Введение

Для успешного лечения любой патологии важно обладать большим багажом знаний не только по методикам диагностики и лечения, но и четко представлять структурные особенности области, органа и ткани, в которых эта патология возникает. Данное мнение в полной мере относится к диагностике, лечению и профилактике патологических состояний проксимального эпифиза бедренной кости человека. В доступной специальной литературе не ослабевает интерес исследователей к изучению причин, профилактики и лечению переломов шейки бедренной кости (ШБК). Ученые отмечают, что данная нозология составляет важный вклад в заболеваемость и смертность среди пожилых людей. По разным оценкам, во всем мире частота переломов ШБК неуклонно увеличивается: с 1,66 млн в 1990 г. до прогнозируемых 6,26 млн к 2050 г. [1]. Эпидемиологические данные в разных странах различны, но, по общемировым оценкам, переломы ШБК возникают примерно у 18% женщин и 6% мужчин. Хотя стандартизированная по возрасту заболеваемость постепенно снижается во многих странах, это значительно перевешивается старением населения [2]. Можно предположить, что прямые затраты, связанные с этим заболеванием, огромны, поскольку оно требует длительного периода госпитализации и последующей реабилитации. Кроме того, перелом ШБК связан с развитием других негативных последствий, таких как инвалидность, депрессия и сердечно-сосудистые заболевания, что влечет за собой дополнительные расходы для общества [2].

Все это делает исследование структурно-функциональных особенностей бедренной кости актуальным и своевременным. В научной литературе наряду с публикациями об особенностях структуры костной ткани проксимального эпифиза бедренной кости у людей разного пола, возраста и рода занятий есть немало работ, посвященных биофизическим аспектам этого органа. Механика и функциональная анатомия нагрузок на ШБК в целом известны, но относительный вклад этих источников нагрузок недостаточно хорошо изучен. На основе биомеханического анализа предполагается, что структура ШБК может быть такой, что мышцы бедра должны обеспечивать абдукторный (отводящий) момент для противодействия аддукторному (приводящему) моменту, вызванному перемещением массы тела на одну ногу. Вектор массы тела туловища сгибает ШБК вогнуто вниз, что приводит к сжатию нижней поверхности ШБК, а верхняя поверхность находится в напряжении. Мышцы-абдукторы бедра могут противодействовать этому, так как при активации они производят сгибание ШБК в вогнуто-восходящем направлении. В дополнение к тенденции сгибания ШБК компонент массы тела туловища и мышцы, пересекающие бедро, создают осевую компрессию на всю ШБК. Это осевое сжатие увеличивает нижнее поверхностное сжатие, уменьшая при этом верхнее поверхностное натяжение. Таким образом, становится ясно, что для создания механической устойчивости ШБК должен соблюдаться баланс между отдельными ее частями и факторами, ее нагружающими: массой тела, крупными мышечными группами. При этом сама шейка не имеет прямого контакта ни с телом, ни с мышцами, служа своеобразным связующим звеном между частями проксимального эпифиза, непосредственно контактирующими с нагружающими ее элементами: головкой, имеющей контакт с телом, и вертельной областью, служащей местом прикрепления мышц. Ввиду такого положения она является объектом пристального внимания исследователей: изучаются ее морфофункциональные особенности как на аутопсийном материале, так и на различных моделях. Причем ряд из них позволял оценить внутреннюю, балочную, архитектуру проксимального эпифиза [3—5], другие представляли собой параметрические модели на основе КТ- и МРТ-сканов [6, 7]. При этом все модели рассматривали ШБК как единое образование, а если и выполняли ее деление [8], то делали это условно, не основываясь на определенных анатомических ориентирах.

Цель исследования — демонстрация на основе параметрической модели проксимального эпифиза бедренной кости человека модульности строения ее шейки и выявление связи отдельных модулей с размерами головки и большого вертела.

