Геометрия поверхности суставного хряща головки бедра человека

Поверхность нормального суставного хряща бедренной головки имеет перламутровый цвет и выглядит идеально гладкой. Максимальная высота хрящевых неровностей для нормального суставного хряща бедренной головки находится в диапазоне от нескольких мкм до величин более 20 мкм, а среднеарифметические отклонения находятся в пределах от 0,2 мкм до 5 мкм [2-4, 6-8, 10, 12, 16]. Эти величины высоты неровностей существенно выше по сравнению с неровностями в подшипниках машин и в искусственных тазобедренных суставах [8, 9, 13, 14, 15].

В литературе мало данных, которые говорили бы о том, до какой величины шероховатости поверхности суставной хрящ является нормальным, а какая величина шероховатости описывает хрящ, пораженный артрозом. По мнению Dawies , величина параметра S a свыше 5 мкм означает износ суставного хряща [2]. Подобного взгляда придерживается Dumbleton [4]. В работе Adler и др. [11] показано, что при деформации и дегенеративных изменениях величина неровностей суставного хряща может достигать даже 150 мкм.

Очень часто состояние поверхностей описывается параметром S a (в трехмерном случае) или R a (в двумерном случае). В соответствии с литературными данными [9, 14,

• 15] и согласно мнению авторов этой статьи, это должно быть представлено не менее чем через 2 или 3 амплитудных параметра.

Цель настоящего исследования состоит в анализе выбранных параметров ( S_t , S_z и S_a ) для выяснения структуры геометрии поверхности как нормального, так и пораженного артрозом хряща головки бедра человека (т.е. деформации и дегенеративных изменений).

Материалы

Для анализа структуры геометрии поверхности авторами было подготовлено 25 образцов суставного хряща головки бедра, удаленного при операциях у пациентов в возрасте от 65 до 86 лет. В исследуемом материале 16 образцов были взяты у женщин.

Была исследована геометрическая структура поверхности 10 образцов нормального суставного хряща, удаленного при переломах шейки бедра (рис. 1). Также исследовалась структура поверхности 15 образцов суставного хряща бедренной головки с деформациями и дегенеративными изменениями. Эти головки были удалены при операциях полной артропластики тазобедренного сустава (рис. 2a, б).

Рис. 1. Правильная поверхность головки бедра у пациента 86 лет. Головка была удалена при переломе шейки бедра

Рис. 2. Разрушенная поверхность суставного хряща бедренной головки: а – общий вид, б –фотография при увеличении

Методы

Измерения структуры геометрии поверхности проводились с помощью аппарата Rank Taylor Hobson Talyskan 150. Площадь сканируемой поверхности хряща была (1-2) мм х (1-2) мм при скорости сканирования 5,0 мм/с. Полученные данные записаны и обработаны с использованием программы TALYMAP Expert 3.0 и MS Excel 2003. Результаты представлены в графическом виде.

Измерения структуры геометрии поверхности проводились несколько часов спустя после резекции бедренных головок. Принимая во внимание возможность повреждения дефектов хряща при измерении с помощью механического сенсора, головки бедра помещались на несколько секунд в жидкий азот (N) и затем промывались в 94% спирте. Эта процедура препятствует образованию налета замороженного слоя на поверхности суставного хряща бедренной головки.

Таблица описывает анализируемые амплитудные параметры для нормальной и артротической (т.е. пораженной остеоартрозом) поверхности суставного хряща бедренной головки.

Таблица

Виды анализируемых параметров поверхности

Параметр	Описание	Размерность
S t	Полная высота шероховатостей (между наивысшей и самой низкой точками)	мкм
S z	Средняя величина по 5 наивысшим и 5 самым низким точкам	мкм
S a	Среднеарифметическая величина по суставному хрящу бедренной головки	мкм

Принимая во внимание возможности используемого аппарата, измерения для артротического хряща проводились в том случае, когда параметр S_t не превышал 250 мкм.

