Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.



Травма та її наслідки
Зала синя Зала жовта

Травма та її наслідки
Зала синя Зала жовта

Журнал «Травма» Том 20, №6, 2019

Вернуться к номеру

Біомеханічний аналіз поведінки структур заднього відділу стопи в акті ходьби при зап’ятковому бурситі й синдромі Haglund

Авторы: Лазарев І.А. (1), Герасимюк Б.С. (2), Мовчан О.С. (2), Скибан М.В. (1)
1 - ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України, м. Київ, Україна
2 - Національна медична академія післядипломної освіти імені П.Л. Шупика, м. Київ, Україна

Рубрики: Травматология и ортопедия

Разделы: Клинические исследования

Версия для печати


Резюме

Актуальність. Усе частіше в наукових публікаціях, присвячених вивченню тендинопатії ахіллового сухожилля, піднімається проблема супутнього зап’яткового бурситу і синдрому Haglund. У ретроспективному дослідженні 176 пацієнтів з інсерційною тендинопатією Håkan Alfredson і Christoph Spang виявили, що в 74 % випадків також відзначалися поверхневий і зап’ятковий бурсит і синдром Haglund. Тому, спираючись на попередні дослідження, ми можемо говорити про зв’язок між зап’ятковим бурситом, синдромом Haglund і тендинопатією. Мета дослідження: провести аналіз напружено-деформованого стану комп’ютерних імітаційних моделей заднього відділу стопи із зап’ятковим бурситом і синдромом Haglund під час ходьби. Матеріали та методи. Спочатку були виконані математичні розрахунки сили литкового м’яза і ахіллового сухожилля в положенні стоячи й при ходьбі. Створені тривимірні імітаційні моделі заднього відділу стопи: інтактна модель, модель бурситу і модель із синдромом Haglund. Кожна скінченно-елементна модель складалася в середньому з 332 906 вузлів і 191 538 елементів. Параметри напружено-деформованого стану анатомічних структур заднього відділу стопи були досліджені й проаналізовані в різних біомеханічних умовах: у нейтральному положенні, при підошовній (–10º) і тильній флексії (+10º). Для аналізу напружено-деформованого стану ахіллового сухожилля, п’яткової сумки, таранної кістки і п’яти використовували критерій напружень за фон Мізесом. Результати. Напруження на ахілловому сухожиллі в нейтральному положенні стопи при моделюванні зап’яткового бурситу на 19,8 % нижче, синдрому Haglund — на 10,0 % вище, ніж в інтактній моделі. Напруження на п’ятковому горбі в моделі бурситу на 13,2 % вище, синдрому Haglund — на 46,5 % вищий, ніж в інтактній моделі. При підошовній флексії напруження на ахілловому сухожиллі на 16,5 % нижче в моделі бурситу і на 38,1 % вище при синдромі Haglund. Напруження на п’ятковому горбі в моделі зап’яткового бурситу нижче на 49,6 %, а в моделі із синдромом Haglund — на 9,2 %. При тильній флексії напруження на ахілловому сухожиллі вище на 10,2 % в моделі бурситу і більше ніж на 68,6 % — у моделі із синдромом Haglund. Напруження на п’ятковому горбі в моделі зап’яткового бурситу вище на 28,3 %, а в моделі із синдромом Haglund — на 120,1 %, ніж в інтактній моделі. Обговорення. Найменше напруження відзначається при підошовної флексії. Це пов’язано з пасивної роботою литкового м’яза і збільшенням об’єму заглиблення, у якому розташована зап’яткова бурса. Дана структура сприяє рівномірному розподілу сил із передньої поверхні ахіллового сухожилля до задньоверхніх відділів п’яткової кістки. Зап’яткова сумка також знижує тиск сухожилля на ділянку контакту задньої поверхні п’яткової кістки при тильній флексії. Тому зап’яткова сумка відіграє важливу роль у функціонуванні біомеханічної системи «ахіллове сухожилля — п’яткова кістка». Підвищення напруження в ахілловому сухожиллі в патологічних моделях вказує на зв’язок між зап’ятковим бурситом, синдромом Haglund і розвитком патологічних змін в ахілловому сухожиллі. Висновки. Це дослідження підтверджує стресову теорію розвитку супутньої тендинопатії в пацієнтів із зап’ятковим бурситом і синдромом Haglund.

