ANATOMICAL INVESTIGATIONS OF THE JOINTS HYDRAVLIC

Research article
DOI:
https://doi.org/10.18454/IRJ.2016.46.200
Issue: № 4 (46), 2016
Published:
2016/04/18
PDF

Abstract

In the literature there is no description of metabolic rate adaptation mechanisms of synovial joint fluid. This is especially true in the clinic for the treatment of articular diseases in the sport with loads on the joints and in geriatrics. Using the joints as a biomechanical unit, we investigated changes in intra-articular pressure and measured the volume of fluid pumped knee joint in one cycle full-range passive movements. Thus, we find that the knee joint can be seen as a two-stroke pump: one cycle of motion are filling phase 2 at an angle of 90 degrees of flexion and 2 phase injection: extensor - at an angle of 180 degrees, and flexion - at an angle of 45 degrees. Intensity of exchange of fluid in the joint, presumably affect the pumping function of joints, contributing substantially remove contents glenoid cavity with the intensity increasing with increasing amplitude movements.

Минигазимов Р.С.1, Гибадуллина Ф.Б.2, Насибуллина Л.Г.3, Гареева К. С.4, Латыпова А.М.5, Мухетдинова Л.З.6, Гибадуллина Г.Ф.7, Сахипова Л.Р.8, Курочкина А.О.9, Хисматуллина У.З.10, Фатхиева Л.Р.11

1Доцент, кандидат медицинских наук, Башкирский государственный медицинский университет; 2ORCID: 0000-0001-7454-2855, доцент, кандидат медицинских наук, Башкирский государственный медицинский университет; 3ORCID: 0000-0002-4685-8649, студентка, Башкирский государственный медицинский университет; 4ORCID: 0000-0001-8401-8555, студентка, Башкирский государственный медицинский университет; 5ORCID: 0000-0001-4419-2879, студентка, Башкирский государственный медицинский университет; 6ORCID: 0000-0001-6216-6936, студентка, Башкирский государственный медицинский университет; 7ORCID: 0000-0001-6332-3147, студентка, Башкирский государственный медицинский университет; 8ORCID: 0000-0003-0850-6682, студентка, Башкирский государственный медицинский университет; 9ORCID: 0000-0003-3327-8845, студентка, Башкирский государственный медицинский университет; 10ORCID: 0000-0003-0188-6299, студентка, Башкирский государственный медицинский университет; 11ORCID: 0000-0002-1570-7151, студентка, Башкирский государственный медицинский университет

АНАТОМИЧЕСКИЕ  ИССЛЕДОВАНИЯ  ГИДРАВЛИКИ  СУСТАВА

Аннотация

В литературе нет описания механизмов адаптации интенсивности обмена синовиальной жидкости сустава. Особенно это актуально в клинике при лечении суставных заболеваний, в спорте при нагрузках на суставы и в гериатрии. Используя суставы как биомеханический аппарат, исследовали изменения внутрисуставного давления и измеряли объем прокачиваемой коленным суставом жидкости за один цикл полноамплитудных пассивных движений. При этом, получили, что коленный сустав можно рассматривать как двухтактный насос: за один цикл движения проходят 2 фазы наполнения при угле сгибания 90 градусов и 2 фазы нагнетания: разгибательная - при угле 180 градусов и сгибательная – при угле 45 градусов. На интенсивность обмена жидкости в суставе, по-видимому, влияет насосная функция сочленения, способствующая, в основном, удалению содержимого суставной полости  с интенсивностью, возрастающей по мере увеличения амплитуды движений.

Ключевые слова: коленный сустав; насосная функция; внутрисуставное давление; движение; биомеханика.