Материал и методы

В работе использованы 53 мацерированные бедренные кости человека из остеологической коллекции кафедры анатомии ФГБОУ ВО РязГМУ Минздрава России без разделения по полу и стороне тела. Все кости принадлежали людям среднего и пожилого возраста и не имели выраженной патологии костной ткани. Кости фотографировали в стандартной укладке с масштабной линейкой в переднезадней проекции. Изображения переносили в персональный компьютер и обрабатывали в программе AutoCAD 2019. Создание параметрической модели выполняли в соответствии со следующим алгоритмом. Первоначально устанавливали костные ориентиры: верхушку большого вертела (2), грушевидную ямку (4) и центр головки (1), который выявляли путем достраивания ее усеченной окружности до целой. Вычерченной дугой, проведенной из центра головки, определяли точки пересечения наружного и внутреннего контуров шейки и дуги. Между полученными точками откладывали отрезок, середину которого принимали за середину шейки (3). Линию, проведенную через центр головки и середину шейки до пересечения с проксимальным и дистальным краями кости, принимали за ось шейки. По ней определяли длину проксимального эпифиза (5—6), которая составила 87, 29 [84,88; 92,98] мм. Проводили линию от точки грушевидной ямки (4) до проксимальной точки начала малого вертела, (8) которую принимали за дистальную границу шейки длина которой составила 47,85 [44,9; 50,65] мм. Дистальную границу головки бедренной кости определяли путем достраивания усеченной окружности головки до полной и соединения точек, расположенных в местах выхода окружности за пределы головки (9–10). Линию, проведенную между этими точками, также одновременно принимали за проксимальную границу шейки, длина которой составила 41,64 [39,15; 44,63] мм. Отрезок между полученной линией и дистальной границей шейки по оси считали длиной шейки, которая составила 31,12 [28,62; 32,62] мм в рассматриваемой проекции. С целью характеристики геометрии шейки по ее верхней и нижней поверхности проводили линии, параллельные оси шейки. В местах увеличения диаметра шейки отмечали точки как в сторону головки (a, c), так и в сторону вертельной области (b, d), которые соединяли линиями. От крайних точек дистальной (9, 10) и проксимальной (4, 8) границ шейки к точкам, отмечающим увеличение диаметра шейки, проводили линии. Получали параметрическую модель шейки, состоящую из трех модулей: проксимального, промежуточного и дистального (рис. 1).

Рис. 1. Проксимальный эпифиз бедренной кости человека.

а — нанесены референтные точки и линии; б — выделены цветом проксимальный, промежуточный и дистальный модули шейки.

Для каждого модуля вычисляли площадь. Кроме того, рассчитывали площадь суставной поверхности головки и большого вертела. Все кости были разделены на 4 группы по длине эпифиза: 80—85, 85—90, 90—95 и 95—100 мм.

Обработка данных. Статистический анализ данных выполняли на базе MSExcel 2016, определяли статистическую значимость различий средних величин, используя критерий U Манна—Уитни, для выявления и оценки тесноты связи использовали коэффициент ранговой корреляции Спирмена, его статистическую значимость оценивали при помощи критерия t Стьюдента. Различия структурных средних величин считали достоверными при 95% пороге вероятности: если уровень статистической значимости (p) был <0,05, нулевую гипотезу отклоняли. Количественные признаки представлены в виде медианы (Me) и интерквартильного размаха (25-й процентиль; 75-й процентиль): Me [LQ; UQ].

Результаты

Предложенная нами двухмерная параметрическая модель проксимального эпифиза бедренной кости человека позволила выявить ряд особенностей конструкции ее шейки. При изучении площади модулей ШБК можно отметить рост данных показателей при увеличении длины проксимального эпифиза (табл. 1).

Таблица 1. Средние значения площади модулей шейки бедренной кости (ШБК) человека в зависимости от длины ее проксимального эпифиза

Примечание. * — статистически значимые различия первой группы (80—85 мм) от других групп при p<0,05.

Средний прирост площади всей ШБК составил 29,5% при удлинении эпифиза с 80 до 100 мм. При этом площадь проксимального модуля увеличилась в среднем на 14,7%, промежуточного — на 15,8%, а дистального — на 29,4%. Обращает внимание, что достоверные отличия значений площади проксимального модуля обнаружены у первой группы (80—85 мм) с третьей (90—95 мм) при U=28; p<0,05 и с четвертой при U=15; p<0,05. Для промежуточного модуля выявлена схожая тенденция первой группы (80—85 мм) с третьей (90—95 мм) при U=34; p<0,05 и с четвертой при U=14; p<0,05. Дистальный модуль имел статистически значимые различия между первой группой (80—85 мм) и четвертой при U=14; p<0,05. Общая площадь ШБК имеет достоверные отличия у первой группы (80—85 мм) с третьей (90—95 мм) при U=31; p<0,05 и с четвертой при U=7; p<0,05.

Как видно из табл. 1, модули различались по размеру во всех четырех группах: наибольшую площадь имел дистальный модуль, меньшую — проксимальный, самые низкие значения площади во всех группах были у промежуточного модуля.

Предположив, что на площадь модулей шейки при удлинении проксимального эпифиза оказывают влияние также увеличивающиеся головка и большой вертел бедренной кости (табл. 2), мы изучили корреляцию между ними.

