[
На правах рукописи
ПОПРЫГА
Дмитрий Викторович
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЧИВОСТИ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ И БИОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
КОСТЕЙ ГОЛЕНИ
14.03.01 – анатомия человека
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук
Саратов – 2013
Работа выполнена в Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный медицинский университет имени В.И. Разумовского»
Министерства здравоохранения Российской Федерации.
Научный руководитель – доктор медицинских наук, доцент Анисимова Елена Анатольевна.
Официальные оппоненты: Хайруллин Радик Магзинурович – доктор медицинских наук, профессор; ФГБОУ ВПО Ульяновский государственный университет Минобрнауки России; кафедра анатомии человека; заведующий кафедрой;
Калмин Олег Витальевич – доктор медицинских наук, профессор; ФГБОУ ВПО Пензенский государственный университет Минобрнауки России, кафедра анатомии человека; заведующий кафедрой.
Ведущая организация: Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации.
Защита диссертации состоится « » 2013 года в часов на заседании диссертационного совета Д208.094.04 при ГБОУ ВПО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского Минздрава России по адресу:
410012, г. Саратов, ул. Б. Казачья, 112.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГБОУ ВПО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского Минздрава России.
Автореферат разослан « » 2013 года.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор медицинских наук, профессор Музурова Л.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Изучение анатомии осевого скелета, в частности, длинных трубчатых костей, имеет не только теоретическое, но и серьезное практическое значение. Основная черта современной фундаментальной анатомии – это ее действенность, т.е. возможность управлять структурами на базе детальных сведений об их строении, поэтому анатомия изучает объекты во взаимосвязи друг с другом, во всем многообразии их индивидуальной, возрастно-половой и билатеральной изменчивости (Куприянов В.В, Лейтис А.Л., 1975; Beiseigel Jeannemarie M., Nickols-Richardson Sharom M., 2002).
Рост общего уровня травматизма, в первую очередь, за счет дорожнотранспортных и техногенных катастроф, неизбежно влечет усиление тяжести травм, что особенно касается переломов костей добавочного скелета, а именно, длинных трубчатых костей (Богосьян А.Б., 2000; Дятлов М.М., 2000;
Шаповалов В.М., Хоминец В.В., Михайлов С.В. с соавт., 2010;
Атманский И.А., Губайдуллин М.И., Зарков С.И. с соавт., 2011;
Слободской А.Б., Норкин И.А., Попов А.Ю., 2012; и др.).
Несмотря на совершенствование методов лечения пострадавших с переломами костей конечностей, применение высокотехнологичных методик лечения и современных материалов, результаты лечения и реабилитации не всегда достигают желаемого эффекта. После переломов костей конечностей инвалидизация достигает 9-58,8%, в том числе после хирургического лечения – 20,6%, после консервативного – 11,2% (Баринов А.С., Егоров М.Ф., Тетерин О.Г. с соавт., 2000). Так, в частности, инвалидность после переломов костей голени наступает, по данным разных авторов, в 3,7-76,4% случаев (Распопова Е.А., Ударцев Е.Ю., 2003; Mendes M.W., Caldwell P., Jiranek W.A., 2004). За последние 5 лет по РФ отмечается рост инвалидности от травм костей конечностей на 31,3% (Слободской А.Б. с соавт., 2012).
В последние годы проблема приобрела особое значение, так как наблюдается рост числа осложнений и неудовлетворительных результатов лечения переломов костей конечностей. Так, общее число осложнений при лечении переломов колеблется, по данным разных авторов, от 7,3 до 50% (Котельников Г.П., Чеснокова И.Г., 2002; Мартель И.И., 2011; и др.). При лечении переломов длинных трубчатых костей консервативными методами, которые основаны на трех основных принципах: 1) репозиция костных отломков; 2) удержание, создание неподвижности сопоставленных костных отломков и иммобилизация органа; 3) применение средств и методов, ускоряющих образование костной мозоли и сращение кости (консолидация кости), – количество осложнений варьирует от 18,9 до 67% (Попков А.В. с соавт., 2003; Мироманов А.М., Намоконов Е.В., 2010; Макушин В.Д., с соавт., 2010; Мироманов А.М., Усков С.А., 2011).
Сложности в лечении переломов костей голени имеют место и при чрескостном остеосинтезе. При сложных диафизарных, оскольчатых и внутрисуставных переломах точная репозиция достигается только в 78,9причем только в 59,3-61,8% она возможна во время операции (Шаповалов В.М., Хоминец В.В., Михайлов С.В., 2009; Слободской А.Б, Норкин И.А., Попов А.Ю., 2012; Prokhorenko V.M. et al., 2013).