Minigazimov R.S.1, Gibadullina F.B.2, Nasibullina L.G.3, Gareeva K. S.4, Latypova A.M.5, Mukhetdinova L.Z.6, Gibadullina G.F.7, Sakhipova L.R.8, Kurochkina A.O.9, Khismatullina U.Z.10, Fatkhieva L.R.11

1Associate Professor, MD, Bashkir state medical university; 2ORCID: 0000-0001-7454-2855, Associate Professor, MD, Bashkir state medical university; 3ORCID: 0000-0002-4685-8649, student, Bashkir state medical university; 4ORCID: 0000-0001-8401-8555, student, Bashkir state medical university; 5ORCID: 0000-0001-4419-2879, student, Bashkir state medical university; 6ORCID: 0000-0001-6216-6936, student, Bashkir state medical university; 7ORCID: 0000-0001-6332-3147, student, Bashkir state medical university; 8ORCID: 0000-0003-0850-6682, student, Bashkir state medical university; 9ORCID: 0000-0003-3327-8845, student, Bashkir state medical university; 10ORCID: 0000-0003-0188-6299, student, Bashkir state medical university; 11ORCID: 0000-0002-1570-7151, student, Bashkir state medical university

ANATOMICAL INVESTIGATIONS OF THE JOINTS HYDRAVLIC

Abstract

In the literature there is no description of metabolic rate adaptation mechanisms of synovial joint fluid. This is especially true in the clinic for the treatment of articular diseases in the sport with loads on the joints and in geriatrics. Using the joints as a biomechanical unit, we investigated changes in intra-articular pressure and measured the volume of fluid pumped knee joint in one cycle full-range passive movements. Thus, we find that the knee joint can be seen as a two-stroke pump: one cycle of motion are filling phase 2 at an angle of 90 degrees of flexion and 2 phase injection: extensor - at an angle of 180 degrees, and flexion - at an angle of 45 degrees. Intensity of exchange of fluid in the joint, presumably affect the pumping function of joints, contributing substantially remove contents glenoid cavity with the intensity increasing with increasing amplitude movements.

Keywords: knee joint; pump function; intra-articular pressure; movement; biomechanics.

Введение. Сустав является биомеханическим аппаратом. Каковы механизмы адаптации интенсивности обмена синовиальной жидкости сустава, обеспечивающей смазку и трофику суставных хрящей, к изменениям интенсивности движений в суставе? Естественно, повышение механической нагрузки на сустав сопровождается усилением симпатической иннервации синовиальной оболочки, усилением системного и местного кровообращения и лимфооттока. Общеизвестно, что синовиты и артриты сопровождаются увеличением количества жидкости в суставе, расширением полости сустава и распиранием его капсулы. Манометрически определено, что по мере наполнения коленного сустава умерших людей изотоническим раствором до 100 мл происходит постепенное возрастание внутрисуставного давления до 36,7 мм рт. ст. (Caughey D. E., Bywaters E.G.L., 1963). Пассивные движения в интактных и ревматоидных суставах умерших людей по мере их инъецирования изотоническим раствором в объеме до 100 мл сопровождаются изменениями положительного внутрисуставного давления до 245 и 480 мм рт. ст., соответственно (Jayson M.I.V., Dixon A.St., 1970). Нет работ по исследованию изменений внутрисуставного давления в суставах умерших людей во время пассивных движений при их естественном объемном наполнении изотоническим раствором. Так же нет исследований возможных изменений естественного объема внутрисуставной жидкости - объема суставной полости при пассивных движениях. Может ли и, если да, то какой объем жидкости сустав способен принимать (всасывать) и выжимать (откачивать) при пассивных движениях за счет механики сочленения с точки зрения возможной производительности его как механического насоса. То есть, существует ли механический фактор, способный ускорять обмен суставной жидкости во время движений?

Цели нашего исследования - определение изменений внутрисуставного давления и измерение объема прокачиваемой канюлированным самонаполняемым коленным суставом умерших людей жидкости за один цикл полноамплитудных пассивных движений.

Материал и методы исследования: 20 коленных суставов предварительно парапателлярно канюлировали металлической трубкой диаметром 2 мм и промывали физиологическим раствором.

Для измерения изменений внутрисуставного давления канюлю соединяли полиэтиленовой трубкой с тензометрическим датчиком давления, связанным с компьютером (рис. 1).

 21-04-2016 16-55-53 

Рис. 1. Блок-схема измерения внутрисуставного давления и объемной производительности сустава как насоса

1 - кран,   2 – впускной лепестковый клапан,   3 – выпускной лепестковый клапан,  4 – емкость для самонаполнения сустава, 5 – мерная посуда,    6 – тензометрический датчик давления.

