PhD. értekezés téziseinek összefoglalása A TÉRDÍZÜLET BIOMECHANIKÁJA JÁRÁS SORÁN EGÉSZSÉGES ÉS ELÜLSO KERESZTSZALAG SÉRÜLT SPORTOLÓKNÁL Knoll Zsolt Semmelweis Egyetem Doktori Iskola Semmelweis Egyetem, Testnevelési és Sporttudományi Kar Neveléstudományi (Sporttudományi) Doktori Iskola Témavezeto: Kiss Rita M., a muszaki tudomány kandidátusa Opponensek: Dr. Barabás Anikó, biológia tudomány kandidátusa Dr. Hangody László orvostudomány doktora Budapest 2003.
Elozmények Az utóbbi évtizedben az élsport eredményességének fokozása érdekében egyre nagyobb szerepet kap a mozgások biomechanikai elemzése. A mozgáselemzések célja, hogy a versenyzok a sportágspecifikus mozdulatsorokat a leheto legtökéletesebben és leggazdaságosabban hajtsák végre. A Semmelweis Egyetem Testnevelési és Sporttudományi Kar Biomechanikai Tanszékének Laboratóriumában található videós mozgáselemzorendszerrel elsosorban ebbol a célból vizsgálták a sportmozgásokat. A biomechanika és ezen belül a mozgáselemzések szélesebb köru elterjedésével felteheto az a kérdés, hogy az alapveto mozgásformákat (járás, futás) mennyire befolyásolja az edzettség, van-e különbség a szabadido-sportoló és a verseny-sportoló között. A sportolók esetleges sérülését követo legtökéletesebb és leggyorsabb rehabilitáció tudományos hátterét az interdiszciplinális alapkutatások biztosítják. Ez a lehetoség hatalmas fejlodést hozott a sportsebészetben, a rehabilitációban és a biomechanikában egyaránt. A fiatal, középkorú aktív emberek egyre gyakoribb térdízületi sérülése az elülso keresztszalag (továbbiakban LCA)-szakadás. Az LCA sérülések kezelésében a 90-es évek elejétol a konzervatív kezelést az operatív ellátás váltotta fel. Teret nyert a posztoperatív gipszrögzítés helyett, a funkcionális térdrögzítok alkalmazása is. Az artroszkópos technikák szinte mindenhol kiszorították a feltárásos technikákat. Ugyanakkor az LCA-pótlást követo rehabilitáció világszerte különbözo protokollok szerint történik. A nemzetközi gyakorlat az IKDC funkcionális vizsgálatot alkalmazza a mutét eredményességének ellenorzésére. Továbbra is fontos kérdés marad azonban, hogy az egyes sérülések után mennyire változik meg a térdízület mozgása. Erre a kérdésre járáselemzéssel adhatjuk meg a választ. A Budapesti Muszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Muszaki Mechanikai Tanszékének Biomechanikai Laboratóriumában 2000 óta hozzáférheto az ultrahangbázisú (ZEBRIS) mozgáselemzo rendszer. A rendszer, a 0, 1 mm-nél kisebb méréshiba által, alkalmas kóros mikromozgások detektálására. A mozgáselemzo apparátus a kijelölt anatómiai pontok térbeli helyzetének rögzítésével - és a felületi elektromiográf segítségével - párhuzamosan detektálja nyolc izomcsoport aktivitását. A mozgáselemzo rendszerhez tartozó feldolgozó programcsalád segítségével a kívánt biomechanikai paraméterek könnyen és viszonylag gyorsan meghatározhatók. Célkituzés Kutatás elso célja az ultrahangbázisú mozgáselemzo rendszerre egy olyan mérési módszer kidolgozása és verifikálása, amely alkalmas járás során a térdízületben létrejövo elmozdulások (mozgások) kvantitatív meghatározására. 2
A második cél a különbözo sporttevékenységek (ciklikus illetve aciklikus) hatásának vizsgálata a járás kinematikájára, valamint az alsó végtag izmainak járás közbeni aktivitására. A kutatás harmadik célja a térdízület kinematikai jellemzoinek és az alsó végtagi egyes izmok aktivitásának elemzése elülso keresztszalag-sérülést követoen. A negyedik cél az elülo keresztszalag-rekonstrukciót követo egyéves utánkövetés alatt járás közben mért kinematikai és izomaktivitási mutatók elemzése az alkalmazott íngraft és az ido függvényében illetve a mérési adatok felhasználása a rehabilitáció hatékonyságának megítélésében. Az utánkövetés idoszaka alatt az IKDC (Nemzetközi Térd Dokumentációs Társaság) térdvizsgálati módszerével meghatározott eredményeket a járásvizsgálattal meghatározott biomechanikai paraméterekkel össze kell hasonlítani. A kutatás módszere A kutatás során összesen 104 egészséges ember és 55 elülso keresztszalag-sérült járását elemeztem. Az egészséges csoport két részbol áll. Az egyikbe az egészséges szabadido-sportolók tartoznak, akik hetente legalább kétszer intenzíven edzenek. A másik csoportba a versenysportolók, a magyar vívó és az országúti kerékpáros válogatott tagjai tartoznak. Erre a felosztásra azért volt szükség, hogy a ciklikus és az aciklikus sporttevékenység hatását is elemezni lehessen. A vizsgált sérültek nagy csoportját azok a szabadido-sportoló páciensek alkotják, akiknek izolált elülso keresztszalag-sérülése mágneses rezonancia (MRI) vizsgálattal, vagy korábban diagnosztikus artroszkópiával igazolódott. Az elülso keresztszalag rekonstrukciót követo rehabilitáció utánkövetésébe 33 beteget vontam be, akik közül 21 beteg esetében ligamentum patellae graftja és 12 beteg esetében semitendinosus graft került alkalmazásra. Az alsó végtag biomechanikai modellezéséhez a zebris CMS-HS ultrahangbázisú mozgáselemzo rendszert és a hozzákapcsolódó 19-pontos biomechanikai modellt használtam. A kijelölt 4-4 izom aktivitását a rendszerhez kapcsolható felületi electromiograph-fal vizsgáltam. A járás vizsgálatokhoz futószalagot használtam, mert a méromuszerek optimálisabban helyezhetok el, több egymást követo ciklus vizsgálható, a járás sebessége beállítható, mérheto és állandó értéken tartható. 3
A mérési rendszer az alsó végtagon kijelölt 19 anatómiai pont térbeli koordinátáit és az izmok elektromos potenciálváltozás idobeni eltérését rögzíti. A fenti adatokból számítottam az ido-távolság paramétereket (lépés hossza, lépés szélessége), a térd kineamtikai jellemzoit (térd szöge, fajlagos szalagpont változás) és az EMG burkoló görbéibol az izmok aktivitási idoszakait. A rehabilitáció követéséhez a betegeket a mutétet megelozoen, majd a beavatkozás után 6 héttel, továbbá 4, 8 és 12 hónappal vizsgáltam. A térdízület funkcionalitásának objektív értékeléséhez a Nemzetközi Térd Dokumentációs Bizottság által összeállított a teljes IKDC 2000 térdvizsgálati módszert alkalmaztam. A rehabilitáció eredményességének másik módszere a kontroll idopontokban futószalagon végzett járásvizsgálat volt. Az adatok feldolgozása és statisztikai elemzése során a szórások azonosságát F- próbával ellenoriztem, míg az azonos paraméterek átlaga közötti különbség szignifikancia szintjét szimmetrikus kritikus tartomány alkalmazásával t-próbával határoztam meg. Az egészséges csoportok illetve az egészséges sportolók és a keresztszalag-sérült sportolók eredményeinek összehasonlításánál a kétmintás t-próbát alkalmaztam. A betegek utánkövetése során meghatározott paraméterek statisztikai elemzéséhez a szimmetrikus kritikus tartomány alkalmazásával - egy-mintás t-próbát használtam. Az elvégzett kutatás tézisszeru eredményei 1. A zebris CMS-HS ultrahangbázisú térbeli mozgásvizsgáló rendszer a 0,1 mm pontossága miatt alkalmas a térdízületben létrejövo néhány centiméteres elmozdulások detektálására is. A kifejlesztett 19 pontos biomechanikai modell segítségével (1. ábra) a térd mozgásai leírhatók a. Az elvégzett verifikálás során megállapítottam, hogy a mérési módszerrel meghatározott térbeli koordinátákból számított kinematikai paraméterek az irodalomban található paramétertartományba esnek. b. Megállapítottam az elvégzett verifikálás során, hogy a mérés eredményei reprodukálhatók és függetlenek az anatómiai pontok kijelölését végzo orvos személyétol és a futószalag meghajtási módjától. 4
