ΕΜΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΟΣΤΕΟΑΡΘΡΙΤΙΔΑΣ ΜΕΓΑΛΩΝ ΑΡΘΡΩΣΕΩΝ. Ιωάννης Π. Σταθόπουλος, MD, MSc Ορθοπαιδικός Χειρουργός

Transcript

1 ΕΜΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΟΣΤΕΟΑΡΘΡΙΤΙΔΑΣ ΜΕΓΑΛΩΝ ΑΡΘΡΩΣΕΩΝ Ιωάννης Π. Σταθόπουλος, MD, MSc Ορθοπαιδικός Χειρουργός

2 Εµβιοµηχανικη Η εµβιοµηχανική µελετά τη δράση των δυνάµεων (εσωτερικών και εξωτερικών) στο σώµα Στατική Δυναµική Κινηµατική (µελέτη της κίνησης χωρίς αναφορά στις δυνάµεις) Κινητική (µελέτη της κίνησης ως αποτέλεσµα της δράσης των δυνάµεων)

3 Εµβιοµηχανικη Αρθρωσεων Ανατοµία ü Μέγεθος/µορφολογία οστών ü Σταθεροποιητές άρθρωσης ü Αγωνιστές/ανταγωνιστές µύες Κινησιολογία Φυσιολογία Ιδιότητες των βιοϋλικών Εσωτερικές/εξωτερικές δυνάµεις

4 Εµβιοµηχανικη Ισχιου

5 Εµβιοµηχανικη Γονατοσ Screw home mechanism Posterior rollback

6

7

8 ΕΜΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΥΠΟΘΕΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΟΑ

9 ΕΜΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΥΠΟΘΕΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΟΑ Τραύµα/ εφαρµογή µεγάλων φορτίων στην επιφάνεια του χόνδρου Καταστροφή χονδροκυττάρων Καταστροφή θεµέλιας ουσίας χόνδρου πρωτεογλυκανών διάβρωση χόνδρου ΟΑ Aigner T, McKenna L. Molecular pathology and pathobiology of osteoarthritic cartilage. Cell Mol Life Sci 2002;59(1):5 18.

10 ΕΜΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΥΠΟΘΕΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΟΑ Διαταραχή κινηµατικής διατµητικών δυνάµεων τριβών Ίνωση Andriacchi TP, Mundermann A, Smith RL, et al. A framework for the in vivo pathomechanics of osteoarthritis at the knee. Ann Biomed Eng 2004;32(3):

11 ΕΜΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΥΠΟΘΕΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΟΑ Μηχανικές αλλαγές στο υποχόνδριο οστό Ανώµαλη φόρτιση Μικροκατάγµατα Σκλήρυνση ακαµψία Πώρωση ρυθµού οστικής εναλλαγής Ανοµοιόµορφη κατανοµή µικροκαταγµάτων Ανοµοιόµορφη ακαµψία υποχονδρίου οστού Ενεργοποίηση του tidemark, νεοααγγείωση, ενδοχόνδρινη οστεοποίηση δυνάµεις διάτµησης στο χόνδρο Λέπτυνση χόνδρου Burr DB, Radin EL. Microfractures and microcracks in subchondral bone: are they relevant to osteoarthrosis? Rheum Dis Clin North Am 2003;29(4):675 85

12 Προβλήµατα: ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΜΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΩΝ ΑΡΘΡΩΣΕΩΝ Και Τησ οα ü Καλά καθορισµένος πληθυσµός µε ΟΑ ή σε κίνδυνο να αναπτύξει ΟΑ ü Μεγάλος αριθµός συµµετεχόντων ü Καλά καθορισµένες µέθοδοι για τη διάγνωση και την παρακολούθηση της εξέλιξης της ΟΑ ü In vivo µετρήσεις των µηχανικών παραµέτρων

13 ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΜΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΩΝ ΑΡΘΡΩΣΕΩΝ Και Τησ οα Τι χρειάζεται να µετρήσουµε/ αξιολογήσουµε; ü Μέγεθος δυνάµεων ελκυσµού/ θλίψης και διάτµησης ü Κατανοµή των δυνάµεων στην επιφάνεια του χόνδρου ü Ρυθµό εφαρµογής των δυνάµεων ü Μετάδοση στα υπόλοιπα στοιχεία της άρθρωσης ü Παραµόρφωση ü Κινηµατική