Актуальность. Все чаще в научных публикациях, посвященных изучению тендинопатии ахиллова сухожилия, поднимается проблема сопутствующего запяточного бурсита и синдрома Haglund. В ретроспективном исследовании 176 пациентов с инсерционной тендинопатией Håkan Alfredson и Christoph Spang обнаружили, что в 74 % случаев также отмечались поверхностный и запяточный бурсит и синдром Haglund. Поэтому, основываясь на предыдущих исследованиях, мы можем говорить о связи между запяточным бурситом, синдромом Haglund и тендинопатией. Цель исследования: провести анализ напряженно-деформированного состояния компьютерных имитационных моделей заднего отдела стопы с запяточным бурситом и синдромом Haglund во время ходьбы. Материалы и методы. Первоначально были выполнены математические расчеты силы икроножной мышцы и ахиллова сухожилия в положении стоя и при ходьбе. Созданы трехмерные имитационные модели заднего отдела стопы: интактная модель, модель бурсита и модель с синдромом Haglund. Каждая конечно-элементная модель состояла в среднем из 332 906 узлов и 191 538 элементов. Параметры напряженно-деформированного состояния анатомических структур зад-него отдела стопы были исследованы и проанализированы в различных биомеханических условиях: в нейтральном положении, при подошвенной (–10º) и тыльной флексии (+10º). Для анализа напряженно-деформированного состояния ахиллова сухожилия, пяточной сумки, таранной кости и пятки использовали критерий напряжений по фон Мизесу. Результаты. Напряжение на ахилловом сухожилии в нейтральном положении стопы при моделировании запяточного бурсита на 19,8 % ниже, синдрома Haglund — на 10,0 % выше, чем в интактной модели. Напряжение на пяточном бугре в модели бурсита на 13,2 % выше, синдрома Haglund — на 46,5 % выше, чем в интактной модели. При подошвенной флексии напряжение на ахилловом сухожилии на 16,5 % ниже в модели бурсита и на 38,1 % выше при синдроме Haglund. Напряжение на пяточном бугре в модели запяточного бурсита ниже на 49,6 %, а в модели с синдромом Haglund — на 9,2 %. При тыльной флексии напряжение на ахилловом сухожилии выше на 10,2 % в модели бурсита и более чем на 68,6 % — в модели с синдромом Haglund. Напряжение на пяточном бугре в модели запяточного бурсита выше на 28,3 %, а в модели с синдромом Haglund — на 120,1 %, чем в интактной модели. Обсуждение. Наименьшее напряжение отмечается при подошвенной флексии. Это связано с пассивной работой икроножной мышцы и увеличением объема углубления, в котором расположена запяточная бурса. Данная структура способствует равномерному распределению сил с передней поверхности ахиллова сухожилия к задневерхнему отделу пяточной кости. Запяточная сумка также снижает давление сухожилия на область контакта задней поверхности пяточной кости при тыльной флексии. Поэтому запяточная сумка играет важную роль в функционировании биомеханической системы «ахиллово сухожилие — пяточная кость». Повышение напряжения в ахилловом сухожилии в патологических моделях указывает на связь между запяточным бурситом, синдромом Haglund и развитием патологических изменений в ахилловом сухожилии. Выводы. Это исследование подтверждает стрессовую теорию развития сопутствующей тендинопатии у пациентов с запяточным бурситом и синдромом Haglund.