2. A térdízület biomechanikai elemzéséhez az irodalomban ismert jellemzok közül a lépéshossz és a lépésszélesség paraméterét használtam, illetve új biomechanikai jellemzoket vezettem be. a. A biomechanikában ismert térdszög definíciója a malleolus lateralis, a caput fibulae és a trochanter major anatómiai ponthármas által meghatározott egyenesek által bezárt szög szaggitális síkra vetített vetülete. Vizsgálataimban e térdszög számítási módszerét pontosítottam, a malleolus lateralis és a caput fibulae illetve az epicondylus lateralis femoris és a trochanter major anatómiai pontok által meghatározott térbeli vektorok által bezárt szögként számítottam (2. ábra). Ennek a számítási módszernek az elonye az, hogy a vetítésbol mivel nem szögtartó leképezés a keletkezo hiba nem jelentkezik. b. A térd környezetében kijelölt négy antropometriai pont lehetové tette, hogy a térdízületnek a szalagok irányába eso elmozdulásait numerikusan modellezzem. Az elmozdulás normalizálásával a paraméter értéke nem függ a két pont közötti eredeti távolságtól, azaz a páciens méreteitol. Az új paramétert fajlagos szalagpont-változásnak neveztem el (3. ábra). Ez lehetové tette a femur és a tibia egymáshoz viszonyított mozgásának és a femur condylus transzlációs mozgásának numerikus megjelenítését, amelynek segítségével a térdízület mozgásai pontosabban modellezhetok. 3. A vizsgálati eredményekbol úgy tunik, hogy az újonnan definiált fajlagos szalagpontváltozás, amely a szalagok hosszváltozását jellemzi, független a nemtol és a lábdominanciától. Feltételezhetoen azért, mert a femur és a tibia egymáshoz viszonyított mozgása és a femur epycondylusainak transzlációs mozgása is független e paraméterektol. Ezt támasztja alá az is, hogy a transzlációs mozgást jellemzo másik paraméter a térdszög is független e paraméterektol. 4. A méréseimbol úgy tunik, hogy a sporttevékenység intenzitása lényegesen befolyásolja a járás kinematikai paramétereit. A verseny- és szabadido sportolók kinematikai paramétereinek átlaga közötti eltérés szignifikáns. Az eltérés feltételezheto oka a versenysportolók fejlettebb proprocepciója és izomzata. 5
9 18 8 z 6 16 5 4 y 13 2 3 10 XIII-XV 19 x X-XII 17 15 7 IV-VI z 14 VII-IX 12 11 x I-III 1 2 y 1.ábra A vizsgálathoz kijelölt anatómiai pontok és ultrahangadók elhelyezése az alsó végtagon: 1.malleolus medialis l.d., 2. tuber calcanei l.d., 3. malleolus lateralis l.d., 4. tuberositas tibiae l.d., 5. caput fibulae l.d., 6. epicondylus lat.femoris l.d., 7. epicondylus med. femoris l.d., 8. trochanter major l.d., 9. spina iliaca anterior superior l.d., 10. malleolus medialis l.s., 11. tuber calcanei l.s., 12. malleolus lateralis l.s., 13. tuberositas tibiae l.s., 14. caput fibulae l.s., 15. epicondylus lat. femoris l.s., 16. epicondylus med. femoris l.s., 17. trochanter major l.s. 18. spina iliaca anterior superior l.s., 19. processus spinosus vertebrae lumbalis V. I-XII ultrahang adók. 6
180-? 2. ábra A módosított térdszög (? ) definíciója epicondylus fem. lat. a) b) epicondylus fem.med. tuberositas tibiae caput fibulae epicondylus fem.lat. c) d) epicondylus fem.med. malleolus medialis caput fibulae 3. ábra A szalagpont-változás meghatározásához szükséges antropometriai pontok a) LCA, b) LCP. c) LCL d) LCM 7
5. A vizsgálataim valószínuleg igazolták, hogy a m. adductor longus izomzat járás közbeni aktivitásának két alcsoportja különböztetheto meg. Az egészséges emberek 21%-ánál - amely független a nemtol, és a sportaktivitástól - a m. adductor longus csak a lépésfázis elején (0-10%) és végén (85-97%) aktív, míg 79%-ánál a lépésfázis elején (0-10%), középén (40-70%) és végén (85-97%) aktív. A feltételezésemet az támasztja alá, hogy a két alcsoport estében a femur rotáció és a medence forgás értékei is különbözoek, azaz a járásképük is eltéro. 