пациентов с ОА коленного сустава. Пациенты, которые используют стельки, демонстрируют более высокие показатели активности, чем пациенты с артрозом, которые не используют стельки. Стельки с пронатором со временем могут деформироваться, что приводит к нарушению положения стопы во фронтальной плоскости и делает стельки менее эффективными, по сравнению с новыми. При износе стелек и появлении дискомфорта производят замену деформированных стелек. По мнению Hsieh стельки, изготовленные на заказ, представляет собой относительно простую альтернативу более дорогостоящему и сложному оперативному лечению артроза.
Сочетание пронирующих стелек с ортезом коленного сустава надежно уменьшает момент приведения колена. Коррекция оси конечности ортезом на 8° приводит к увеличению вальгусного момента колена и дает уменьшение момента приведения колена по сравнению с пронатором 4°. По подсчетам C. H. Fantini Pagani снижение НПМ выше, чем наблюдаемое снижение силы в медиальной части сустава, а эффект от использования коленного ортеза больше, чем от использования стелек с латеральным клином. Автор считал, что ортопедическая коррекция влияет на задний толчок реакции опоры и уменьшает момент приведения, который является показателем нагрузки на сустав. Вальгизирующий наколенник не дает значительного снижения первого пика силы приведения колена, однако приводит к изменению кинематики конечности. Использовании стелек с пронатором дает уменьшение внешнего момента приведения колена на 7%. При использовании обуви с латеральным клином 5 мм медиальная нагрузка в коленном суставе приводит к снижению момента на 1-7%. Больший угол клина может обеспечить большее снижение момента приведения колена, при том, что угол вальгуса более 7° связан с появлением дискомфорта в ходьбе. В обуви для увеличения пронации стопы делают наружный вынос подошвы. Во время ходьбы при нагрузке на латеральный край подошвы с вынесенным краем увеличивается пронация стопы и тем самым, уменьшается нагрузка на внутренний компартмент коленного сустава.
Рис. 6. Конструкция обуви со стелькой пронатором, в котором есть подъем латерального края
В стельке и на подошве латеральные клинья увеличивают вальгусный момента подтаранного сустава и плеча рычага, а также боковое смещение ОЦМ. Это уменьшает плечо рычага коленного сустава и приближает его к вектору реакции опоры, что приводит к уменьшению приводящего момента колена. Изменение длины рычага и момента приведения коленного сустава более заметно во второй половине периода опоры.
Уменьшение рычага с помощью коленного брейса происходит на 19% и уменьшение рычага с помощью стелек - на 6%. Изменения в плече рычага вызваны сочетанием увеличения колебания туловища, изменения положения ОЦМ и разворота нижней конечности наружу. Во второй половине периода опоры не наблюдается существенного различия в соотношении сил, которые направлены в медиальную и латеральную стороны. Изменения угла наклона колена во фронтальной плоскости и другие изменения кинематики в сочетании с меньшим наклоном вектора реакции опоры в медиальном направлении ответственны за уменьшение плеча рычага колена, наблюдаемое во второй половине периода опоры. C. H. Fantini Pagani наблюдал увеличение среднего момента ротации голеностопного сустава при использовании стелек с латеральным клином по сравнению с ходьбой без ортеза. В обуви с боковым клином при увеличении пикового момента происходит ротация голеностопного сустава. Сочетание ортез коленного сустава и стелек с боковым клином под углом 4° эффективны для уменьшения плеча рычага коленного сустава во фронтальной плоскости, момента приведения колена и нагрузки на сустав. При использовании стелек с клином 4°, эффект уменьшения внешнего момента приведения колена меньше, чем при использовании ортеза коленного сустава.
Рис. 7. Стельки Персей с частичным и полным пронатором для взрослых и детей
Литература:
Аксенов А.Ю. Клишковская Т.А. ПРИМЕНЕНИЕ ВИДЕОАНАЛИЗА С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ОБУВИ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ АДДУКЦИОННОГО МОМЕНТА КОЛЕННОГО СУСТАВА. Ортопедия, травматология и восстановительная хирургия детского возраста, 2017, 5, 1.
Blazek K, Asay J L., Erhart-Hledik J, Andriacchi T. Adduction Moment Increases with Age in Healthy Obese Individuals. J Orthop Res 31:1414–1422, 2013.
D’Lima D D., Fregly B J., Patil S, Steklov N, Colwell C W.. Knee joint forces: prediction, measurement, and significance. Proc Inst Mech Eng H. 2012 Feb; 226 (2): 95–102.
Fantini Pagani C H., Brüggemann H M. Kinetic and kinematic changes with the use of valgus knee brace and lateral wedge insoles in patients with medial knee osteoarthritis. Journal of Orthopaedic Research, 2012, V 30, I 7,1125-1132
Hsieh Ru-Lan, Lee Wen-Chung. Immediate and medium-term effects of custom-moulded insoles on pain, physical function, physical activity, and balance control in patients with knee osteoarthritis. J Rehabil Med 2014; 46.
Jackson B. D., Teichtahl A. J., Morris M. E., Wluka A. E., Davis S. R., Cicuttini F. M. The effect of the knee adduction moment on tibial cartilage volume and bone size in healthy women.
Rheumatology 2004, Volume 43, Issue 3, March, Pages 311–314.
Kutzner I, Trepczynski A, Heller M O., Bergmann G. Knee Adduction Moment and Medial Contact Force – Facts about Their Correlation during Gait. 1 PLoS One. 2013; 8(12).
Nie Yong , Wang Hua, Xu Bin, Ke Zhou Zong, Shen Bin, Pei FuXing. The Relationship between Knee Adduction Moment and Knee Osteoarthritis Symptoms according to Static Alignment and Pelvic Drop. Bio Med Research 2019 27 Dec.
Мицкевич В.А. ортопед-травматолог, докт. мед. наук
