Асимметрия области предплечья у правшей юношеского возраста: анализ методом геометрической морфометрии

doi:

ORIGINAL ARTICLE doi:

Исследование асимметрии верхних конечностей человека остается одной из центральных тем современной антропологии, биомеханики и спортивной науки, поскольку сочетает в себе морфологические, функциональные и адаптационные аспекты ответа опорно-двигательного аппарата на односторонние нагрузки. Билатеральная асимметрия длинных костей и мягких тканей рассматривается как следствие взаимодействия генетически детерминированных особенностей строения и функциональной специализации верхних конечностей, прежде всего, доминантной руки. В ряде исследований показано, что наибольшие значения направленной асимметрии приходятся именно на кости и сег- менты верхних конечностей, тогда как нижние конечности в большей степени сохраняют относительную симметрию [1].

В классических остеометрических работах продемонстрировано, что у различных популяций человека продольные размеры и диафизарная геометрия костей верхних конечностей характеризуются выраженной направленной асимметрией, преимущественно с правосторонним смещением. Анализ длинных костей посткраниального скелета раннесредневекового и более позднего населения показал, что продольные диаметры костей верхних конечностей обладают наибольшей степенью асимметрии по сравнению с костями нижних конечностей, что интерпретируется как результат специфики двигательной активности и распределения механических нагрузок. Эти данные согласуются с наблюдениями для разных этнотерриториальных групп, где плечевая кость и кости предплечья (лучевая и локтевая) часто оказываются наиболее асимметричными элементами скелета [2].

Особый интерес представляет анализ билатеральной асимметрии области предплечья как ключевого звена кинематической цепи «плечевой пояс - плечо - предплечье - кисть», обеспечивающего сложные пронационно-супинационные движения и точные манипуляции. Современные трехмерные исследования лучевой и локтевой костей показали, что, несмотря на отсутствие статистически значимых различий по ряду интегральных параметров (длина, объем), региональные различия формы, кривизны и закрученности диафиза между правым и левым предплечьем достигают величин порядка 0,5 мм, что имеет значение как для клинического планирования операций, так и для биомеханической интерпретации асимметрии. При этом подчеркивается, что доминирующее использование одной руки на протяжении жизни потенциально приводит к асимметричным изменениям морфологии костей предплечья, даже при общем сходстве их размеров [3].

В спортивной популяции юношей и девушек, выполняющих преимущественно одностороннюю работу верхними конечностями, асимметрия предплечья и всего плечевого комплекса выражена особенно отчетливо.

Исследование морфологической асимметрии у спортсменов-армрестлеров показало, что в исходном состоянии у большинства из них наблюдается выраженная асимметрия обхват-ных размеров мышц плеча и предплечья, отражающая дисбаланс в развитии правой и левой верхних конечностей. Так, до начала коррекционной программы разница обхватов плеча между правой и левой рукой достигала 3-3,57 %, а предплечья - до 1,4 % при статистически значимой доминантности одной стороны для ряда показателей. После внедрения специально разработанной системы тренировочных средств, направленной на выравнивание нагрузки, величина асимметрии обхватов плеча и предплечья достоверно снижалась, что интерпретируется как успешная коррекция ранее выраженной морфологической асимметрии [4]. Схожие результаты получены и в исследованиях спортсменов, спе- циализирующихся в видах спорта с ярко выраженной доминантной рукой (теннис, единоборства, прикладные виды спорта).

В работе, посвященной межконечностной и туловищной асимметрии спортсменок, занимающихся настольным теннисом, показано, что у данной категории спортсменов выявляются значимые различия окружности верхних и нижних конечностей, в том числе предплечий, между правой и левой стороной, а также асимметрия параметров осанки, что рассматривается как потенциальный фактор риска перегрузок и травм. Авторы подчеркивают, что морфологическая асимметрия верхних конечностей тесно связана с функциональной латерализацией и специфическими двигательными требованиями вида спорта.