6. Izolált elülso keresztszalag-hiányos szabadido-sportoló térdsérülten végzett mozgásvizsgálat eredményei alapján megállapítható, hogy sérülés után lényegesen megváltozik a térdízület biomechanikája: a. A keresztszalag-sérült láb lépéshossza, lépésszélessége, a térdszög maximumának és minimumának átlagértékei kisebbek. Az eltérés oka az ízület védelme során kialakuló védekezo neuromuszkuláris kontroll, vagyis a tibia és a femur között kóros elmozdulás ne alakuljon ki. b. A fajlagos szalagpont-változás paramétereinek átlagértékei lényegesen nagyobbak, mint az egészséges embereké. Az LCA-pont változás paraméter értéke növekedett meg a legjobban. A fajlagos szalagpont-változások a szalagok irányába eso elmozdulást modellezik, így a femur és a tibia között kialakuló -elülso keresztszalaggal nem korlátozott- elmozdulások jelennek meg megnövekedett értékekben. E feltételezést támasztja alá, hogy a femur condylusainak transzlációs mozgását modellezo másik paraméter -a térdszög értékei- is jelentosen megváltoztak. c. Vizsgálataimból kitunik, hogy az elülso keresztszalag sérülés lényegesen megváltoztatja az izmok aktivitását. Ha a sérülés és a vizsgálat között eltelt ido 8 hónapnál kevesebb, akkor a m. quadriceps femoris inaktív a gördülés idején, ami a térdszög idobeni lefutásán is megmutatkozik, azaz az elso gördülés is extenzióban történik. Az elülso keresztszalag szerepét az agonista izma, a m. biceps femoris veszi át. A m. biceps femoris aktivitásának idotartama az esetek 36%-ában növekszik a gördülés és a lendíto idoszak végén, 64%-ában azonban a növekedés mellett aktívvá válik a támaszfázis végén is. Az eltérés nem magyarázható sem a páciens korával, sem sportaktivitásával és a sérülés óta eltelt idovel sem. A m. biceps femoris szerepének megnövekedését a térd 8
hajlítási tartományának csökkenése, a csípo túlmozgásával történo kompenzálás is indokolhatja. 7. Az elülso keresztszalag-rekonstrukciót követo rehabilitáció eredményességét az IKDC 2000 protokoll alapú funkcionalitás vizsgálattal, illetve járás közben végzett mozgásvizsgálattal ellenoriztem. a. A térdízület biomechanikai paramétereit elemezve a biomechanikai rehabilitációs idoszak nyolc hónapra teheto, amely kevesebb a graft szövettani beépülésének idotartamánál (10-12 hónap). b. Megállapítható, hogy a graft típusa lényegesen megváltoztatja a térdízület biomechanikai jellemzoit. A posztoperatív 6. héten és a 4. hónapban az eltérések lényegesek, a semitendinosus íngraft esetében az eredmények jobbak, amely az eltéro rehabilitációval és az izmok különbözo terhelhetoségével magyarázható. Lényeges az eltérés az izomaktivitási idoszakokban, a semitendinosus íngraft a m. adductor longus a ligamentum patellae íngraft a m. quadriceps femoris muködését gyengíti, ami egybe esik a graft kivételi helyeivel. c. A m. adductor longus támaszvégi inaktivitását a térdízületnek a rotációs mozgásokkal szembeni neuromuszkuláris védelme magyarázza. 8. A rehabilitációs idoszakban végzett IKDC térdvizsgálati módszer és a járásvizsgálat eredményeit összehasonlítottam. a. Az IKDC vizsgálattal a rehabilitációs idoszak várható ideje 4 hónap, amikor sem a fizikális, sem a szubjektív vizsgálat nem mutat lényeges eltérést az egészséges és a sérült térdízület összehasonlításában. A mindennapos mozgás a különbözo kompenzálásokkal fájdalommentes. Ezt mutatja a lépéshossz, a lépésszélesség és a térdszög szélso értékek is, mivel az összes izom a megfelelo idopontokban aktivitást mutat. b. A sportba való visszatérés nem engedélyezheto csak az IKDC vizsgálat eredményei alapján, ennek eldöntésére pontosabb biomechanikai vizsgálatokra van szükség, mivel csak a fajlagos szalagpont-változás illetve az izmok aktivitásának vizsgálatával követheto pontosan a rekonstruált szalag állapota. A beültetett graft szövettani érésének folyamata ezt a rehabilitációs idot tovább módosíthatja. 9