Для всех измеряемых параметров вычислялась среднеарифметическая величина X и среднеквадратическое отклонение с . Результаты представлялись в виде гистограмм. Эти графики строились не только для нормального, но также и для пораженного артрозом суставного хряща бедренной головки. Среднеарифметические величины сравнивались попарно с использованием уровня значимости p = 0,05.

Результаты исследований

Сравнение параметров S_t и S_z для поверхностей 10 образцов нормального суставного хряща бедренной головки проиллюстрировано на рис. 3.

S t

Номер образца суставного хряща

Рис. 3. Сравнение параметров S_t и S_z для поверхностей 10 образцов нормального

S_t и S_z мкм

суставного хряща бедренной головки

Рис. 4. Сравнение параметров S_t и S_z для поверхностей 15 образцов артротического

суставного хряща бедренной головки

S

a

мкм

Рис. 5. Сравнение параметра S _a для поверхностей 10 образцов нормального суставного хряща бедренной головки

Рис. 6. Сравнение параметра S_a для поверхностей 15 образцов артротического суставного хряща бедренной головки

Bl нормальный хрящ □ артротический хрящ

S_t и S_z мкм

Рис. 7. Средние величины параметров S _t и S_z для поверхностей нормального и артротического суставного хряща бедренной головки

нормальный хрящ артротический хрящ

Рис. 8. Средние величины параметра S_a для поверхностей нормального и артротического суставного хряща бедренной головки

Величины параметра S_t и S_z для поверхности нормального суставного хряща находятся в интервале от 9,62 до 24,7 мкм ( X = 16,0; с = 4,59), а параметра S z - от 8,38 до 18,5 мкм ( X = 12,81; с = 3,11).

Сравнение параметров S_t и S_z для поверхностей 15 образцов артротического суставного хряща бедренной головки показано на рис. 4.

Величины параметра S t для поверхности артротического суставного хряща лежат в интервале от 74,3 до 238,0 мкм ( X = 160,35; с = 45,39), а параметра S t - от 38,9 до 178,0 мкм ( X = 121,33; с = 39,71).

Сравнение параметра S_a для поверхностей 10 образцов нормального суставного хряща бедренной головки изображено на рис. 5.

Величины параметра S_a для поверхности нормального суставного хряща изменяются в интервале от 0,78 до 2,24 мкм ( X = 1,33; с = 0,55).

Сравнение параметра S_a для поверхностей 15 образцов артротического суставного хряща бедренной головки показано на рис. 6.

Величины параметра S_a для поверхности артротического суставного хряща находятся в интервале от 11,2 до 30,7 мкм ( X = 16,58; с = 5,16).

Средние величины параметров S t и S z для поверхностей нормального и артротического суставного хряща бедренной головки проиллюстрированы на рис. 7.

Показано, что образцы артротического суставного хряща бедренной головки характеризуются значительно большими величинами параметров S t и S z . В этом случае наблюдались деформация и дегенеративные изменения тазобедренного сустава.

Между средними арифметическими значениями этих параметров отмечено статистически существенное различие [р < 0,001].

Средние величины параметра S_a для поверхностей нормального и артротического суставного хряща бедренной головки изображены на рис. 8.

Видно, что в образцах артротического суставного хряща бедренной головки обнаружены значительно большие величины параметра S_a по сравнению с поверхностью нормального хряща. Между средними арифметическими значениями этого параметра отмечено статистически существенное различие [ p < 0,02].

На р ис. 9 и 10 представлены трехмерные изображения поверхностей нормального и артротического суставов. В скобках указаны параметры суставных поверхностей.

Обсуждение

С точки зрения механики тазобедренный сустав человека является самым идеальным шаровым шарниром, не имеющим эквивалентов в технике [2-6, 8, 10-14, 1618]. Поверхности нормального сустава разделены пленкой синовиальной жидкости, толщина которой составляет от 60 до 200 мкм. В нормальном суставе не наблюдается никакого износа суставного хряща, и сила трения имеет очень малую величину [2-6, 8, 10, 12, 16-18].