Background. Increasingly, in scientific publications devoted to the study of Achilles tendinopathy, the problem of concomitant retrocalcaneal bursitis and Haglund’s syndrome is mentioned. In a retrospective study of 176 patients with insertional tendinopathy, Håkan Alfredson and Christoph Spang found that 74 % of persons also had superficial and retrocalcaneal bursitis and Haglund’s syndrome. Therefore, based on previous researches, we can talk about the relationship between retrocalcaneal bursitis, Haglund’s syndrome and tendinopathy. The purpose was to carry out the stress-strain analysis of the computer simulation models of the rearfoot with retrocalcaneal bursitis and Haglund’s syndrome in walking. Materials and methods. Initially, mathematical calculations of the calf muscle and the Achilles tendon strength in standing and in walking were performed. 3D rearfoot simulation models were created: an intact model, a bursitis model and a model with Haglund’s syndrome. Each finite element model consisted of 332,906 nodes and 191,538 elements оn average. The parameters of the stress-strain state of the anatomical structures of the rearfoot were investigated and analyzed in different biomechanical conditions: in the neutral position, plantar flexion (–10 ) and the dorsal flexion (+10 ). Von Mises stress criterion was used for the analysis of stress-strain state at the Achilles tendon, calcaneal bursa, talus and heel. Results. Achilles tendon stress value in the neutral foot position is 19.8 % lower in the retrocalcaneal bursitis model and is 10.0 % higher in the Haglund’s syndrome model than in the intact model. The heel stress value in the bursitis model is 13.2 % higher, and in the Haglund’s syndrome model is 46.5 % higher than in the intact model. In the plantar fle-xion, Achilles tendon stress is 16.5 % lower in the bursitis model and is 38.1 % higher in the Haglund’s syndrome model. The heel stress in the retrocalcaneal bursitis model is 49.6 % lower and in the Hag-lund’s syndrome model is 9.2 % lower. In the dorsal flexion, Achilles tendon stress is 10.2 % higher in the bursitis model and more than 68.6 % higher in the Haglund’s syndrome model. The heel stress in the retrocalcaneal bursitis model is 28.3 % higher and in the Hag-lund’s syndrome model is 120.1 % higher than in the intact model. Discussion. In the plantar flexion position, the stress is lowest. This is due to a passive work of the calf muscle and increasing volume of the recess where the retrocalcaneal bursa is located. This structure evenly distributes forces from the anterior surface of the tendon to the posterosuperior heel. The retrocalcaneal bursa also reduces the tendon pressure on the contact area of the posterior surface of the calcaneus in dorsal flexion. Therefore, the retrocalcaneal bursa plays an important role in the functioning of the biomechanical system “Achilles tendon — calcaneus”. The stress increasing in the Achilles tendon in pathological models indicates the relationship between retrocalcaneal bursitis, Haglund’s syndrome and the development of pathological changes in the Achilles tendon. Conclusions. This study confirms the stress theory of the development of concomitant tendinopathy in patients with retrocalcaneal bursitis and Haglund’s syndrome.


Ключевые слова

імітаційне моделювання; напружено-деформований стан; зап’ятковий бурсит; синдром Haglund; тендинопатія

имитационное моделирование; напряженно-деформированное состояние; запяточный бурсит; синдром Haglund; тендинопатия

computer simulation; stress-strain analysis; retrocalcaneal bursitis; Haglund’s syndrome; tendinopathy

Вступ

Зап’ятковий бурсит (ЗБ) — запальне захворювання, що виникає внаслідок механічного імпінджменту зап’яткової (глибокої) синовіальної бурси, розташованої між ахілловим сухожиллям (АС) і задньоверхніми відділами п’яткової кістки. Синдром Haglund був описаний шведським хірургом-ортопедом Patrik Haglund у 1928 році [2, с. 50], він включав поняття зап’яткового бурситу, спричиненого імпінджментом синовіальної сумки між АС і збільшеними задньоверхніми відділами п’яткової кістки — так званою деформацією Haglund [5, с. 433]. P.T. Karjalainen, К. Soila та співавт. у своєму дослідженні 118 АС методом магнітно-резонансної томографії діагностували в 19 % випадків збільшену зап’яткову бурсу. Також було встановлено, що в 15 з 18 випадків інерційної тендинопатії був виявлений ЗБ [4, с. 254]. Todd A. Irwin у своєму дослідженні [3, с. 933] також вказує на зв’язок між запальними процесами в синовіальних бурсах і дегенеративними змінами самого сухожилля — між ЗБ і розвитком супутньої тендинопатії. Під час ретроспективного дослідження [1, 7] 176 пацієнтів з інсерційною ахіллотендинопатією Håkan Alfredson і Christoph Spang виявили, що в 74 % пацієнтів було також діагностовано поверхневий і зап’ятковий бурсити, а також синдром Haglund. Тому, ґрунтуючись на попередніх дослідженнях, можна говорити про те, що зв’язок між ЗБ або синдромом Haglund і тендинопатією якщо не очевидний, то дуже ймовірний і він вимагає подальшого вивчення.