В исследовании асимметрий верхних конечностей у теннисистов-студентов с применением двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии показано, что у игроков в теннис доминирующая верхняя конечность имеет значительно более высокие значения мышечной массы, минерального содержания и плотности кости, а также окружностей предплечья по сравнению как с недоминантной рукой, так и с контрольной группой бегунов. При этом наибольшая выраженность асимметрии отмечена в дистальных отделах предплечья, что отражает локальные адаптации к многолетнему воздействию ударных и ротационных нагрузок при работе ракеткой [5].

Асимметрия верхних конечностей в целом и предплечья в частности важна не только для живых популяций и спорта, но и для реконструкции двигательной активности в палеоантропологических сериях. Показано, что направленная асимметрия длинных костей может формироваться как результат функциональной адаптации к хроническому механическому стрессу, связанному с особенностями хозяйственного уклада и гендерным разделением труда. Анализ билатеральной асимметрии длинных костей конечностей раннесредневекового населения Северной Осетии выявил ряд достоверно асимметричных признаков как с выраженной направленностью, так и с флуктуирующей асимметрией без четкого латерального преобладания, что трактуется как результат совокупного влияния стрессовых факторов среды и специфики двигательной активности. В то же время описаны и экстремальные случаи выраженной асимметрии одной верхней конечности при относительно симметричном развитии других сегментов скелета, связанные с длительной утратой функции вследствие неврологического поражения (например, поражения плечевого сплетения) и приводящие к глубоким морфологическим изменениям костей и мышечных прикреплений.

Такие наблюдения подчеркивают важность учета не только «нормальной» направленной и флуктуирующей асимметрии, но и патологических состояний при интерпретации морфологической вариабельности предплечья [6].

Традиционные методы морфометрического анализа, основанные на измерении линейных размеров и угловых характеристик, обладают существенными ограничениями при изучении сложных пространственных преобразований формы, так как, к примеру, относительно непосредственных значений длиннотных параметров сегментов верхней конечности внутрииндивидуальная разница на их фоне между соответствующими правыми и левыми сегментами «теряется» как при статистической обработке полученных данных, так и может быть вызвана погрешностями при проведении измерений вручную непосредственно самим оператором [7]. В этом контексте применение методов геометрической морфометрии открывает новые возможности для количественного анализа целостной морфологической структуры независимо от масштаба и положения объекта [8, 9]. Метод прокрустова наложения ориентиров позволяет статистически достоверно оценивать различия в форме независимо от размера и положения объектов, разделяя направленную асимметрию, вызванную функциональными нагрузками, от флуктуирующей асимметрии, отражающей индивидуальные стохастические вариации. Интегрированные программные пакеты, такие как комплекс программ TPS и MorphoJ, обеспечивают комплексный анализ морфометрических данных и трехмерную визуализацию пространственных паттернов изменчивости, позволяя исследователям выявлять скрытые структурные закономерности, которые могут быть недоступны для визуального анализа.

Таким образом, комплексное исследование морфологической асимметрии сегментов верхней конечности с применением современных геометрико-морфометрических методов представляет собой актуальную научную задачу, решение которой может внести существенный вклад как в фундаментальное понимание принципов билатеральной асимметрии в кон- тексте функциональной латерализации организма, так и в развитие прикладных аспектов медицины, спортивной антропологии и медицинской реабилитации.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Комплексная оценка области правого и левого предплечий у правшей юношеского возраста с применением методов геометрической морфометрии, определение паттернов морфологической внутрииндивидуальной изменчивости данной области среди участников исследования.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В исследовании добровольно приняли участие 32 человека юношеского возраста (средний возраст среди участников составил 18–20 лет), что обеспечивало минимизацию возрастных морфологических изменений, связанных с процессами инволюции, при одновременном завершении основных ростовых процессов. В качестве возрастной периодизации была взята принятая в 1965 г. на симпозиуме Академии педагогических наук СССР (юношеский возраст для мужского пола – от 17 до 20 лет, для женского пола – от 16 до 20 лет). На проведение исследования получено разрешение локального этического комитета ФГБОУ ВО ВолгГМУ Минздрава России (№ 2024/236 от 09.10.2024). Все участники предоставили информированное добровольное согласие на участие в исследовании. Гендерный состав группы включал 23 девушки (75 %) и 9 юношей (25 %). Для исключения влияния фактора моторной доминанты на морфологические характеристики в исследование включались исключительно правши, что подтверждалось результатами стандартизированного опросника функциональной мануальной асимметрии [10]. Критериями исключения служили наличие в анамнезе травматических повреждений верхних конечностей, хронических заболеваний опорнодвигательного аппарата, а также врожденных аномалий развития.