14 ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΜΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΩΝ ΑΡΘΡΩΣΕΩΝ Και Τησ οα Ex vivo µελέτες Μαθηµατικά µοντέλα που προβλέπουν τη µηχανική των αρθρώσεων Υπολογιστικά µοντέλα πεπερασµένων στοιχείων ü CT ή MRI ü Γεωµετρία ü Μηχανικές ιδιότητες κάθε στοιχείου της άρθρωσης ü Διάφορα σενάρια φόρτισης Ακτινογραφικές µελέτες της γεωµετρίας ü Στατική ü Δύο διαστάσεις (µεγέθυνση τοποθέτηση) Ανάλυση βάδισης (ανάλυση κίνησης) Ραδιοστερεοµετρική ανάλυση και ακτινοσκόπηση MRI Martin DE, Greco NJ, Klatt BA, et al. Model-based tracking of the hip: implications for novel analyses of hip pathology. J Arthroplasty 2011;26(1):88 97

15 Ανάλυση βάδισης (ανάλυση κίνησης) ü Καταγράφεται η κίνηση των οστών ü Καταγραφή φορτίων ü Ανάλυση των συνιστωσών δυνάµεων και ροπών ü Ανάλυση των δυνάµεων επαφής v Ελεύθερη κίνηση ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΜΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΩΝ ΑΡΘΡΩΣΕΩΝ Και Τησ οα v Μελέτη πολλών κινήσεων v Markers στο δέρµα v Μαθηµατικά µοντέλα για την ανάλυση των δυνάµεων επαφής

16 ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΜΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΩΝ ΑΡΘΡΩΣΕΩΝ Και Τησ Οα (MRI) Κινηµατική 2- ή 3-διάστατη µελέτη Με ή χωρίς φόρτιση v Χωρίς ακτινοβολία Επιφάνειες επαφής Τοπογραφία Μέγεθος επιφάνειας Έµµεσος υπολογισµός της τάσης (stress) v Στατικές λήψεις σε ύπτια θέση / αργές κινήσεις v Περιορισµός στη φόρτιση v Περιορισµός στο εύρος κίνησης

17 Διαταραχεσ του Αξονα Φορτισησ

18 1.501 συµµετέχοντες (2.664 γόνατα) Μελέτη Rotterdam Μέσο follow-up 6,6 έτη Μηροκνηµιαία γωνία σε απλές ακτινογραφίες Kellgren/Lawrence (K/L) grading system

19 Φυσιολογικός άξονας: ΜΚ γωνία βλαισό >184 ραιβό < 182

20

21

22 cross-sectional Απλές ακτινογραφίες του κάτω άκρου σε όρθια θέση 1251 γόνατα (797 φυσιολογικά 454 OA)

23

24 24 ασθενείς (62,5 ± 9,9 ετών) OA έσω διαµερίσµατος 12 µε ραιβότητα 12 µε βλαισότητα 3T MRΙ µε 2D multi-echo spin echo (MESE) sequence για T2 χαρτογράφηση

25 Οι T2 τιµές του χόνδρου στο έσω διαµέρισµα (49,44 ± 6,58) ήταν σηµαντικά υψηλότερες (P = 0,0043) από αυτές του έξω (47,15 ± 6,87) Οι ασθενείς µε ραιβό γόνατο είχαν στατιστικά σηµαντικά µεγαλύτερες Τ2 τιµές (50,83 ± 6,30 ms) από αυτούς µε βλαισό γόνατο (46,20 ± 6,00 ms) (P < 0,0001)

26 cross-sectional 126 άνδρες (µέση ηλικία 68 έτη, BMI 31,2) 87 γυναίκες (µέση ηλικία 64,7 έτη, BMI 31,6) 75% µηροκνηµιαία OA (Kellgren- Lawrence score 2) MRI

27 PLR µε µείωση του έξω µεσαρθρίου και ύπαρξη οστεοφύτων στο έξω τµήµα της επιγονατίδας (p for linear trend = 0.01) SA µε µείωση του έσω µεσαρθρίου (p for linear trend = 0.01) και την ύπαρξη οστεοφύτων στο έξω και το έσω τµήµα της επιγονατίδας (p for linear trend = 0.08 και 0.05 αντίστοιχα). LPTA αρνητική συσχέτιση µε το έξω µεσάρθριο και την ύπαρξη οστεοφύτων στο έξω τµήµα της επιγονατίδας (p for linear trend < )

