A MEDICaMENTOR Alapítvány 1, az MTA-BME Vasbeton Támogatott Kutatócsoport 2 és a BME Mûszaki Mechanikai Tanszék, Biomechanikai Laboratórium 3 közleménye Teljes és izolált LCA szakadásos térd biomechanikájának vizsgálata ultrahangos mozgásérzékelõvel * DR. KNOLL ZSOLT 1, DR. KISS RITA 2, DR. KOCSIS LÁSZLÓ 3 Érkezett: 2001. október 9. ÖSSZEFOGLALÁS A szerzõk mechanikus futópadon, zebris CMS-HS ultrahangos mozgásanalizáló rendszerrel olyan betegek járási paramétereit vizsgálták, akiknek teljes és izolált, inveterált LCA szakadását MRI vizsgálattal vagy korábbi artroszkópos mûtét során igazolták. A vizsgálatokat az alsó végtagokra, illetve a csípõre felhelyezett ultrahangadókkal végezték. Meghatározták, illetve összehasonlították azokat a térdpontokat, amelyek egymáshoz viszonyított elmozdulásai és a tér mindhárom irányú vetületei (LCA-pontváltozás) a legplasztikusabban írják le a térd kóros elmozdulásait teljes LCA sérülést követõen. A térd szögének idõbeni változása és az LCA-pontváltozás paramétereinek együttes elemzésével a keresztszalag-szakadásos térd kinematikája leírható. Kulcsszavak: Biomechanika; Járás; Analízis, számítógéppel vezérelt; Térdsérülés Fiziopatológia; Keresztszalag Fiziopatológia; Mozgástartomány, ízületi Fiziológia; Zs. Knoll, R. Kiss, L. Kocsis: Biomechanical examination of isolated and full LCA tear with using ultrasonographic detection The authors analysed walking parameters of patients with isolated LCA tear proven either by MRI or by arthroscopy on walking pad with using zebris CMS-MS ultrasonographic detection. Ultrasound bleeps were put on hips and on lower extremities. Fix points were determined and their changing coordinates were compared in three dimension during walking, being characterised to abnormal motion in the case of isolated LCA tear. The knee kinematics with cruciate tear could be described with evaluating the changing knee angle in time and with evaluating changing coordinates in three dimensions. Key words: Biomechanics; Walking Physiology; Gait Physiology; Numerical analysis, computer-assisted; Knee injuries Physiopathology; Anterior cruciate ligament Physiopathology; Range of motion, articular Physiology; BEVEZETÉS Az elülsõ keresztszalag-szakadásos térd biomechanikai, és ezen belül kinematikai vizsgálata az utóbbi évtizedekben egyre jobban a biomechanikai kutatások középpontjába került. A fiatal és középkorú sérültek számának hirtelen emelkedése, illetve a sérülés után kialakuló degeneratív elváltozások elkerülésére a mûtéti kezelés és a rehabilitáció eredményesebbé tételére kell törekedni. Az új, biomechanikai alapokon nyugvó vizsgáló eljárások és a hagyományos módszerek együttes használatával a térd mozgásait és az eközben fellépõ erõket figyelembe véve, a sérülések mechanizmusa komplexen leírható. * A kutatást a T 034150 tematikus OTKA pályázat, a MEDICaMENTOR Alapítvány és a MTA-BME Vasbeton Támogatott Kutatócsoport támogatja. Kiss Rita kutatását részben a 416 sz. Széchényi István Ösztöndíj fedezi. Magyar Traumatológia, Ortopédia, Kézsebészet, Plasztikai Sebészet F 2002. 45. 3. 201