Протокол получения изображений предусматривал фотографирование области предплечья в прямой проекции при естественном положении верхней конечности вдоль туловища (в нормальной анатомической позиции) с полным мышечным расслаблением. Учитывая комплексный характер морфологии области предплечья, включающей переднюю и заднюю мышечные группы, преобладание поперечного размера над передне-задним, выбранная фронтальная проекция позволяла зафиксировать наиболее значимый контур исследуемой анатомической области. Для каждого участника последовательно выполнялись отдельные снимки правого и левого предплечий в идентичных условиях освещения, дистанции съемки (1,5 м от объектива камеры, однако небольшая разница в дистанции съемки не имела принципиального значения, так как используемое в дальнейшем прокрустово выравнивание нивелировало этот фактор) и ориентации тела.

Полученные фотографии подвергались стандартизации, включавшей приведение к единому пространственному разрешению (960 × 1280 пикселей), что являлось необходимым условием для последующего морфометрического анализа, а также каждой фотографии необходимо было присвоить уникальное название, которое бы позволило расположить каждого участника в определенном порядке и дать фотографии уникальную характеристику, например «dAf003» (d – правое, «dexter»; A – предплечье, «antebra-chium»; f – женский пол, «femina»; 003 – порядковый номер). Далее помещенные в отдельную папку фотографии (фотографии правых предплечий – в одну папку, левых предплечий – в другую) с помощью программы tpsUtil32 и команды «Build tps file from images» фотографиям, находящимся в каждой из папок, присваивались координаты их расположения в памяти компьютера. Сформированные в tpsUtil32 tps-файлы далее открывались с помощью программы tpsDig264. На каждом изображении по внешнему контуру области предплечья проводилась линия, вдоль которой затем программе задавалось разместить полуметки (semilandmarks) в количестве 40 на равном удалении друг от друга (рис. 1). Достаточное количество полуметок (40) было подобрано эмпирическим путем.

Рис. 1. Нанесенные полуметки (semilandmarks) по контуру области правого предплечья в программе tpsDig264