 

Результаты исследования: Кривая зависимости давления от положения сустава на рис. 2 получена при частичном самонаполнении сустава через канюлю при угле сгибания около 60 градусов, соответствующему углу сгибания голени при обычной ходьбе. Максимальное давление (около 70 мм рт. ст.) создается при угле сгибания 45 градусов (максимальное сгибание), минимальное давление (минус 4 мм рт. ст.) – при прохождении положения 90 градусов. При максимальном разгибании (угол 180 градусов) давление несколько возрастает (20 мм рт. ст.). Плавная линия на графике – усредненные значения давления.

21-04-2016 16-55-06

Рис. 2.  Зависимость внутрисуставного давления от угла сгибания голени

Таким образом, происходят значительные изменения внутрисуставного давления при движениях в суставе. При этом, возрастание его происходит резко, в виде крутого пика, а отрицательное давление создается незначительное. То есть механика сустава способствует, в основном,  элиминации жидкости из его полости. Фильтрация жидкости в тканях, определяемая, в основном, механикой кровообращения, является сравнительно легким процессом по сравнению со сложным и медленным биохимическим процессом обратного его всасывания с подключением дополнительно лимфатического русла.

Количественные параметры типичной кривой «давление–положение сустава» зависят от исходного положения сустава при его самонаполнении. При максимальном самонаполнении (угол 90 градусов) происходят более резкие (до 250 мм рт. ст.) колебания давления без смещения в отрицательные значения (рис.3).

21-04-2016 16-54-29

Рис. 3.  Зависимость внутрисуставного давления от угла сгибания голени при максимальном самонаполнении сустава при угле сгибания 90 градусов

При минимальном самонаполнении сустава (при угле сгибания 45 градусов) низкоамплитудные колебания внутрисуставного давления находятся около нулевого уровня (плюс 20 – минус 10 мм рт. ст.). Форма типичной кривой давления, очевидно, зависит от изменения конгруэнтности сочленения при движениях, а количественные ее параметры зависят от наполнения сустава, от натяжения четырехглавой мышцы, от степени сдавления сустава сзади мягкими тканями при сгибании голени.

Для измерения объемной производительности коленного насоса канюлю через тройник соединяли с одной стороны, через впускной лепестковый клапан, с емкостью с водой на уровне сустава, с другой – через выпускной лепестковый клапан с мерной посудой на уровне сустава. За один цикл пассивных движений с максимальной амплитудой коленный сустав прокачивает воду в объеме 12+3 мл (от 6 до 20 мл у разных суставов). При этом данный объем жидкости сустав медленно всасывает при угле сгибания 90 градусов и под давлением откачивает при максимальном сгибании. При максимальном разгибании откачивается 3 мл жидкости, то есть объем полости сустава уменьшается примерно на 3 мл. На объемные показатели насосной функции сустава определяющее влияние оказывает низкое всасывающее давление, поэтому стабильные данные получаются при частоте движений цикл за 2 секунды и ниже (при диаметре канюли 2 мм).

Обсуждение результатов исследования: Таким образом, коленный сустав можно рассматривать как двухтактный насос: за один цикл движения проходят 2 фазы наполнения при угле сгибания 90 градусов и 2 фазы нагнетания, включающие разгибательную - при угле 180 градусов и сгибательную – при угле 45 градусов. Форма мыщелков бедра такова, что при угле сгибания 90 градусов вытянутые задние сегменты мыщелков несколько дистанцируют сочленяющиеся кости, увеличивая объем полости сустава, создавая в ней разрежение. При угле 180 градусов (опорная фаза ходьбы) уплощенные опорные площадки мыщелков бедра и большеберцовой кости садятся друг на друга, сближая сочленяющиеся кости, незначительно уменьшая объем полости сустава и увеличивая внутрисуставное давление. При максимальном сгибании голени (угол 45 градусов) мягкие ткани сзади и натянутая связка надколенника спереди сдавливают сустав, резко повышая в нем гидростатическое давление.

Очевидно, у живого человека изменения внутрисуставного давления в начале движений зависит от длительного исходного положения конечности. После длительного положения под углом 90 градусов полость сустава содержит максимальное количество жидкости, и начало движения будет сопровождаться значительным повышением внутрисуставного давления и растяжением капсулы. При экссудативных синовитах вынужденное положение сустава будет под углом 90 градусов с максимально возможным объемом наполнения. В плане объемной производительности насоса у живого человека клапанная функция может быть связана с клапанами лимфатических и венозных сосудов.