Значительный удельный вес переломов мыщелков большеберцовой кости, составляющих от 2 до 5% среди всех переломов, до 30% от всех травм нижних конечностей и до 60% от травм суставов, что определяет актуальность проблемы лечения пострадавших данной категории (Кузина И.Р., 2000; Ohdera T., Tokunaga M., Hiroshima S., 2003; Egol K.A., Tejwani N.C., Capla E.L., 2005). Частота неудовлетворительных отдаленных анатомофункциональных результатов лечения достигает 6-39% (Воронкевич И.А., 2004; Cole P., Zlodwodzki M., Kregor P., 2004), а инвалидности – 6% (Ballmer F.T., Hertel R., Notzli H.P., 2000).
Раннее развитие посттравматического деформирующего артроза коленного сустава у 60-80%, возникновение стойких контрактур у 29-50% и деформаций коленного сустава – у 12-20% больных с переломами мыщелков большеберцовой кости побуждают хирургов внедрять современные высокоинформативные методы оценки характера повреждений мыщелков с учетом детальных сведений по анатомии отдельных костных структур, а также новые подходы к репозиции и фиксации отломков костей с применением современных методик внутреннего стабильнофункционального остеосинтеза (Городниченко А.И., Теймурханхлы Ф.А., 2000; Шаповалов В.М. с соавт., 2011; Barei D.P., Nork S.E., Mills W.J., 2004).
За последние годы на разных этапах хирургического вмешательства все чаще стали применять артроскопию, которая позволяет визуально контролировать положение отломков и фиксаторов, восстанавливать связки и мениски, а также удалять свободные внутрисуставные тела (Egol K.A., Tejwani N.C., Capla E.L., 2005).
Широко распространяется являющееся одним из перспективных, но мало изученных направлений, – эндопротезирование коленного и голеностопного суставов (Стоянов А.В., Емельянов В.Г., Плиев Д.Г., Михайлов К.С., 2011).
Ревизионное эндопротезирование достигает 7-8% от общего количества артропластик коленного сустава. Важнейшей проблемой при ревизионном эндопротезировании является восполнение дефектов бедренной и большеберцовой костей, возникающих в результате остеолиза, миграции и удаления компонентов эндопротеза. Восстановить нормальный уровень суставной щели, добиться стабильной фиксации компонентов эндопротеза, удовлетворительной функции сустава возможно, только компенсировав дефекты метаэпифизов бедренной и большеберцовой костей (Корнилов Н.Н., Куляба Т.А., Новоселов К.А., 2006). Реэндопротезирование при неудовлетворительных результатах первичного вмешательства достигает 7от общего количества артропластик коленного сустава (Куляба Т.А., Корнилов Н.Н., Селин А.В. с соавт., 2011). Проблемой повторных операций является выбор оптимального хирургического доступа, позволяющего удалить компоненты эндопротеза и корректно имплантировать новые (Mendes M.W., Caldwell P., Jiranek W.A., 2004; Roehring G.M., Kang, G., 2009;
Elkus M. et al., 2004; Clarke H.D., Scuderi G.R., 2011).
При свежих повреждениях области голеностопного сустава неудачи лечения встречаются в 45-71% случаев (Leardini A., 2001). При лечении пациентов с последствиями травм рассматриваемой локализации доля неблагоприятных исходов составляет 10-35% в зависимости от времени, прошедшего с момента травмы, степени повреждения сустава и возникших осложнений (Deland J.T., Morris G.D., Sung I.H., 2000).
Несмотря на большие диагностические возможности классической рентгенографии при костно-суставной травме, часто возникают трудности в постановке правильного диагноза. В сложных диагностических ситуациях, когда трудно определить наличие или характер повреждения, применяются такие методики, как рентгенография в атипичных укладках, линейная рентгенографическая томография, компьютерная томография, спиральная томография, магнитно-резонансная томография, тепловидение, сонография, радионуклидная визуализация (Линденбратен Л.Д., Королюк И.П., 2000).
Получение точной картины визуализации макроморфологических изменений при острой травме, интерпретации результатов обследования диктует необходимость детальных знаний морфометрических характеристик и взаимоотношений поврежденных структур (Слободской А.Б., Норкин И.А., Попов А.Ю., 2012). Вывести на новый уровень и значительно оптимизировать результаты диагностики и лечения травм костей конечностей позволит разработка новых методик применения компьютерного моделирования, в частности, трехмерного компьютерного моделирования, которая невозможна без создания базы данных морфометрических характеристик анатомических объектов (Котельников Г.П. и соавт., 2004; Ткачева А.В., Тонин М.С., 2006;
Слободской А.Б. и соавт., 2012; Писарев В.В. и соавт., 2012).