Fu kutatásai alapján megállapítható, hogy az elülsõ keresztszalag a sípcsont nagy arányú elõre-hátramozgását a combcsonthoz képest megakadályozza (7). A terhelt térd teljes nyújtott állapotában az elülsõ keresztszalag a térd szalagjaiban keletkezõ húzóerõ 75-80%-kát viseli, míg teljes hajlított állapotában csak 10-15%-ot. Az elülsõ keresztszalagnak kiemelt szerepe van a térd rotációs mozgása során keletkezõ igénybevételek felvételében. Hasonló megállapításokra jutott Beyonnan is, aki egészséges elülsõ keresztszalagokban keletkezõ nyúlásokat vizsgált in-vivo (artroszkópos módszerrel nyúlásmérõ bélyegeket helyezett az elülsõ keresztszalagokra) (5). Kinzel és munkatársai (9, 10) által kifejlesztett csuklós szerkezet alkalmas cadaver térden tüskékkel kijelölt anatómiai pontok elmozdulásának mérésére abban az esetben, ha a rögzített femurhoz képest a tibia mozog. Merev testek mozgásának, amivel a tibia mozgása is modellezhetõ, szabadságfoka hat, mivel 3 irányú elmozdulást (antero-posterior A - P, mediolateral M - L, proximal-distal P - D) és 3 irányú elfordulást (flexio-extensio F - E, be-kirotáció I - E, valgus-varus V - V) képes végezni. A speciálisan kialakított szerkezet alkalmas a merev test (tibia) 6 szabadságfokú mozgásának modellezésére. Lewis és munkatársai (16) illetve Hefzy és Grood (8) cadaver térden végzett méréseinek a szórása elmozdulás esetén 0.4-1.9 mm elforduláskor 0.4-2.3 fok volt. A sztereoradiográf és videós járásvizsgálatoknál az összes fontos anatómia pont három szabadságfokú elmozdulásainak mérése technikailag megoldhatatlan, ezért Kirstukas és munkatársai (11, 12) cadaver térden határozták meg az epicondylus lat. femoris A-P irányú elmozdulását, illetve F-E irányú elfordulását, caput fibulae esetén az I-E irányú elfordulást, míg tuberositas tibiae esetén az M L irányú elmozdulást, illetve az I-E és F-E irányú elfordulást. A nemzetközi irodalomban ismert az elülsõ keresztszalag-szakadásos térd járás közbeni sztereofotogrammetriás (14), akusztikus (18), robotvezérléses (6) és videótechnikával történõ biomechanikai elemzése (1, 2, 3, 4, 15). A vizsgálatok során a caput fibulae és az epicondylus lat. femoris egymáshoz viszonyított elõre-hátramozgását valamint a tibia és a femur kezdeti érintõje által bezárt szög idõbeni alakulását vizsgálták. Elektromiográffal a quadriceps és a Hamstring izmok aktivitását mérték. Kutatások alapján megállapítható, hogy a haladási irányban az elülsõ keresztszalag-szakadásos térd caput fibulae pont epicondylus lat. femorishoz viszonyítva, kb. 50%-kal nagyobbat mozdul el az egészséges térdhez képest (1). A térd hajlítási szög tartománya - keresztszalag-sérülés után - 5-10 fokkal kisebb (3, 4), valamint a m.im.qvadr.im.fem aktivitása lényegesen csökken (2, 3, 15). Markolf és munkatársai (17) speciálisan kifejlesztett mérõmûszerével megállapították, hogy az elülsõ keresztszalag hiánya esetén a térd stabilitása akár 50%-kal is csökkenhet. Kutatásunk célja, hogy ultrahangos mérõmûszer segítségével összehasonlítsuk a futószalagon történõ, azonos sebességû járáskor, az egészséges és az LCA szakadásos térd legfontosabb kinematikai jellemzõit. MÓDSZER Az alsó végtag biomechanikai modellezését a Budapesti Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Mûszaki Mechanikai Tanszék Biomechanikai Laboratóriumában található zebris CMS-HS ultrahangos mozgásérzékelõ és hozzá kapcsolódó mozgáselemzõ szoftver segítségével végeztük. Az izmok összehúzódásából keletkezõ elmozdulások kivédése miatt polisztirol,,övre szerelt mini ultrahang-adókat a vizsgálandó személy lábszárára, combjára és medencéjére 202 Magyar Traumatológia, Ortopédia, Kézsebészet, Plasztikai Sebészet F 2002. 45. 3.