Науковий пошук серед літературних джерел не виявив будь-яких досліджень напружено-деформованого стану (НДС) структур заднього відділу стопи (АС, глибока синовіальна бурса, п’яткова кістка) при ЗБ. Детальний аналіз поведінки перерахованих вище структур дозволить краще зрозуміти проблему діагностики й лікування хворих із ЗБ або синдромом Haglund.

Мета дослідження — аналіз показників напружено-деформованого стану імітаційних моделей задніх відділів стопи із зап’ятковим бурситом і синдромом Нaglund під час ходьби.

Матеріали та методи

На початковому етапі для визначення сили натягу ікроножного м’яза й ахіллового сухожилля при стоянні й в акті ходьби створено розрахункові схеми (рис. 2) і проведені математичні обчислення. У розрахунках було використано усереднені антропометричні дані: вага тіла — 75 кг, зріст — 170 см.

На наступному етапі засобами програмного пакета SolidWorks були створені імітаційні 3D-моделі стопи — інтактна модель, модель із бурситом і модель із синдромом Haglund (рис. 3) у нейтральному положенні в гомілковостопному суглобі, положенні підошовної флексії –10º і тильної флексії +10º. Подальші розрахунки здійснювали методом скінченних елементів (СЕ), що дозволяє дослідити еволюцію процесу деформування елементів імітаційної моделі стопи, а саме кісткової тканини, бурси й ахіллового сухожилля, з великими геометричними й фізично нелінійними властивостями матеріалів і змінними в часі зовнішніми впливами. Для проведення розрахунків НДС у програму ANSYS було імпортовано імітаційні моделі, які налічували в середньому 332 906 вузлів і 191 538 елементів. У напівавтоматичному режимі згенеровано СЕ-моделі (рис. 4). Для збільшення точності розрахунків у ділянках контакту й для елементів бурси й сухожилля СЕ-сітка ущільнена. СЕ-сітка представлена переважно тетраедричними елементами, розмір яких на основній моделі не перевищує 1 мм, у місцях згущення — 0,1–0,5 мм.

У СЕ-розрахунках застосовували фізичні властивості біологічних тканин, отримані з літературних джерел (табл. 1).

У подальшому розглянуто 3 моделі для кожного варіанта дослідження — інтактна модель, модель із ЗБ і модель із синдромом Haglund для трьох положень у гомілковостопному суглобі: нейтральне, передній поштовх (підошовна флексія –10º) і задній поштовх (тильна флексія +10º).

Ключовими показниками для порівняльного аналізу обрані дані, отримані шляхом розрахунків значення інтенсивності напружень за Мізесом, які визначали на усіх елементах моделі: АС, зап’ятковій бурсі, таранній кістці й п’ятковому горбі.

Результати та обговорення

Для визначення сили натягу ікроножного м’яза й АС при стоянні та в акті ходьби створено розрахункові схеми (рис. 2).

Модель у нейтральному положенні в гомілковостопному суглобі подано на рис. 2а. Припускаючи, що величина СВ1 не змінюється при ротації стопи навколо С, з умови рівноваги отримуємо:

де a — кут нахилу АС відносно вертикальної осі; Р — вага людини 750 Н (75 кг); F — сила натягу АС.

це сила натягу ікроножного м’яза для стабілізації гомілковостопного суглоба у вертикальному положенні тіла при стоянні.

Для визначення сили натягу АС при ходьбі розглянуто 2 положення — передній поштовх (рис. 2б) — при наступанні на п’ятку передньої ноги (підошовна флексія –10º) і задній поштовх (рис. 2в) — при відриві п’ятки задньої ноги під час відштовхування від площі опори (тильна флексія +10º). Для досягнення підошовної флексії –10º центр маси тіла зміщується назад на відстань АВ (рис. 2б), тому для розрахунків натягу АС враховано цю відстань. Аналогічно отримуємо:

де α — кут нахилу АС відносно вертикальної осі; Р — вага людини 750 Н (75 кг); F — сила натягу АС.

