Геометрия поверхности суставного хряща головки бедра человека
Автор: Цванек Я., Чайковский A.A.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 3 (29) т.9, 2005 года.
Бесплатный доступ
Представлен анализ амплитудных параметров St, Sz и Sa поверхности 25 образцов суставного хряща головки бедра человека. На поверхности здорового суставного хряща выступают неровности, описываемые параметрами: St oт 9,62 до 24,7 мкм (x = 16,0; s = 4,59), Sz oт 8,38 до 18,5 мкм (x = 12,81; s = 3,11) и Sa oт 0,78 до 2,24 мкм (x = 1,33; s = 0,54), где обозначено: x - среднее значение, s - дисперсия. На поверхности пораженного артрозом суставного хряща выступают неровности, описываемые параметрами: St oт 74,3 до 238,0 мкм (x = 160,35; s = 45,39), Sz oт 38,9 до 178,0 мкм (x = 121,33; s = 39,71) и Sa oт 11,2 до 30,7 мкм (x = 16,58; s = 5,16). Выступающие артротические изменения на поверхности суставного хряща оказывают влияние на работу тазобедренного сустава человека.
Тазобедренный сустав, суставной хрящ, головка бедра, амплитудные параметры
Короткий адрес: https://sciup.org/146215834
IDR: 146215834
Текст научной статьи 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 ( St , Sz и Sa ) 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 St 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 St и Sz для поверхностей 10 образцов нормального суставного хряща бедренной головки проиллюстрировано на рис. 3.
S t

Номер образца суставного хряща
Рис. 3. Сравнение параметров St и Sz для поверхностей 10 образцов нормального
St и Sz мкм
суставного хряща бедренной головки

Рис. 4. Сравнение параметров St и Sz 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 Sa для поверхностей 15 образцов артротического суставного хряща бедренной головки
Bl нормальный хрящ □ артротический хрящ
St и Sz мкм

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

нормальный хрящ артротический хрящ
Рис. 8. Средние величины параметра Sa для поверхностей нормального и артротического суставного хряща бедренной головки
Величины параметра St и Sz 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 St и Sz 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 Sa для поверхностей 10 образцов нормального суставного хряща бедренной головки изображено на рис. 5.
Величины параметра Sa для поверхности нормального суставного хряща изменяются в интервале от 0,78 до 2,24 мкм ( X = 1,33; с = 0,55).
Сравнение параметра Sa для поверхностей 15 образцов артротического суставного хряща бедренной головки показано на рис. 6.
Величины параметра Sa 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 Sa 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 Sa 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 St и Sa .
В соответствии с данными литературы [2, 4] величины параметра Sa для нормального тазобедренного сустава не превышают 5 мкм. По мнению авторов, величины параметра Sa , 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), Sz - 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: St от 74,3 до 238,0 мкм ( x = 160,35; σ = 45,39), Sz – от 38,9 до 178,0 мкм ( x = 121,33; σ = 39,71) и Sa – 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.