Különbség az izomgyengeség és az elhízás hatásában a térdízület stabilitása szempontjából

Haruhiko Sato

Fizikoterápiás osztály, Egészségtudományi Intézet, Orvostudományi Kar, Hirosimai Egyetem

Paul D. Andrew

Fizikoterápiás osztály, Egészségtudományi Intézet, Orvostudományi Kar, Hirosimai Egyetem

Absztrakt

Ez a kutatás azt a kérdést vizsgálja, hogy melyik rosszabb a térdízület számára: növekvő testtömeg vagy csökkenő izomerő. Szimuláltuk az egyoldalú súlyterhelést és elemeztük, hogy mindegyiknek milyen mértékben volt káros hatása a térdízületre. Merev testmodellt alkalmaztunk, amelyben a testtömeg növekedett és a quadriceps izomereje csökkent. A férfiak és a nők közötti különbségek figyelembevétele érdekében a modell a kismedence szélességében mutatott különbséget tükrözte. Ebben a szimulációban az izomerő kezdeti normálértékének 30% -kal történő csökkentése erőteljesebb kedvezőtlen hatást gyakorolt, mint a testtömeg ugyanolyan relatív mértékben történő növelése. A férfiak és a nők közötti testarány-különbségek hatása nem befolyásolta érezhetően az eredményeket, mindaddig, amíg a tömeg és a lineáris dimenzió az egyes nemek átlagos értéke. Eredményeink azt sugallják, hogy a térdében osteoarthritisben szenvedő betegnek különös figyelmet kell fordítania az izomgyengeség problémáira.

Az izomgyengeség és az elhízás olyan tényezőknek tekinthetők, amelyek felgyorsíthatják az osteoarthritis progresszióját a térdben 1–5). Ezeket az osteoarthritis betegek 6,7) látják, így az izomerősítő gyakorlatok vagy a súlycsökkentés gyakran az ilyen beteg kezelési programjának részét képezik 1,3). Számos kutató kimutatta, hogy az izomerősítő gyakorlatok hatékonyak lehetnek a fájdalom csökkentésében és a funkcionális aktivitás növelésében osteoarthritises betegeknél (8–10). Az elhízást Kohatsu et al. 6), 3,5-5,3-szor nagyobb valószínűséggel szenvednek osteoarthritisben szenvedő betegeknél, mint egy hasonló kontrollcsoportban. Felson és mtsai. 11) kimutatta, hogy a nők súlycsökkenése az esetek mintegy 50% -ában csökkentette a térd osteoarthritisének későbbi kialakulásának kockázatát a Framingham térd osteoarthritis vizsgálatban.

Noha a túlzott testtömeg és a nem megfelelő izomerő hatásait a térd osteoarthritisének kockázati tényezőként állapították meg, ezek összehasonlító biomechanikai hatása a térdre nem ismert. Ha az osteoarthritis progressziójára gyakorolt hatást kvantitatív módon össze lehet hasonlítani az izomerő és a testtömeg változásai között, a gyógytornász pontosabban felállíthat egy megfelelő kezelési programot a térd osteoarthritisében szenvedő beteg számára.

A tanulmány célja annak tisztázása volt, hogy melyik mechanikailag károsabb hatással van a térdízületre, izomgyengeségre vagy elhízásra. Ezt biomechanikai szimulációval elemeztük merev testmodell segítségével. Burstein és Wright (12) a frontális síkban a stabilitás mechanizmusát írták le, amelynek során a térdízület egy pontja meghatározza az izomerők és a talaj reakcióerejének egyensúlyát. Azt állítják, hogy ez az egyensúlyi pont a térd mediális rekeszében található. Ha az egyensúlyi pont mediálisan elmozdul, túl a térdízület határain, a térd hajlamos lesz a varusba kerülni, és ezért az oldalsó kollaterális szalag feszültségének hozzáadásával egyensúlyba kell hozni.

Ennek az elképzelésnek megfelelően hasonlítottuk össze, hogy az izomfeszültség csökkentése és a testtömeg növelése miért okozta a térd egyensúlyi pontjának mediális elmozdulását. A férfiak és a nők közötti különbségek figyelembevétele érdekében a modell a kismedence szélességében mutatott különbséget tükrözte.