Заключение: На интенсивность обмена жидкости в суставе, по-видимому, влияет насосная функция сочленения, способствующая, в основном, удалению содержимого суставной полости  с интенсивностью, возрастающей по мере увеличения амплитуды движений.

Литература

  1. Вагапова, В.Ш. Исследование морфологии суставов в онтогенезе / В.Ш. Вагапова // Актуал. проблемы биологии и медицины: матер, междунар. конф. Астрахань, 2000. - С.33.
  2. Вагапова, В.Ш. Функциональная морфология коленного сустава / В.Ш. Вагапова // Медицинский вестник Башкортостана. – 2007. – Т. 2, №5. – С. 69-74.
  3. Валиуллин, Д.Р. Формирование жирового тела коленного сустава у плода /Д.Р. Валиуллин, В.Ш. Вагапова // Тезисы 5-го Общероссийского съезда анатомов, гистологов и эмбриологов. – М., 2004. – С. 18.
  4. Галлямов, М.М. Фиброархитектоника, биомеханические свойства и микроваскуляризация крестообразных и коллатеральных связок коленного сустава: автореф. дисс. канд. мед. наук. – Ярославль, 1989. – 23 с.
  5. Гиршин, С.Г. Коленный сустав (повреждения и болевые синдромы) / С.Г. Гиршин, Г.Д. Лазишвили. – М.: НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН, 2007. – 352с. http://elibrary.ru/item.asp?id=19538769 (дата обращения: 02.07.2015г.)
  6. Иоффе, М.Л. Кинематика плоского движения коленного сустава человека (Сколько степеней свободы имеет коленный сустав?) / М.Л. Иоффе // Российский журнал биомеханики. – 2008. – Т. 12, № 1 (39). – С. 59–67. http://elibrary.ru/item.asp?id=11739427 (дата обращения: 02.07.2015г.)
  1. Костина, Ю.В. Развитие синовиальных сумок коленного сустава в пренатальном и на этапах постнатального онтогенеза человека : автореферат дис. на соиск. учен. степ. кандидата медицинских наук (14.03.01) / Юлия Валлинуровна Костина / Башкир. гос. мед. ун-т. – Уфа, 2011 – 22 c.
  2. Минигазимов, P.C. Структурные основы «синовиальной помпы» суставов / P.C. Минигазимов, В.Ш. Вагапова, А.Г. Габбасов // Тез. V общероссийского съезда анатомов, гистологов и эмбриологов. – М., 2004. – С. 66.
  3. Миронов, С.П. Повреждения связок коленного сустава / С.П. Миронов, А.К. Орлецкий, М.Б. Цыкунов. – М.: Лесар, 1999. – 208 с.
  4. Нурбулатова, Л.Г. Строение стенок синовиальных сумок коленного сустава / Л.Г. Нурбулатова, В.Ш. Вагапова // Медицинский вестник Башкортостана. – 2010. – Т. 5, № 3. – С. 104-107.
  5. Оценка параметров минеральной плотности костной ткани различных сегментов скелета у пациентов ортопедического профиля / Т.Б. Минасов, И.Р. Гафаров, А.О. Гиноян и др. // Мед. вестн. Башкортостана. – 2014. – T. 9. – №6. – С. 61-63.
  6. Рыбалко, Д.Ю. Строение менисков коленного сустава человека и их фиксирующего аппарата в зрелом, пожилом и старческом возрастах: диссертация на соиск. учен. степ. кандидата медицинских наук (14.00.02) / Дмитрий Юрьевич Рыбалко / ГОУВПО "Башкирский государственный медицинский университет". – Уфа, 2007. – 203 с.: ил.
  7. Самоходова, O.B. Строение менисков коленного сустава у плодов человека / О.В. Самоходова, В.Ш. Вагапова // Морфология. – 2000. – Т.117. – №3. –С.106.
  8. Стрижков, А.Е. Аналитическое описание формы суставных поверхностей крупных суставов человека в пре- и неонатальном онтогенезе / Стрижков А.Е. // Морфологические ведомости.- № 1-2, приложение №1. – 2006. – С.275-278.
  9. Стрижков, А.Е. Основные стадии органогенеза связочного аппарата крупных суставов нижней конечности / А.Е. Стрижков, В.Ш. Вагапова, A.A. Сальманов // Морфология. – 2004. – № 4. – С. 118.
  10. Caughey, D.E. Joint fluid pressure in chronic knee effusions / D.E. Caughey, E.G.L. Bywaters // Ann. Rheum. Dis. – 1963 (22). – P. 106.
  11. Hopf, T. Cruciate ligament injuries with knee joint effusion – why can Lachman sign not be elicited? / T. Hopf, M. Gleitz, S. Rupp // Z. Orthop. – 1996. – Bd. 134. – S. 418 – 420.
  12. Jayson, M.I.V. Intra – articular pressure in rheumatoid arthritis of the knee pressure changes during joint use / I.V. Jayson, A.St.J. Dixon // Ann. Rheum. Dis.- 1970.- 29(4). -  P. 401-408.
  13. Sheehan, F.T. Human patellar tendon strain. A nonivasive, in vivo study / F.T. Sheehan, J.E. Drace // Clinical ortopaedics and related research. - 2000. - Vol. 370.- P. 7-201.
  14. Smith, H.E. Spatial variation in cartilage „Т2 of the knee. / H.E. Smith, T.J. Mosher, B.J. Dardzinski et al. // Journal of magnetic resonance imaging: JMRI. 2001. - 14 (1). - pp. 50-55.
  15. Walker, P.S. Biomechanics of the patella in total knee replacement. / P.S. Walker // Knee surgery, sports traumatology, arthroscopy : official journal of the ESSKA. 2001. (1) - pp. 3-7.