це сила, що необхідна для стабілізації гомілковостопного суглоба у вертикальному положенні тіла при наступанні на п’ятку передньої ноги (підошовна флексія –10º), але ця сила розкладається на дві складові: натяг АС — 65 % (277 Н) і стабілізуючу силу передньої групи м’язів — 35 % (182 Н).

 Для досягнення тильної флексії +10º центр маси тіла зміщується вперед на відстань АС (рис. 2в), тому для розрахунків натягу АС враховано цю відстань. Аналогічно отримуємо:

де α — кут нахилу АС відносно вертикальної осі; Р — вага людини 750 Н (75 кг); F — сила натягу АС.

це сила, що необхідна для стабілізації гомілково-стопного суглоба у вертикальному положенні тіла при відштовхуванні задньої ноги від площі опори (тильна флексія +10º).

З урахуванням проведених розрахунків для визначення НДС використано такі значення навантажень на АС:

— для утримання тіла в положенні стоячи АС розвиває зусилля в 458 Н;

— для стабілізації гомілковостопного суглоба у вертикальному положенні тіла при наступанні на площу опори (передній поштовх) АС розвиває зусилля в 277 Н (65 %), а зусилля в 182 Н (35 %) розвиває передня група м’язів гомілки як стабілізатори;

— для відриву стопи від площі опори (задній поштовх) і підйому її на кут 10º АС розвиває зусилля в 1028 Н.

За результатами розрахунків показників НДС моделей найбілш значущі зміни відбувалися на ахілловому сухожиллі та п’ятковому горбі, найменші — на таранній та іншіх ділянках п’яткової кістки. У звязку з цим подальший порівняльний аналіз здійснювали за показниками НДС на АС і п’ятковому горбі. Отримані показники напружень при нейтральному положенні стопи подано на рис. 5. Напруження на АС на моделі із зап’ятковим бурситом на 19,8 % менші, а на моделі із синдромом Haglund — на 10,0 % більші, ніж на інтактній моделі. Значення напружень на п’ятковому бугрі на моделі із зап’ятковим бурситом на 13,2 % більші, а на моделі із синдромом Haglund — на 46,5 % більші, ніж на інтактній моделі.

Результати розрахунків показників напружень на АС і п’ятковому горбі в положенні підошовної флексії стопи –10º (передній поштовх) подано на рис. 6. Значення напружень на АС на моделі із зап’ятковим бурситом на 16,5 % менші, а на моделі із синдромом Haglund — на 38,1 % більші, ніж на інтактній моделі. Значення напружень на п’ятковому бугрі на моделі із зап’ятковим бурситом на 49,6 % менші, а на моделі з синдромом Haglund — на 9,2 % менші, ніж на інтактній моделі.

Результати розрахунків показників напружень на АС і п’ятковому горбі в положенні тильної флексії стопи +10º (задній поштовх) подано на рис. 7. Значення напружень на АС на моделі із зап’ятковим бурситом на 10,2 %, а на моделі із синдромом Haglund — на 68,6 % більші, ніж на інтактній моделі. Значення напружень на п’ятковому бугрі на моделі із зап’ятковим бурситом зросли на 28,3 %, а на моделі з синдромом Haglund — більше ніж у 2 рази (на 120,1 %) відносно інтактної моделі.

Результати розрахунків НДС інтактної моделі подані в табл. 2. У положенні підошовної флексії стопи значення напружень найменші. Це пов’язано як із розслабленням литкового м’яза, так і зі збільшенням об’єму зап’яткового рецесуса, де розташована глибока синовіальна бурса. Ця структура сприяє рівномірному перерозподілу сил із передньої поверхні АС на задньоверхні відділи п’яткової кістки. Також бурса амортизує стресовий вплив сухожилля на ділянку контакту з нерівною задньою поверхнею п’яткової кістки при різкому тильному згинанні. Тому зап’яткова бурса відіграє важливу роль у функціонуванні біомеханічної системи «АС — п’ятковий горб».