Mód

Analitikai modell

A térdízület reakciójának kiszámításához álló helyzetben képeket importáltunk egy személyi számítógépbe (Power Macintosh), amelyek a frontális és a sagittális síkban voltak nézetek. A képet négy szegmensből álló merev testmodellekké alakították át: a fej, a törzs, beleértve a karokat, a comb, és a szár, beleértve a lábat is (1. ábra). A kapcsolathatárok és az olyan testparaméterek, mint a szegmens súlya és a tömegközéppont, egy tankönyv információin alapultak 13). A frontális síkban lévő analitikai modell esetében a medence szélessége (D a 2. ábrán) nem volt egyértelmű, ezért ezt az értéket magunknak kellett levezetnünk, amelyet a következő szakaszban kell elmagyarázni. E vizsgálat céljából feltételeztük, hogy a medence szélessége vízszintes. Az analitikai modell különféle szögviszonyokat tartalmazott, amint az a. Az 1A. És a 2., 2. ábra mind a hosszú, mind a rövid szakaszokra megfelelő lenne. Mivel a hétköznapi funkciókra összpontosítottunk, amelyek megkövetelték a quadriceps aktivitását, az elemzett testtartás nem tűnt stabil egylábúnak.

A térdízület nyomatékának kiszámításának alapja a szagittális síkban. V: Egylábas testtartás. B: Merev karosszéria modell. a tömegközéppontot jelöli. C: Számítási modell. G a kombinált testrészek tömegközéppontját jelenti, kivéve a súlyt hordozó lábat és szárat. W a teljes testtömeget jelenti, kivéve a súlyt viselő lábat és szárat. L1 a merőleges vonal hossza a térdízület és a gravitációs vonal között.

A frontális síkban álló egyetlen láb beállítása. D a combfejek közötti távolságot jelöli.

A szimulációs modell arányai 50 éves japán emberek arányainak adatain alapultak 14). A férfiaknál a magasság 166 cm, a súly pedig 65 kg; nőknél a magasság 154 cm, a súly pedig 53 kg volt. Ezen információk felhasználásával kiszámították a test tömegközéppontját, kivéve a súlyt hordozó lábat és szárat. Az L1-et úgy határoztuk meg, hogy megmérettük a térdízület és a szagittális síkban lévő gravitációs vonallal merőleges metszéspont közötti vonal hosszát. Az L2-t (3. ábra) ugyanúgy mértük a frontális síkban. Gravitációs vonal alatt egy függőleges vonalat értünk, amely áthalad a tömegközépponton, az 1. táblázatban W-re definiálva .

A frontális síkban az izomerő kiszámításának alapja. L2 a gravitációs vonal és az izomerő vonal közötti hossz. Fq a quadriceps és Fh a combhajlító erő.

Asztal 1

a	Pillanatkar a quadriceps számára (50 mm)
b	Pillanatkar a combizmokhoz (30 mm)
D	A combfejek közötti távolság (mm)
L1	A térdízület és a gravitációs vonal közötti merőleges vonal hossza szagittális síkban (mm)
L2	A térdízület és a gravitációs vonal közötti merőleges vonal hossza az elülső síkban (mm)
BP	Az egyensúlyi pont és a térdízület hossza sagittalis síkban (mm)
Fq	Négyfejű erő (N)
Fh	Feszítő erő (N)
W	Teljes testtömeg, kivéve a súlyt viselő lábat és lábat (N)

Medence szélessége

A medence szélességét normál kismedencei röntgenfelvételek alapján értékeltük. A combfejek közepe közötti hosszúságot 7 férfi és 15 nő röntgenfelvételén mértük. Az átlagos életkor és a szórás a férfiaknál 41,6 ± 23,0, a nőknél 49,7 ± 26,6 volt. Ezen adatok alapján egyszerű regressziót használtunk a magasság és a medence szélessége között, hogy egyenletet kapjunk a medence szélességének becsléséhez. Becslések szerint a hím és a nő medence szélessége tükrözi a nemek közötti aránybeli különbségeket.