В единичных работах можно встретить морфологические данные о костях голени. Так, например, итальянские ученые проводили антропометрические измерения, определяли индекс массы тела (ИМТ), плотность костной ткани (ПКТ) и минеральный состав костей голени в начале и конце обследования.
Обнаружили достоверную корреляцию между ИМТ и полом, ПКТ, возрастом и конституцией. Авторы сделали вывод, что при определенных величинах этих показателей необходимо проводить профилактическую терапию остеопороза (Savoca S., Pignatello R., Nardo L.G., 2001). Отсутствуют современные данные о половых, возрастных, билатеральных различиях морфометрических характеристик костей голени, без которых невозможно понять закономерности изменчивости внешнего и внутреннего строения большой и малой берцовых костей.
Изучению вопросов строения и васкуляризации длинных трубчатых костей уделяли и уделяют большое внимание как в нашей стране, так и за рубежом (Переслыцких П.Ф. с соавт., 1986, 2004; Ручкина И.В., Дьячков А.Н., 2005; Bacci G., Ferrari S., Longhi A., 2003). Но пробелы в этом аспекте остаются до нынешнего времени; не изучены топография питательных каналов, направление их хода, топографо-анатомические закономерности расположения питательных отверстий костей голени. Не определены «зоны хирургического риска», так как повреждения сосудов, питающих кости, приводят к осложнениям, нарушению регенерации и функции поврежденной конечности (Фомичева О.А., 2007; Жмурко Р.С., 2010). Данные сведения требуют тщательного анализа, ревизии, систематизации и оценки под углом зрения как фундаментальных наук, так и прикладной их значимости. Отсутствует подробная характеристика биомеханических свойств костей голени (Бушманов А.В., Назаренко Н.В., Соловцова Л.А., 2004), позволяющая проводить компьютерное моделирование костей (Ткачева А.В., Тонин М.С., Левченко К.К., 2006).
Цель исследования: выявить закономерности изменчивости морфометрических параметров и биомеханических свойств костей голени в аспекте индивидуальной, возрастной изменчивости, полового диморфизма и билатеральной диссимметрии.
1. Изучить топографическую, индивидуальную и возрастную изменчивость, билатеральные различия и половой диморфизм морфометрических характеристик костей голени.
2. Определить закономерности изменчивости и выявить характер корреляционных взаимоотношений морфометрических характеристик костей голени.
3. Установить взаимосвязи морфометрических характеристик костей голени с антропометрическими параметрами субъектов.
4. Выявить топографо-морфологические закономерности изменчивости питательных каналов и питательных отверстий костей голени, изучить варианты расположения, количества и формы питательных отверстий в различных участках и определить зоны концентрации питательных отверстий костей голени.
5. Определить деформативно-прочностные и биомеханические свойства костей голени.
6. Построить компьютерные 3D модели костей голени.
Научная новизна. Выявлены новые закономерности конструкционной изменчивости анатомо-топометрических параметров костей голени. Описаны ранее неизвестные индивидуально-типологические особенности взаимоотношений и соразмерности большой и малой берцовых костей с антропометрическими параметрами субъектов.
Изучены ранее неописанные закономерности возрастной изменчивости, полового диморфизма и билатеральной диссимметрии размеров отдельных костных элементов костей голени. С помощью метода сигмальных отклонений дана характеристика формы костей голени на основе соотношения количественных параметров и показана их экстенсивность в связи с типами телосложения.
Раскрыты важные в практическом отношении особенности анатомотопометрических характеристик и направления хода питательных каналов диафиза костей голени.
Описаны ранее не изученные, важные в практическом отношении варианты расположения и количества питательных отверстий в различных частях костей голени и определены зоны концентрации питательных отверстий.
Выявлены особенности деформативно-прочностных свойств различных участков костей голени.
Практическая ценность работы и формы внедрения. Создана база данных морфометрических и биомеханических параметров костей голени.
Детализированные данные об изменчивости размерных характеристик костей голени имеют прикладное значение и могут быть использованы для выбора размеров имеющихся и для промышленного изготовления новых металлоконструкций, необходимых для хирургического лечения травм костей голени и эндопротезирования коленного и голеностопного суставов.