References

  1. Vagapova V.Sh. Issledovanie morfologii sustavov v ontogeneze [Research of morphology of joints in ontogenesis] Aktual'nye problemy biologii i mediciny: mater, mezhdunar. konf. [Actual problems of biology and medicine: materials of the international conference] Astrahan', 2000. P.33.
  2. Vagapova V.Sh. Funkcional'naja morfologija kolennogo sustava [Functional morfologi of a knee joint] Medicinskij vestnik Bashkortostana. [Medical bulletin of Bashkortostan] 2007. T. 2, №5. P. 69-74.
  3. Valiullin D.R., Vagapova V.Sh. Formirovanie zhirovogo tela kolennogo sustava u ploda [Adipose body of knee joint forming at fetus] Tezisy 5-go Obshherossijskogo s#ezda anatomov, gistologov i jembriologov. [Theses of the 5th All-Russian congress of anatomists, histologists and embryologists] M., 2004. P. 18.
  4. Girshin S.G., Lazishvili G.D. Kolennyj sustav (povrezhdenija i bolevye sindromy) [Knee joint (damages and pain syndromes)] M.: NCSSH im. A.N. Bakuleva RAMN, 2007. 352p. http://elibrary.ru/item.asp?id=19538769 (data obrashhenija: 02.07.2015g.)
  5. Galljamov M.M. Fibroarhitektonika, biomehanicheskie svojstva i mikrovaskuljarizacija krestoobraznyh i kollateral'nyh svjazok kolennogo sustava: avtoref. diss. kand. med. nauk. Jaroslavl' [Fibroarkhitektonik, biomechanical properties and microvascularization of crucial and collateral ligaments of a knee joint] 1989. 23 p.
  6. Ioffe M.L. Kinematika ploskogo dvizhenija kolennogo sustava cheloveka (Skol'ko stepenej svobody imeet kolennyj sustav?) [Kinematics of the flat movement of a knee joint of the person (How many degrees of freedom has a knee joint?)] Rossijskij zhurnal biomehaniki. [Russian magazine of biomechanics] 2008. T. 12, № 1 (39). P. 59–67. http://elibrary.ru/item.asp?id=11739427 (data obrashhenija: 02.07.2015g.).
  7. Kostina Ju.V. Razvitie sinovial'nyh sumok kolennogo sustava v prenatal'nom i na jetapah postnatal'nogo ontogeneza cheloveka [Development of the synovial bags of a knee joint in prenatal and at stages of post-natal ontogenesis of the person]: avtoreferat dis. na soisk. uchen. step. kandidata medicinskih nauk (14.03.01) Julija Vallinurovna Kostina Bashkir. gos. med. un-t. Ufa, 2011. 22 p.
  8. Minigazimov P.C., Vagapova V.Sh., Gabbasov A.G. Strukturnye osnovy «sinovial'noj pompy» sustavov [Structural bases of "a sinovialny pomp" of joints] Tezisy V obshherossijskogo s#ezda anatomov, gistologov i jembriologov. [Theses of the 5th All-Russian congress of anatomists, histologists and embryologists] M., 2004. P. 66.
  9. Mironov S.P., Orleckij A.K., Cykunov M.B. Povrezhdenija svjazok kolennogo sustava [Injuries of ligaments of knee joint] M.: Lesar, 1999. 208 p.
  10. Nurbulatova L.G., Vagapova V.Sh. Stroenie stenok sinovial'nyh sumok kolennogo sustava [Structure of synovial  bags’ walls of a knee joint] Medicinskij vestnik Bashkortostana  2010.  T. 5, № 3. [Medical bulletin of Bashkortostan] P. 104-107.