Результати розрахунків НДС моделі з зап’ятковим бурситом подані в табл. 3. Як ми й припускали, у моделі з бурситом визначено збільшення значень напружень на всіх досліджуваних структурах у положенні тильної флексії стопи в акті ходьби (задній поштовх). Це пов’язано зі збільшенням розмірів синовіальної бурси внаслідок запального ексудативного процесу. У випадку з моделлю синдрому Haglund ми отримали аналогічні дані (табл. 4) із значним збільшенням значень напружень на всіх досліджуваних структурах у положенні тильної флексії стопи. При цьому напруження зростають однаково як на бурсі, так і на АС.

Зростання напружень на ахілловому сухожиллі (рис. 8) у процесі переходу з нейтрального положення в положення тильної флексії стопи (задній поштовх) вказує на зв’язок травмуючого фактора з розвитком патологічних змін у навколосухожилкових структурах (глибока синовіальна бурса, збільшені задньоверхні відділи п’яткової кістки — деформація Haglund) і захворюваннями самого АС, підтверджуючи стресову теорію розвитку тендинопатії від постійного локального перевантаження. При цьому як синдром Haglund, так і ЗБ практично однаково можуть впливати на розвиток супутніх вторинних дегенеративних процесів у сухожиллі, що заслуговує на додаткову увагу.

Збільшення показників напруженості кісткових структур — таранної кістки і п’яткового бугра (рис. 9) також свідчить про єдність функціонування всіх структур заднього відділу стопи й неможливість перебігу патологічного процесу в одних структурах без впливу на інші. У нормі реактивні репаративні процеси перебігають як адаптивні з нормальними фізіологічними реакціями. При патологічних змінах вони можуть сягати рівня пристосувальних процесів із порушенням структури.

Висновки

— У досліджуваній моделі із синдромом Haglund напруження на АС змінюється при різних положеннях стопи, але порівняно з інтактною моделлю залишається вищим на 10,0 % у нейтральному положенні, на 38,1 і 68,6 % — у положенні підошовної і тильної флексії стопи відповідно;

— значення напружень на АС при переході з нейтрального положення в положення тильної флексії стопи на моделі із зап’ятковим бурситом більше на 10,2 %, ніж на інтактній моделі;

— за результатами імітаційного моделювання з визначенням НДС структур заднього відділу стопи виявлено причинно-наслідковий зв’язок між патологічним процесом при зап’ятковому бурситі/синдромі Haglund і розвитком супутніх дегенеративних змін (тендинопатії) внаслідок локального перевантаження АС;

— виявлено неможливість ізольованого пошкодження однієї частини системи без адаптаційних змін у другій при порушенні функції системи «АС — п’ятковий горб».

Конфлікт інтересів. Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів і власної фінансової зацікавленості при підготовці даної статті.


Список литературы

1. Alfredson H., Spang C. Clinical presentation and surgical management of chronic Achilles tendon disorders — A retrospec-tive observation on a set of consecutive patients being operated by the same orthopedic surgeon. Foot Ankle Surg. 2018 Dec. № 24(6). Р. 490-494. doi: 10.1016/j.fas.2017.05.011.
2. Haglund P. Beitrag zur Klinik der Achillessehne. Zeitschr. Orthop. Chir. 1928. № 49. Р. 49-58.
3. Irwin T.A. Current Concepts Review: Insertional Achilles Tendinopathy. Foot & Ankle International. 2010. № 31(10). Р. 933-939. doi:10.3113/fai.2010.0933.
4. Karjalainen P.T., Soila K., Aronen H.J. et al. MR Imaging of Overuse Injuries of the Achilles Tendon. American Journal of Roentgenology. 2000. № 175(1). Р. 251-260. doi:10.2214/ajr.175.1.1750251
5. Reinherz R.P., Smith B.A., Henning K.E. Understanding the pathologic Haglund’s deformity. J. Foot Surg. 1990. № 29. Р. 432-435.

Вернуться к номеру