Рис. 9. Трехмерное изображение поверхности нормального суставного хряща бедренной головки ( S t = 9,79; S z = 6,62; S a = 0,78)

Рис. 10. Трехмерное изображение поверхности артротического суставного хряща бедренной головки ( S t = 238,0; S z = 178,0; S a = 24,5)

Гиалуроновая кислота придает синовиальной жидкости некоторые специфические свойства, которые не наблюдаются в натуральных или синтетических смазочных жидкостях [2-4, 6, 8, 10, 12, 18]. В случае болезни сустава синовиальная жидкость изменяет свои свойства (например, снижается ее вязкость), что вызывает уменьшение величины зазора между взаимодействующими поверхностями [5, 12, 18].

Испытания патологических областей суставного хряща бедренной головки свидетельствуют о том, что артроз тазобедренного сустава определяет некоторые коренные нежелательные изменения в геометрической структуре хрящевой поверхности. Этот факт подразумевает небольшое увеличение анализируемых параметров для артротического хряща (в десять и более раз) по сравнению с нормальным хрящом.

Наблюдаемые различия между среднеарифметическими значениями параметров S t , S z и S a для нормального и артротического хряща бедренной головки являются статистически значительными [р < 0,02 - 0,001].

По мнению Adler [11], при неровностях суставного хряща, вследствие деформации и дегенеративных изменений в суставах человека, величина параметра S _t достигает даже 150 мкм. В работе Ryniewicz [12] представлены некоторые значения параметра S _a для поверхности нормального суставного хряща бедренной головки, которые находятся в интервале от 0,82 до 2,53 мкм. Авторы этой статьи получили подобные значения для параметров S_t и S_a .

В соответствии с данными литературы [2, 4] величины параметра S_a для нормального тазобедренного сустава не превышают 5 мкм. По мнению авторов, величины параметра S_a , по-видимому, должны быть несколько больше 5 мкм, потому что в этом случае аппроксимированные величины параметра S t будут не меньше 45-50 мкм. Этот факт означает слишком высокие неровности для нормального хряща. Авторы статьи полагают, что была испытана некоторая модель поверхности суставного хряща с применением профильных измерительных приборов. Использованное в данной методике современное электронное оборудование в предыдущие годы не применялось.

Наблюдаемые неровности поверхности артротического хряща оказывают существенное влияние на нагрузку, силу трения, напряжения и на появление водоворотов в течении синовиальной жидкости в зазоре между взаимодействующими поверхностями [2-4, 8, 10, 13].

При нагружении тазобедренного сустава синовиальная жидкость проталкивается в трещины хрящевой поверхности, что вызывает их расклинивание и резкий рост. Как следствие, это приводит к дополнительным дефектам суставного хряща [2-4, 8, 10, 13, 16]. Данный факт означает невозможность естественного регресса деформации и дегенеративных изменений в тазобедренном суставе человека [1, 11, 17].

Выводы

Из приведенных выше рассуждений вытекают следующие выводы:

• •    На поверхности нормального суставного хряща встречаются неровности со следующими значениями амплитудных параметров: S t от 9,62 до 24,7 мкм ( X = 16,0; с = 4,59), S_z - от 8,38 до 18,5 мкм ( X = 12,81; с = 3,11) и S a - от 0,78 до 2,24 мкм ( X = 1,33; с = 0,54).

• •    Артроз тазобедренного сустава человека определяет коренные нежелательные изменения в геометрической структуре хрящевой поверхности головки бедра. На

поверхности артротического суставного хряща встречаются неровности со следующими значениями амплитудных параметров: S_t от 74,3 до 238,0 мкм ( x = 160,35; σ = 45,39), S_z – от 38,9 до 178,0 мкм ( x = 121,33; σ = 39,71) и S_a – от 11,2 до 30,7 мкм ( x = 16,58; σ = 5,16).

• •    Неровности артротической поверхности суставного хряща головки бедра косвенно оказывают существенное влияние не только на нагрузку, напряжения и силу трения, но также и на появление водоворотов в течении синовиальной жидкости между взаимодействующими поверхностями.

Благодарности

Авторы выражают искреннюю благодарность доктору технических наук, профессору Жешовского университета Владимиру Любимову за обсуждение и помощь в подготовке сканируемых образцов поверхности суставного хряща бедренных головок.