28 Επιδραση Μεγαλων Φορτιων Στισ Αρθρωσεισ

29 Παχυσαρκία Ροπή προσαγωγής

30 14 µελέτες Το µέγεθος και η κατανοµή στο χρόνο της ΚΑΜ κατά τη διάρκεια της βάδισης είχε σταθερό πρότυπο σε όλες της µελέτες

31

32 31 ασθενείς µε ακτινολογική OA γόνατος (53,2 ± 6,1 ετών) 30 υγιείς (33,5 ± 8,0 ετών) Ανάλυση κίνησης µε συγχρονισµένη πλατφόρµα βάδισης Η αθροιστική ροπή προσαγωγής ήταν σχεδόν διπλάσια στην ΟΑ (p = 0,001) Η αθροιστική ροπή προσαγωγής ήταν καλύτερη από τη µέγιστη στιγµιαία ροπή προσαγωγής στο να διαφοροποιεί της δυο οµάδες (p = 0,04)

33 1612 µελέτες 12 µελέτες

34 Μικρότερη ταχύτητα βάδισης κατά 0,3 m/s Μικρότερος διασκελισµός κατά 0,2 m Μεγαλύτερη διάρκεια στάσης κατά τον κύκλο βάδισης κατά 3% Μεγαλύτερο πλάτος βήµατος κατά 0,1 m Μεγαλύτερη έξω στροφή του ποδιού κατά 7 Μείωση φορτίων στο µετωπιαίο και οβελιαίο επίπεδο

35 Τραυµα

36 Ρηξη Μηνισκων και Προσθιου Χιαστου Συνδεσµου 43% ασθενών µε µηνισκεκτοµή έχουν ακτινολογικά ευρήµατα ΟΑ µετά από 16 έτη Η µηνισκεκτοµή αυξάνει τον κίνδυνο ανάπτυξης ΟΑ κατά 2,6 φορές Englund M, Lohmander LS. Patellofemoral osteoarthritis coexistent with tibiofemoral osteoarthritis in a meniscectomy population. Ann Rheum Dis 2005;64(12): Crema MD, Roemer FW, Felson DT, et al. Factors associated with meniscal extrusion in knees with or at risk for osteoarthritis: the Multicenter Osteoarthritis Study. Radiology 2012;264(2):

37 Ρηξη Μηνισκων και Προσθιου Χιαστου Συνδεσµου 51% γυναικών ποδοσφαιριστών µε ρήξη ΠΧΣ είχαν ακτινολογικά ευρήµατα ΟΑ µετά από 12 έτη Lohmander LS, Felson D. Can we identify a high risk patient profile to determine who will experience rapid progression of osteoarthritis? Osteoarthritis Cartilage 2004;12(Suppl A):S % ανδρών ποδοσφαιριστών µε ρήξη ΠΧΣ είχαν ακτινολογικά ευρήµατα ΟΑ µετά από 14 έτη von Porat A, Roos EM, Roos H. High prevalence of osteoarthritis 14 years after an anterior cruciate ligament tear in male soccer players: a study of radiographic and patient relevant outcomes. Ann Rheum Dis 2004;63(3):

38 έσω στροφής και οπίσθιας µετατόπισης της κνήµης κατά τη στάση biplanar fluoroscopy: πρόσκρουση της έσω κνηµιαίας άκανθας στον έσω µηριαίο κόνδυλο και έσω στροφή της κνήµης στις πρώτες µοίρες κάµψης biplanar high-speed radiography: τα γόνατα µε συνδεσµοπλαστική του ACL διατηρούσαν µεγαλύτερη έξω στροφή της κνήµης κατά το τρέξιµο σε κατηφορικό επίπεδο