Далее для корректной работы в программе MorphoJ 1.07a полуметки преобразовывались в tpsDig264 в метки (landmarks) с теми же координатами. После чего координаты всех меток каждого образца в виде сформированного единого tps-файла переносились в программу MorphoJ 1.07a для последующей классификации данных (то есть присвоения каждому об- разцу характеристики «право» или «лево» и порядкового номера участника), проверки данных на нормальность распределения и наличия «выбросов» (команда «Find Outliers»), прокрустова выравнивания (команда «Procrustes fit») и статистического анализа [создание ковариационной матрицы, анализ главных компонент (PCA), Procrustes ANOVA]. Анализ главных ком- понент (PCA – Principal Component Analysis) позволил количественно оценить вклад асимметрии в общую морфологическую изменчивость. Перед проведением PCA программой была сгенерирована ковариационная матрица на основе загруженных в программу в виде tps-файла данных о координатах меток (landmarks) с уже проведенным прокрустовым выравниванием и классификацией данных. Вычисление ковариационной матрицы было настроено в аспекте группировки данных по индивидуальной принадлежности каждого наблюдения (команда в программе «pooled within-group covariances: Individual»), то есть вначале автоматически программой рассчитывалась ковариационная матрица отдельно для каждого из 32 участников, а затем на основе получившихся 32 матриц вычисляется общая усредненная ковариационная матрица. Программное обеспечение позволяет все указанные вычисления проводить за один этап. Следующим этапом проводился обобщенный дисперсионный анализ прокрустовых координат (Procrustes ANOVA – Procrustes Analysis of Variance). Критический уровень значимости (p) при проверке статистических гипотез принимался равным 0,05. Проведение Procrustes ANOVA позволяет получить следующие (рассчитанные программой) показатели по нескольким направлениям: effects [то есть фактор, источник вариации (Individual – у каждого отдельного индивида, Side – среди правых и левых сторон по всей выборке, Ind×Side – взаимодействие двух предыдущих эффектов)]. Анализ проводится отдельно по двум независимым аспектам «чистой» формы объекта: centroid size и shape. Centroid size – размер центроида, скалярное число, представляющее собой корень квадратный из суммы квадратов отклонений координат всех ориентиров от их среднего значения (центроида). Центроид, в свою очередь, представляет собой точку в пространстве, координаты которой равны средним арифметическим координат всех ориентиров (можно сравнить с «центром тяжести» набора точек). То есть вместо 40 меток (где у каждой в двухмерном пространстве по две координаты) для одного объекта получаем одну, которая отражает совокупно эти 40 и позволяет нам визуализировать объекты исследования как отдельные точки (центроиды), расставленные на плоскости пространства центроидов. Таким образом, centroid size – это сохраненное условное значение масштаба каждого предплечья вне единиц измерения. Shape – форма, конфигурация объекта, то есть как устроен (применительно к данному исследованию) контур, несмотря на размер. Для centroid size: SS (Sum of Square – сумма квадратов отклонений centroid size от соответствующих по рассматриваемым эффектам средних значений; отражает сколько вариации объяснено тем или иным фактором), MS (Mean Square – средний квадрат отклонений centroid size, приходящийся на одну степень свободы для рассматриваемого эффекта, по сути это SS деленное на df, отражает среднюю дисперсию по рассматриваемому источнику вариации), df (degrees of freedom, степени свободы, то есть независимые параметры в расчете), F [F-статистика, то есть показатель, показывающий насколько вариация, вызванная эффектом больше случайной вариации (ошибки)], p (p-value, p-значение, то есть это вероятность получить такой F, если нет действия фактора). Для shape интерпретация смысла показателей будет несколько иной: SS – сумма квадратов прокрустовых расстояний (Procrustes distance) между реализацией формы каждого предплечья и соответствующей модельной формой (средней формой для конкретного человека или средней формой для данной стороны), обусловленной каждым эффектом (Individual, Side, Ind×Side), MS – это средний квадрат прокрустовых расстояний, приходящийся на одну степень свободы для рассматриваемого эффекта (отражает, насколько в среднем по всем координатам и по всем наблюдениям форма отклоняется от модельной формы, связанной с тем или иным эффектом).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Первая главная компонента из 32 (PC1 – Principal Component 1) объясняет 65,748 % дисперсии. Собственное значение (eigenvalue) PC1 составило 0,00045792, существенно превышая значения последующих компонент. Вторая главная компонента (PC2) с собственным значением 0,00007967 объяснила дополнительно 11,440 % дисперсии, а третья компонента (PC3) с собственным значением 0,00003972 – 5,703 %. Кумулятивная доля дисперсии, объясненная первыми тремя главными компонентами, достигает 82,891 % (рис. 2).

Сам анализ не дает четкого указания, какой конкретно аспект выражает каждая из главных компонент. Однако визуализация изменения векторов в пространстве первой главной компоненты (PC1) для каждой метки на фоне трансформационной решетки (рис. 3) позволяет проследить, что наибольшим векторным смещением обладают метки (landmarks), относящиеся к медиальной и латеральной поверхностям предплечья.