helyeztük fel. A vizsgált személy mögött található vevõ segítségével a mozgásérzékelõ az ultrahang terjedési idejét méri. A mérés megkezdése elõtt az egyes test-szegmentekre (comb, lábszár) helyezett adókhoz speciális ultrahangos jelölõ ceruza segítségével anatómiai pontokat rendelünk, melyek kijelölésénél feltételezzük, hogy az alsó végtag szegmentjei (comb, lábszár) merevek és a mozgások csak az ízületekben jöhetnek létre. A lábszárra helyezett ultrahang-adóhoz (1. ábra I-III illetve VII-IX jelû adó), a malleolus medialis és lateralis, tuber calcanei, tuberositas tibiae, caput fibulae, a combra helyezett adóhoz (1. ábra IV-VI illetve X-XII jelû adó) az epicondylus lat. et med. femoris, trochanter major anatómiai pontokat rendeltük. A medencére helyezett adóhoz (1. ábra XIII-XV jelû adó) spina iliaca anterior l.s. és l.d illetve a processus spinosus vertebrae lumbalis V. pontot rendeltük. A mûszer által rögzített ultrahang terjedési idejébõl a feldolgozó program segítségével az adók illetve a kijelölt anatómiai pontok térbeli koordinátái meghatározhatók (13). A járás mechanikus, 15 fokos lejtésben, 2 km/h sebességgel hajtott futószalagon, felfelé menetben történt. Rögzített koordinátarendszerünk: x haladási irány, y az x irányra merõleges oldalirány és z a vertikális tengely (1. ábra). A térd szöge a malleolus lateralis és a caput fibulae illetve epicondylus lat. femoris és a trochanter major anatómiai pontok által meghatározott egyenesek által bezárt szög, amelynek idõbeni változását egészséges és keresztszalagszakadásos térd esetén a 2. ábrán ábrázoltunk. A térdszög idõbeni változásából a járás fázisai detektálhatóak. A nemzetközi irodalomban már elfogadott eljárás a térdpontok AP mozgásának meghatározása (1). A caput fibulae és az epicondylus lat. femoris egymáshoz viszonyított, a haladási iránnyal párhuzamos (x irányú elõre-hátra) elmozdulásának megállapítása. A térdpontok AP mozgásai nem utalnak egyértelmûen LCA sérülésre. 1. ábra A vizsgálathoz kijelölt anatómiai pontok és ultrahang-adók 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. Magyar Traumatológia, Ortopédia, Kézsebészet, Plasztikai Sebészet F 2002. 45. 3. 203
2. ábra A térd szögének idõbeni változása egészséges és elülsõ keresztszalag-szakadásos térd esetén. 3. ábra Az LCA-pontváltozást meghatározó anatómiai pontok. Vizsgálatainkban ennek továbbfejlesztéseként és pontosításaként, az LCA lefutásának megfelelõen, az LCA pontok epicondylus lat. femoris és a tuberositas tibiae (3. ábra) egymáshoz viszonyított elmozdulásának mindhárom irányú vetületét határoztuk meg és ezt LCApontváltozásnak neveztük. Eredményeinket az egészséges ellenoldali végtagok, illetve az egészséges egyének paramétereivel vetettük össze. ANYAG 11 (7 férfi és 4 nõ) közepes sportaktivitású, 34.7 (±3,1) átlagéletkorú ember térdmozgását elemeztük a fent leírt módszerrel. A személyek átlagos testmagassága 173,9 (±8,7) cm, átlagos testtömege 78,1 (±20,2) kg. A vizsgálatba bevont betegeinknél az egyik térd LCA izolált, inveterált szakadását artroszkópiával vagy MRI-vizsgálattal diagnosztizálták, illetve a térd instabilitása klinikailag igazolható volt. A másik térd minden esetben egészséges volt. MEGBESZÉLÉS Kutatásunk során mindig ugyanazon ember egészséges és elülsõ keresztszalag szakadásos térdének jellemzõit hasonlítottuk össze. A kijelölt anatómiai pontok mérés során megállapított