Numerikus eljárás

A térdízület pillanatát a testsúly miatt statikus körülmények között számoltuk. Az egyensúly a szagittális síkban (4. ábra) ekkor kifejezhető

ahol egy a pillanat karja a quadriceps számára, és a b a pillanat karja a combizmoknak. Az a és b pillanat karokat egy csontváz mintán végzett méréssel határoztuk meg. A mérés pontossága érdekében az izomvonalat színes szalaggal jelöltük meg. Az ízületi központ a combcsont laterális kondillusának konvexitásából származott az ízületi központ régiójában. a a merőleges vonal hossza az ízület középpontjától a négyfejű izom erővonaláig. b a merőleges vonal hossza az ízület középpontjától a combhajlító izom erővonaláig.

Az a) quadriceps izmok és a b) combhajlító izmok pillanatnyi karjai. Az ízületi centrum a combcsont laterális kondillusának konvexitásából származik az ízületi érintkezés régiójában.

A frontális síkban a térd reakcióerejét mechanikus támaszpontként határoztuk meg (3. ábra). A frontális sík egyensúlya ekkor kifejezhető

Így három ismeretlen paraméterünk volt (Fq, Fh, BP), de csak két egyenletünk volt. Mivel ez statikusan meghatározhatatlan probléma volt, csökkentenünk kellett az ismeretlen paraméterek számát, ezért a BP paramétert kezdeti normál feltételként állítottuk be. Úgy döntöttünk, hogy ésszerű értékként 15 mm-re állítjuk be, miután különböző értékeket kipróbáltunk. Ezzel a BP értékkel kiszámolhatnánk a négyfejű erőt (Fq) és a combhajlító erőt (Fh). Először normál körülmények között végeztük a számításokat. Ezután szimuláltunk egy helyzetet a csökkent quadriceps izomerővel, valamint a megnövekedett testtömegű helyzetet. Amikor a négyfejű izom erejét vagy testtömegét megváltoztatták, a combizom erőt az 1. egyenlettel számoltuk ki, és az egyensúlyi pontot (BP) a 2. egyenlettel határoztuk meg.

Az egyensúlyi pont azt a pontot jelentette, ahol a nyomó reakcióerő (a függőleges ízületi reakcióerő) a térdízületben hatott. Ennek a nyomóerõnek a nagysága a négyfejû erõ vertikális összetevõjének (Fq cos 25 °), a combhajlító erõ (Fh cos 5 °) és a testtömeg (W) összegének felel meg.

Eredmények

A négyfejű erők csökkenése erőteljesebbnek tűnt a térdízület stabilitásának megzavarásában, mint a testtömeg növelése. Ez a következő elemzésen alapul.

Az 5. ábra a medence szélességét (mm) mutatja. A regresszióanalízis 0,166 × (magasság mm-ben) - 80,55 a férfiaknál és 0,185 × (magasság mm-ben) - 84,3 nőt eredményezett. A kapcsolódó korrelációs együtthatók a férfiaknál 0,70, a nőknél 0,78 voltak.

A testmagasság és a medence szélessége közötti összefüggés. A férfiaknál 0,70, a nőknél 0,78 volt az összefüggés.

A csontváz mintán mért pillanatnyi karok 5 cm voltak a négyfejű lábaknál (a) és 3 cm a combizmoknál (b).

A 6. ábra szemlélteti, hogyan mozgott a reakcióerő egyensúlyi pontja mediálisan a négyfejű erő csökkenésével. Amikor a szimulációban az izomerő 30% -kal csökkent a kezdeti normál állapothoz képest, az egyensúlyi pont mediálisan 2,6 cm-rel elmozdult (6-C ábra).

A quadriceps erő csökkenő hatása egy női modellben. V: Normál állapot. B: a quadriceps erő 15% -os csökkenése. C: a quadriceps erő 30% -os csökkenése.

Amikor a testtömeg növekedett a szimuláció során, a reakcióerő pontja ismét mediálisan mozgott, de hatása kisebb volt, mint amikor az izomerő ekvivalens mértékben csökkent a kezdeti állapothoz képest (7. ábra). Ha például a testtömeg 30% -kal nőtt, az egyensúlyi pont 2,0 cm-rel elmozdult. Ahhoz, hogy az egyensúlyi pont migrációjára ugyanolyan hatást érjünk el, mint az izomerő 30% -os csökkenésével, a testtömegnek 75% -kal kell növekednie.