39 MRI σε διαφορετικές θέσεις κάµψης έκτασης, µε ή χωρίς φορτίο: ü Διαταραχές στο πρότυπο επαφής µηρού κνήµης ü πρόσθιας παρεκτόπισης της κνήµης ü Διαταραχές της έσω/έξω στροφής της κνήµης Barrance PJ, Williams GN, Snyder-Mackler L, Buchanan TS. Altered knee kinematics in ACL-deficient non-copers: a comparison using dynamic MRI. J Orthop Res. 2006;24(2): Logan M, Dunstan E, Robinson J, Williams A, Gedroyc W, Freeman M. Tibiofemoral kinematics of the anterior cruciate ligament (ACL)-deficient weightbearing, living knee employing vertical access open interventional multiple resonance imaging. Am J Sports Med. 2004;32(3):720 6

40 Φυσιολογικό γόνατο: ü Θετική συσχέτιση πάχους χόνδρου µε φόρτιση (παχύτερος χόνδρος στις φορτίζουσες επιφάνειες) ü παχύτερος χόνδρος στις περιοχές µέγιστης επαφής µηρού κνήµης κατά την πλήρη έκταση

41

42 Διαταραχεσ του Σχηµατοσ των Οστων - Παραµορφωση

43 Δυσπλαστικο Ισχιο Αβαθής κοτύλη Ατελής κάλυψη κεφαλής Μικρή επιφάνεια φόρτισης (άνω/έξω) ΟΑ Arthroscopy Aug;26(8): doi: /j.arthro A clinically relevant review of hip biomechanics. Bowman KF Jr1, Fox J, Sekiya JK.

44 Βλαισο / Ραιβο Ισχιο (COXA VALGA / VARA) Arthroscopy Aug;26(8): doi: /j.arthro A clinically relevant review of hip biomechanics. Bowman KF Jr1, Fox J, Sekiya JK.

45 Συνδροµο Μηροκοτυλιαιασ Προσκρουσησ (Femoroacetabular impigment FAI)

46

47 Prospective cohort (SibKids) study n=34 5 έτη follow-up MRI dgemric τιµές χόνδρινων περιοχών συσχέτιση µε α-γωνία (µορφολογία cam) Χαµηλές τιµές έχουν συσχετιστεί µε την απώλεια γλυκοζαµινογλυκανών Διάγνωση πρόγνωση;

48 α-γωνία > 60º

49 Άνω-έξω χαµηλές τιµές dgemric σε cam (P < 0,001) Αρνητική συσχέτιση τιµών dgemric µε α-γωνία (κυρίως άνω-έξω-µπροστά, P < 0,001) Θετική συσχέτιση αρχικών τιµών dgemric µε εύρος µεσαρθρίου µετά από 5 έτη (P = 0,03) Καλύτερη προγνωστική ικανότητα µε συνεκτίµηση (θετική δοκιµασία πρόσκρουσης, α-γωνία, τιµές dgemric)

50 Εµβιοµηχανική οστεοαρθρίτιδας και θεραπεία

51 Χειρουργική θεραπεία Συνδεσµοπλαστική ΠΧΣ Συρραφή µηνίσκου Αποκατάσταση ραγέντων συνδέσµων Αποκατάσταση επιχειλίου χόνδρου Αποκατάσταση χόδρινων βλαβών Οστεοτοµίες Διόρθωση οστικών παραµορφώσεων

52 Συντηρητική θεραπεία Απώλεια σωµατικού βάρους Αλλαγή προτύπου βάδισης Νάρθηκες κηδεµόνες αποφόρτισης Στοχευµένη µυϊκή ενδυνάµωση Τροποποίηση υποδηµάτων Βοηθήµατα βάδισης

53

54

55

56 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η µελέτη της εµβιοµηχανικής της ΟΑ είναι πολύ δύσκολη!!! Οι νεότερες µέθοδοι πρέπει να εφαρµοστούν σε µεγάλους και καλά καθορισµένους πληθυσµούς για την εξαγωγή ασφαλών συµπερασµάτων Γενικά, διαταραχές των αξόνων κίνησης ή παραµορφώσεις των αρθρούµενων οστών και εφαρµογή υπέρµετρα µεγάλων δυνάµεων στις αρθρικές επιφάνειες µπορούν να οδηγήσουν στην ανάπτυξη και εξέλιξη της ΟΑ Η καλύτερη γνώση της εµβιοµηχανικής της ΟΑ έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη θεραπευτικών τακτικών (συντηρητική χειρουργική θεραπεία) Πιθανότατα στις επόµενες δεκαετίες θα δούµε και χρήση της γνώσης αυτής για την πρόληψη της ΟΑ

57 ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ!!!