koordinátáiból a járás alapvetõ biomechanikai jellemzõi (lépéshossza, lépésszélessége, támasztó, illetve lendítõ fázis hossza) számíthatók. A mérési eredményekbõl számított értékekbõl megállapítható, hogy a domináns láb szerepét mindig az egészséges láb veszi át, és a domináns láb lépés hossza 12-45%-kal, lépés szélessége 3 48%-kal nagyobb, mint a sérült végtagé. Az elülsõ keresztszalag sérült láb esetén a támasztó fázis idõtartama 8-27%-kal hosszabb, a lendítõ fázis idõtartama 5-15%-kal rövidebb az egészségeshez képest. A járás modellezésének fontos kérdése a térd szögének idõbeni változása. Egészséges térd esetén a térd szögének idõbeni változásából a lépés fázisai könnyen megállapíthatóak és bizonyos fázisokhoz jellegzetes pontok tartoznak (13) (4. ábra). Egészséges térd esetén a sarokütés (sü) elõtt a térd szögének helyi minimuma van, az elsõ gördülés (eg) ideje alatt a térd szöge növekszik, helyi maximumát akkor éri el, amikor a teljes talp rásimul a talajra, míg a második gördülés (mg) szakaszában a térd extendál, azaz a térd szöge csökken, abszolút minimuma a sarok felemelése (se) pillanatának környékén ala- 204 Magyar Traumatológia, Ortopédia, Kézsebészet, Plasztikai Sebészet F 2002. 45. 3.
kul ki. A sarokfelemeléstõl kezdõdõen a térd szöge növekszik, a lábujjhegynek a talajtól való elszakadása pillanatában a térd maximum hajlítási szögének közel a felét éri el, a hajlítási maximum értéke a lengõ fázis közepén alakul ki. Az elülsõ keresztszalag-szakadásos térd esetén az elsõ gördülés alatti flexió eltûnik, az elsõ és a második gördülés extenzióban történik, és az elsõ gördülés ideje 15 25%-kal rövidebb, a második gördülés ideje 25 35%-kal hosszabb az egészséges térdhez viszonyítva. A LCA szakadásos térd esetében a sarok felemelésének pillanatában kialakuló térd szöghajlítási minimum értéke 5-34%-kal, a lengõ fázis közepén kialakuló hajlítási maximum érték 2-20%-kal kisebb, mint az egészséges térdé. Összegezve megállapítható, hogy az elülsõ keresztszalag szakadásos térd szögének idõbeni változása jellegzetesen eltér az egészséges térdétõl. Az elülsõ keresztszalag szakadása esetén a térd mozgásait pontosabban modellezi az LCA-pontváltozása. Vizsgálataink során az LCA-pontváltozás mindhárom térbeli vetületét is meghatároztuk. Az elülsõ keresztszalag-szakadásos térd (5. ábra) a térdpont változásának x irányú vetülete 13-67%-kal (3-43 mm) nagyobb, y irányú vetülete 4-63%-kal (0,5-17 mm) nagyobb, z irányú vetülete 1-64%-kal (1-19 mm) nagyobb az egészséges térd esetén meghatározott értékekkel összevetve. A kijelölt két pont közötti elmozdulás egészséges térdhez viszonyítva 3-293%-kal (3-23 mm) nagyobb LCA sérült térd esetén. Az elülsõ keresztszalag-szakadásos térd tehát jóval nagyobb elmozdulásokat végez, mint a sérülésmentes térd. Az elvégzett vizsgálataink bizonyították, hogy az anatómiai pontok által meghatározott egyenesek szögének (térd szög) idõbeni változása és az újonnan definiált LCA-pontváltozás nagysága együttesen modellezi a térd kinematikáját, mivel az egészséges és elülsõ keresztszalag-szakadásos térd esetén ezek az értékek lényegesen eltérnek egymástól. 4. ábra Egy lépésciklus alatt a térd szögének változása a lépés fázisainak bejelölésével. sü: sarokütés, eg: elsõ gördülés, tt: teljes talp rásimul a földre, mg: második gördülés, se: sarok felemelkedése, lf: lábujjhegynek a talajtól való elszakadásának a pillanata, tf: támaszfázis, lef: lengõ fázis 5. ábra Az LCA-pont változás értékei egészséges és elülsõ keresztszalag szakadásos térdnél. Magyar Traumatológia, Ortopédia, Kézsebészet, Plasztikai Sebészet F 2002. 45. 3. 205