Материалы диссертации по возрастной и индивидуальной изменчивости размерных характеристик костей голени с учетом полового диморфизма и билатеральных различий, сопряженности с другими анатомическими объектами могут быть использованы при антропологических исследованиях, судебно-медицинской экспертизе, интерпретации данных рентгено-, КТ-, МРТ-исследований, а также в учебном процессе при чтении лекций и проведении практических занятий на кафедрах анатомии человека, оперативной хирургии и топографической анатомии, травматологии и ортопедии, судебной медицины высших медицинских учебных заведений.
Результаты исследования внедрены в учебный процесс кафедр анатомии человека, травматологии и ортопедии, судебной медицины медицинских университетов.
Теоретическая значимость работы. Выявлены закономерности взаимосвязей и соразмерности различных участков костей голени.
Прослежены закономерности сопряженности связей антропометрических параметров с размерами костей голени. Описано варьирование размеров и формы костей голени при различных типах телосложения. Установлены различия морфологических и топографических характеристик питательных отверстий и питательных каналов костей голени. Определены изменчивость формы костей голени, зависимость массивности и прочности костей голени от формы костей.
Детально изучены явления индивидуальной, возрастной, билатеральной изменчивости и полового диморфизма, описаны закономерности возрастных изменений размеров костей голени. Проведен сравнительный анализ абсолютных и относительных параметров костей голени.
Описаны зоны наибольшей концентрации питательных отверстий и особенности направления питательного канала костей голени в связи с индивидуально-типологической изменчивостью кости. Определены зоны «хирургического риска».
Совокупность полученных данных по индивидуально-типологической изменчивости морфологии костей голени и их биомеханических свойств расширяет информационную базу клинической анатомии длинных трубчатых костей в аспекте выявления зон «хирургического риска» и подбора оптимальных размеров металлоконструкций, позволяющих на дооперационном этапе индивидуализировать тактику лечения врожденных и приобретенных деформаций костей голени.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
1. Морфометрическим характеристикам костей голени свойственны определенные корреляционные отношения и соразмерность, а также возрастные изменения и билатеральная диссимметрия, особенности проявления которых детерминированы половым диморфизмом.2. Размеры и форма костей голени взаимосвязаны с антропометрическими параметрами и находятся под преимущественным влиянием типа телосложения субъекта.
3. Топография, количество и направление питательных каналов, расположение и количество питательных отверстий взаимосвязаны с формой костей голени и различаются у людей с разной формой костей.
4. Биомеханические и деформативно-прочностные свойства костей голени определены топографо-морфологическими параметрами различных уровней и нагруженности кости.
5. Создание базы данных морфометрических характеристик и биомеханических свойств костей голени необходимо для построения компьютерных 3D моделей, которые наряду со знанием анатомии костей помогают свободному пониманию пространственных взаимоотношений костных элементов в норме, а также при врожденных и приобретенных деформациях.
Апробация работы и публикации. Основные положения работы доложены и обсуждены на межрегиональной конференции с международным участием, посвященной 100-летию кафедры оперативной хирургии и топографической анатомии Саратовского ГМУ им. В.И. Разумовского «Новые технологии в экспериментальной и клинической хирургии»
(Саратов, 2011); III Эмбриологическом симпозиуме «ЮГРА-ЭМБРИО-2011»
(Ханты-Мансийск, 2011); ежегодной Российской конференции «Наука, образование, медицина» (Самара, 2011); межрегиональной конференции «Реабилитационные технологии XXI века. Современные технологии в медицине XXI века (Саратов, 2012); научной конференции с международным участием, посвященной памяти проф. Р.И. Асфандиярова «Структурные преобразования органов и тканей на этапах онтогенеза в норме и при воздействии антропогенных факторов. Экология и здоровье человека.
Актуальные проблемы биологии и медицины» (Астрахань, 2012); III международной конференции, посвященной 75-летию со дня создания Научного общества молодых ученых и студентов Уральской государственной медицинской академии «Достижения, инновационные направления, перспективы развития и проблемы современной медицинской науки, генетики и биотехнологий» (Екатеринбург, 2012); международной конференции «Вопросы образования и науки: теоретический и методический аспекты» (Тамбов, 2012); II Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы биомедицинской науки третьего тысячелетия» (СПб., 2012);
межрегиональной конференции «Реабилитационные технологии XXI века.
Современные вопросы диагностики и лечения заболеваний позвоночника и спинного мозга» (Саратов, 2012); научно-практической конференции «Современные аспекты макро- и микроморфологии» (Саратов, 2013).
Работа апробирована на межкафедральном заседании кафедр: анатомии человека, судебной медицины и травматологии и ортопедии СарГМУ.