  11. Otsenka parametrov mineral'noy plotnosti kostnoy tkani razlichnykh segmentov skeleta u patsientov ortopedicheskogo profilya [Estimation of parameters of mineral density of bone tissue of various segments of the skeleton in patients after orthopedic surgery] Minasov T.B., Gafarov I.R., Ginoyan A.O., Fayzullin A.A., Minasov I.B. Medicinskij vestnik Bashkortostana , 2014. T. 9, no. 6. [Medical bulletin of Bashkortostan] P.  61-63.
  12. Rybalko D.Ju. Stroenie meniskov kolennogo sustava cheloveka i ih fiksirujushhego apparata v zrelom, pozhilom i starcheskom vozrastah: dissertacija na soisk. uchen. step. kandidata medicinskih nauk (14.00.02) [Structure of meniscuses of a knee joint of the person and their fixing device at mature, elderly and senile age] Dmitrij Jur'evich Rybalko / GOUVPO "Bashkirskij gosudarstvennyj medicinskij universitet". Ufa, 2007. 203 p.: il.
  13. Samohodova O.B., Vagapova V.Sh. Stroenie meniskov kolennogo sustava u plodov cheloveka [Structure of meniscuses of a knee joint at fetus of the person] Morfologija. 2000. T.117. №3. P.106.
  14. Strizhkov A.E. Analiticheskoe opisanie formy sustavnyh poverhnostej krupnyh sustavov cheloveka v pre- i neonatal'nom ontogeneze [The analytical description of a form of articulate surfaces of large joints of the person in pre-and neonatal ontogenesis] Morfologicheskie vedomosti. № 1-2, prilozhenie №1 2006. [Morphology sheets] P.275-278.
  15. Strizhkov A.E., Vagapova V.Sh., Sal'manov A.A. Osnovnye stadii organogeneza svjazochnogo apparata krupnyh sustavov nizhnej konechnosti [Main stages of an organogenesis of the copular device of large joints of the lower extremity] Morfologija. 2004. № 4. [Morfology] P. 118.
  16. Caughey D.E., Bywaters E.G.L. Joint fluid pressure in chronic knee effusions. Annals of the Rheumatic Diseases, 1963 (22). P. 106.
  17. Hopf T. M., Gleitz S., Rupp Z. Cruciate ligament injuries with knee joint effusion – why can Lachman sign not be elicited? Orthopedia, 1996. Bd. 134. P. 418 – 420.
  18. Jayson M.I.V., Dixon A.St.J. Intra – articular pressure in rheumatoid arthritis of the knee pressure changes during joint use. Annals of the Rheumatic Diseases, 1970. 29(4). P. 401-408.
  19. Sheehan F.T., Drace J.E. Human patellar tendon strain. A nonivasive, in vivo study. Clinical ortopaedics and related research. 2000. Vol. 370. P. 7-201.
  20. Smith H.E., Mosher T.J., Dardzinski B.J. Spatial variation in cartilage „Т2 of the knee. Journal of magnetic resonance imaging: JMRI. 2001. 14 (1). pp. 50-55.
  21. Walker P.S. Biomechanics of the patella in total knee replacement. Knee surgery, sports traumatology, arthroscopy : official journal of the ESSKA. 2001. (1) pp. 3-7.