Principal components

Рис. 2. Распределение дисперсии в аспекте анализа главных компонент (PCA)

Рис. 3. Визуализация смещения векторов меток (landmarks) на трансформационной решетке в пространстве первой главной компоненты (PC1)

Построение доверительных эллипсов внутри пространства которых с 95%-й вероятностью окажется «средняя» форма правого и левого предплечья показывает значительное перекрытие между ними, что говорит о том, что в про- странстве форм правое и левое предплечья между собой схожи (рис. 4).

Результаты Procrustes ANOVA представлены по двум независимым аспектам «чистой» формы объекта: centroid size и shape (табл.).

Рис. 4. Доверительные эллипсы для средних значений (отдельные эллипсы для правой и левой сторон всех наблюдений, каждый эллипс включает в себя область, в которой с 95%-й вероятностью может находиться среднее значение каждой из групп «право – лево» / «right – left»)

Результаты Procrustes ANOVA

Effect	SS	MS	df           1	F	p
Centroid size:
Individual	495919,489144	15997,402876	31	19,38	<0,0001
Side	4626,655516	4626,655516	1	5,60	0,0243
Ind×Side	25591,083765	825,518831	31	–	–
Shape:
Individual	0,11457987	0,0000486332	2356	5,33	<0,0001
Side	0,00077731	0,0000102278	76	1,12	0,2259
Ind×Side	0,02150959	0,0000091297	2356	–	–

Рассмотрим данные последовательно.

Отсутствие статистически значимых внутри-индивидуальных различий в форме области предплечья между правой и левой стороной (p = 0,2259) при наличии статистически значимого различия в условном «среднем» размере (centroid size) между ними (p = 0,0243) представляет собой важный результат, свидетельствующий о том, что морфологическая асимметрия в исследуемой группе реализуется преимущественно через пропорциональную модификацию размера анатомических структур, с минимальными локальными деформациями, что сохраняет общий паттерн абсолютной формы для правой и левой сторон. Однако это не говорит о том, что асимметрия формы предплечья отсутствует. Напротив, таковая присутствует, но без некоего направленного вектора, представляя собой несистемные флуктуации (весомый процент остаточной дисперсии Ind×Side ≈ 15,7 %).

Вместе с тем следует указать на некоторые ограничения исследования. Использование двумерных изображений во фронтальной проекции позволяет зафиксировать контур области предплечья, но не отображает полную трехмерную конфигурацию костно-мышечных структур.

Для получения более полной информации о пространственной организации асимметрии целесообразно применение методов трехмерной морфометрии на основе 3D-сканирования либо компьютерной или магнитно-резонансной томографии с 3D-реконструкцией, однако данные методы являются более сложными в своей реализации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты исследования выявили специфическую структуру асимметрии области предплечья у правшей юношеского возраста: систематическая и статистически значимая асимметрия условного «среднего» размера контура ( p = 0,0243) при отсутствии достоверной асимметрии формы ( p = 0,2259).

Полученные данные позволяют предположить, что морфологическая асимметрия реализуется через пропорциональное «масштабирование» одной стороны относительно другой без направленных локальных деформаций или «переделки» общего паттерна формы, что соответствует концепции геометрически подобного роста.

Основной источник морфологической вариации контура предплечья (65,748 % дисперсии) сосредоточен в общем размере. Флуктуирующий характер асимметрии в форме, прояв- ляющийся в виде малых случайных различий, варьирующих по направлениям без систематического паттерна, указывает на случайные вариации морфогенеза, а не на направленные адаптивные воздействия.

Полученные данные могут быть полезны в клинической практике при планировании хирургических вмешательств на верхней конечности, где требуется детальное понимание вариабельности морфологии предплечья. Кроме того, результаты имеют значение для биомеханических исследований и анализа функциональной асимметрии верхних конечностей в различных контекстах двигательной деятельности.

В палеоантропологии предложенная методология разделения размерной и формной компонент асимметрии может быть применена при анализе морфологической вариабельности костных структур в исторических популяциях.