По теме диссертации опубликованы 11 научных работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для публикации основных результатов диссертационного исследования на соискание ученой степени кандидата медицинских наук.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, содержит 52 таблицы и 97 рисунков (фотографии анатомических препаратов, схемы, диаграммы). Состоит из введения, обзора литературы, описания материала, объектов и методов исследования, глав собственных исследований, обсуждения полученных результатов, выводов и библиографического списка, содержащего названий на русском и 110 на иностранных языках.
Связь с планом научных исследований. Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры анатомии человека ГБОУ ВПО «Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского» Минздрава России «Изучение конструкционной изменчивости и биомеханических свойств скелетной, кровеносной систем, органов чувств. Медицинская антропология». Номер государственной регистрации 0203042330329.
Личный вклад автора в проведенное исследование. Автор самостоятельно определил идею, задачи и дизайн исследования; осуществил отбор материала в объеме, достаточном для получения статистически достоверных результатов; освоил методики. Диссертант лично провел подробный анализ фундаментальной и современной литературы по теме диссертационного исследования; выполнил морфометрическое исследование костей голени. Совместно с сотрудниками отдела биомеханики Образовательно-научного института наноструктур и биосистем Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского проведено изучение биомеханических свойств и построение 3D моделей костей голени.
Автор самостоятельно осуществил вариационно-статистическую обработку полученных данных, на основе которых сделаны достоверные и обоснованные обобщения и выводы; оформлены автореферат и диссертация.
МАТЕРИАЛ, МЕТОДЫ И ОБЪЕМ ИССЛЕДОВАНИЯ
Методом остеометрии (Алексеев В.П., 1966) определены морфометрические параметры мацерированных препаратов большой и малой берцовых костей 107 скелетов взрослых субъектов (n=428) с известными полом, возрастом, длиной тела и длиной туловища из остеологической научной коллекции фундаментального музея кафедры анатомии человека ГБОУ ВПО «Саратовский государственный медицинский университет им.В.И. Разумовского» Минздрава России. Для распределения материала по возрасту применяли возрастную периодизацию, рекомендованную VII научной конференцией по возрастной морфологии, физиологии и биохимии (Москва, 1965).
Измерены 55 морфометрических параметров большеберцовой кости и 24 – малоберцовой кости. Для измерений использованы цифровой штангенциркуль, скользящий циркуль, угломер, эластическая измерительная лента. Подсчет питательных отверстий кости выполнили с помощью прозрачной измерительной сетки с делением 1,0 мм.
Исследование механических свойств костной ткани проводили на разрывной машине TiraTest 28005 (Германия), зарегистрированной в Государственном реестре Российской Федерации под номером 23512-02, и на универсальной крутильно-разрывной машине МИ-40 КУ (Украина). Образцы костной ткани для исследования забирали с помощью полого сверла с внутренним диаметром 3 мм не позднее суток после смерти, т.е. до наступления значимых изменений морфологических характеристик костной ткани. Это условие позволяет полученные данные экстраполировать на живого человека (Соловьев В.М., 2001).
Биомеханические свойства костной ткани большеберцовой кости изучали на 5 участках: проксимальный эпифиз (I), верхняя треть диафиза (II), средняя треть диафиза (III), нижняя треть диафиза (IV) и дистальный эпифиз (V). Биомеханические свойства малоберцовой кости исследовали на уровнях: проксимальный метаэпифиз (I), диафиз (II) и дистальный метаэпифиз (III).
Из каждого сегмента изготавливали образцы размерами 310 мм, которые вырезали вдоль трех осей ортогональной системы координат i=1, 2, 3. Ось x1 этой системы ориентирована параллельно продольной оси кости;
ось x3 проходит через центры тяжести сечений всего диафиза и каждой зоны (радиальное направление); ось х2 – трансверсально и перпендикулярно осям х1 и х3 (Няшин Ю.И., Подгаец Р.М., Тютюнщикова В.Д. и соавт., 2008).
Для построения компьютерной 3D модели на основе полученной базы данных, расчета напряженно-деформированного состояния тел и конечноэлементарного анализа костей голени человека в норме и при различных переломах использованы программы Solidworks и Ansys Wоrkbench (Каменский А.В., Сальковский Ю.Е., 2005; Штамм Т., 2006).
Полученные количественные данные обрабатывали вариационностатистическими методами с применением регрессионного и корреляционного анализов с предварительной проверкой на присутствие «выскакивающих вариант» на IBM PC/AT «Pentium-IV» в среде Windows-XP с использованием пакета прикладных программ «Statistica 8.0» (StatsoftRassia, 1999) и Microsoft Exsel Windows-2000.
«