A növekvő testtömeg és a quadriceps erő csökkenésének relatív hatása férfiaknál és nőknél. ● ○: a quadriceps erő csökkent, ■ □: nőtt a testtömeg; ● ■: férfiak, ○ □: nők.

A 7. ábra azt mutatja, hogy a férfiak és a nők nem mutattak nyilvánvaló különbségeket a négyfejű erők csökkenésének vagy a testtömeg növekedésének hatásában. Az egyensúlyi pont mediálisan körülbelül 3,2 mm-rel elmozdulna, ha egy férfi quadricepsz normális értékét a nő medencéjének regressziós egyenletével kombinálva alkalmaznánk (az adatokat nem közöljük).

Vita

Ebben a szimulációban a csökkenő izomerő erősebb kedvezőtlen hatást gyakorolt a térdízület stabilitására, mint a növekvő testtömeg. Amikor az izomerő a kezdeti normális állapothoz képest 30% -kal csökkent, az egyensúlyi pont szinte a mediális rekesz széléig tolódott. Az izomerő 30% -os csökkenése klinikailag reális. Murray és mtsai. 15, 16) kimutatták, hogy a térd izomereje 30% -kal alacsonyabb volt időseknél, mint fiataloknál. Ahhoz, hogy a testtömeg növelésével a térdre ugyanolyan hatást érjünk el, 75% -os növekedésre lenne szükség. Például egy 60 kg-os személynek a testsúlyát 105 kg-ra kell növelnie. Nyilvánvaló, hogy a térd osteoarthritisében szenvedő betegeknek jobban kell aggódniuk az izomerő fenntartása, mint a testtömeg csökkentése tekintetében, amennyiben a térd.

Ezt a szimulációt támasztják alá Miller et al. 17), aki a térd degeneratív ízületi gyulladásában szenvedő betegek klinikai és roentgenográfiai eredményeinek kapcsolatát értékelte. Beszámoltak arról, hogy a térdízület mediális instabilitása a csökkent quadriceps feszültséggel volt összefüggésben, de a testtömeg nem volt szignifikánsan összefüggésben a roentgenográfiai változások súlyosságával. Ezek az eredmények arra utalnak, hogy egyszerű szimulációs modellünk praktikus lehet.

Szimulációs modellünk nem tükrözi túl részletesen az osteoarthritis betegek valós állapotát. A modell egyszerű volt, hogy összehasonlítsa az izomerő csökkenésének és a testtömeg növekedésének látszólagos hatásait. Eredményeink egyik következménye, hogy a térd egyensúlyi pontja nem mozoghat mediálisan nagyon messze a testszegmens, például a fej vagy a medence helyzetének megváltoztatásával. Ez élesen ellentétes a négyfejű erők veszteségének hatásával. A térdben szenvedő osteoarthritisben szenvedő betegnek ezért komoly figyelmet kell fordítania az izomgyengeség problémáira.

A férfiak és a nők közötti testarány-különbségek hatása nem befolyásolta érezhetően az eredményeket, mindaddig, amíg a tömeg és a lineáris dimenzió az egyes nemek átlagos értéke. Ha azonban a nőstény regresszióját egy férfival együtt alkalmazzuk, az egyensúlyi pont elmozdulna, hogy a térd kevésbé stabil legyen. Ez természetesen azt jelzi, hogy a túl széles medence a térd stabilitásának kockázati tényezője lehet. Az, hogy a szélesebb medence nem befolyásolta kedvezőtlenül a térd stabilitását a nőknél, az a kisebb magasság és súly méreteknek tulajdonítható.

Következtetés

Összehasonlítottuk az izomgyengeség és a növekvő testtömeg hatását a merev testmodell segítségével végzett szimuláció segítségével a súlyt viselő térd statikus stabilitására egyoldalú állás közben. Ebben a szimulációban a csökkenő izomerő erősebb kedvezőtlen hatást gyakorolt a térdízület stabilitására, mint a növekvő testtömeg. Nemcsak a térd osteoarthritisében szenvedő betegeknek, hanem fizikoterapeutáiknak is jobban kell aggódniuk az izomerő fenntartása, mint a testsúly csökkentése miatt.