IRODALOM 1. Andriacchi T. P., Alexander E. J.: Studies of human locomotion: past, present and future, J. Biomech. 2000. 33: 1217-1224. 2. Andriacchi T. P., Birac D.: Functional testing in the anterior cruciate ligament-deficient knee. Clin. Orthop. 1993. 288: 40-47. 3. Andriacchi T. P., Hurwitz D., Bush J. C., Bach B.: Clinical implications of functional adaptations in patients with ACL deficient knees. Sportorthopädie, Sporttraumatologie, 1997. 13: 153-160. 4. Berchuck M., Andriacchi T. P., Bach B. R., Reider B. R.: Gait adaptations by patients who have a deficient ACL. J. Bone Joint Surg. 1990. 72-A: 871-877. 5. Beyonnan B., Howe J. G., Pope M. H.: The measurements of anterior cruciate ligament strain in vivo. Int. Orthop. 1992. 16: 1-12. 6. Fujie H., Mabuchi K., Woo S. L., Livesay G. A., Arai S., Tsukamoto Y.: The use of robotics technology to study human joint kinematics: a new methodology. J. Biomech. Eng. 1993. 115: 211-217. 7. Fu F. H., Harner C. D., Johson D. L.: Biomechanics of the knee ligaments. Basic concepts and clinical application. Instr. Course Lect. 1994. 42: 137-148. 8. Hefzy M. S., Grood E. S.: Sensivity of insertion locations on length patterns of anterior cruciate ligament fibers. J. Biomech. Eng. 1986. 108: 73-82. 9. Kinzel G. L., Hall A. S. Jr., Hillbery B. M.: Measurement of the total motion between two body segments. I. Analytical development. J. Biomech. 1972. 5: 93-105. 10. Kinzel G. L., Hillbery B. M., Hall A. S. Jr., Van Sickle D. C., Harvey W. M.: Measurement of the total motion between two body segments. II. Description of application. J. Biomech. 1972. 5: 283-293. 11. Kirstukas S. J., Lewis J. L., Erdmann A. G.: 6R instrumented spatial linkages for anatomical joint motion measurement. I. Design. J. Biomech. Eng. 1992. 114: 92-100. 12. Kirstukas S. J., Lewis J. L., Erdmann A. G.: 6R instrumented spatial linkages for anatomical joint motion measurement. II. Calibration. J. Biomech. Eng. 1992. 114: 101-110. 13. Knoll Zs, Kiss R., Kocsis L.: A normál járás biomechanikai elemzése ultrahangos mozgásérzékelõvel. Magyar Traumatológia Ortopédia Kézsebészet Plasztikai Sebészet, 2002. 45: 194-200. 14. de Lange A., Huskies R., Krauer J. M. G.: Measurement errors in roentgen-stereophotogrammetric join-motion analysis. J. Biomech. 1999. 23: 259-269. 15. Li G., Rudy T. W., Sakane M., Kanamori A., Ma C. B., Woo S. L. Y.: The importance of quadriceps and hamstring muscle loading on knee kinematics and in-situ forces in the ACL. J. Biomech. 1999. 32: 395-400. 16. Lewis J. L., Lew W. D., Schmidt J.: Description and evaluation of an in vitro knee joint testing system. J. Biomech. Eng. 1988. 110: 238-248. 17. Markholf K. L., Graff-Radford A., Amstutz H. C.: In vivo knee stability. A quantitative assessment using an instrumentes clinical testing apparatus. J. Bone Joint Surg. 1978. 60-A: 664-674. 18. Qiunn T. P., Mote C. D.: A six-degree-of-freedom acoustic tranducer for rotation and translation measurement across the knee. J. Biomech. Eng. 1990. 12: 371-378. Dr. Knoll Zsolt 1021 Budapest, Pálos u. 3. 206 Magyar Traumatológia, Ortopédia, Kézsebészet, Plasztikai Sebészet F 2002. 45. 3.