Таблица 2. Средние значения площади суставной поверхности головки и большого вертела бедренной кости человека в группах по длине проксимального эпифиза

Обнаружены следующие взаимосвязи: статистически значимую связь с площадью суставной поверхности головки имели площадь промежуточного модуля шейки (r=0,49; p=0,0002) и площадь дистального модуля (r=0,30; p=0,0332), а с площадью большого вертела — площадь проксимального модуля (r=0,34; p=0,0152). Статистически значимая связь площади головки и большого вертела была зарегистрирована с общей площадью ШБК (r=0,38 при p<0,05 и r=0,30 при p<0,05 соответственно). При рассмотрении соотношений данных показателей в отдельных группах по длине эпифиза статистически значимая высокая и заметная связь обнаружена только между площадью головки и площадью проксимального модуля в группе 80—85 мм (r=0,73; p=0,0056) и 85—90 мм (r=0,63; p=0,0050) соответственно.

Несмотря на то что с увеличением проксимального эпифиза отмечено увеличение и площадей выделенных нами модулей, соотношение средних структурных площадей модулей во всех исследованных группах может быть представлено как 1,37:2,25:1,0 (проксимальный : промежуточный : дистальный). При этом каждый модуль сохранял свой удельный вес в структуре общей площади шейки во всех исследуемых группах (рис. 2). В среднем она составила 33,5% для проксимального модуля; 20,5% для промежуточного и 46,0% для дистального.

Рис. 2. Экстенсивный показатель площади модулей шейки бедра человека (%) в структуре ее общей площади в группах по длине проксимального эпифиза.

Обсуждение

Наше исследование элементов проксимального эпифиза бедренной кости человека соответствует общему направлению работ по биомеханике скелета человека, основной научной задачей которых является поиск решения предотвращения переломов ШБК и последующей инвалидизации пациентов как молодого, так и старческого возраста.

В 2020 г. T. Rein [8] опубликовал интересные данные по сравнительному анализу ШБК у приматов относительно биомеханических особенностей нагрузки на нее, где убедительно показал, что длина шейки зависит от особенностей характера передвижения животного: древолазание, полуназемное передвижение с опорой на костяшки пальцев. Чем ближе было животное к преимущественно бипедальному типу передвижения, тем длиннее была ШБК. В данной работе четко показано, что у животных, имеющих локомоцию, близкую к бипедальности, строение ШБК имело схожие характеристики и не отличалось сильным разбросом параметров между группами исследования. Не последнюю роль в ее формировании, по мнению T. Rein, играет группа ягодичных мышц, прикрепляющаяся к большому вертелу бедренной кости [8]. Следовательно, ШБК филогенетически оказывается напрямую связана с перераспределением деформирующих напряжений с основной оси тела на нижнюю конечность. Таким образом, наши данные, демонстрирующие связь площади большого вертела и площади шейки, вполне соответствуют филогенетическим особенностям формирования данной анатомической конструкции у приматов в целом и у человека в частности. Достоверная связь между площадью суставной поверхности головки и дистальным модулем ШБК представляет собой компенсаторный механизм противодействия деформирующего воздействия массы тела на проксимальный эпифиз. При этом остается неясной установленная нами статистически значимая связь между площадью головки и площадью проксимального модуля только в группах до 90 мм. Возможно, это связано с тем, что ШБК имеет не столько плоскостные, сколько объемные характеристики. И при увеличении длины эпифиза до определенного порогового значения, например до 90 мм, происходят изменения ее пространственной архитектоники, о которых мы еще не имеем данных. С этих позиций предложенная нами модель несовершенна и требует доработки.

С другой стороны, в современной научной литературе активно разрабатываются биомеханические модели, позволяющие получить представление о возможности ШБК противостоять деформационным нагрузкам, возникающим при движении. В 2021 г. C. Deng и соавт. [1] опубликовали данные, основанные на двухфакторном анализе изменений MANOVA, по исследованию деформационных изменений у лиц разного возраста, возникающих в ШБК при передвижении. Показано, что наибольшее напряжение в ШБК возникает в момент спуска по лестнице, при этом достоверных различий между возрастными группами не обнаружено. Важно, что авторы изучали всю поверхность ШБК, не выполняя разделения на отдельные модули, хотя в литературе уже были публикации со схожими задачами и условиями проведения исследования, но с условным фрагментированием шейки. Среди них можно выделить работу M. Kersh и соавт. [9], в которой выявлена связь между работой ягодичных мышц и нагрузкой на передневерхний участок ШБК. Показано, что при движении по лестнице вниз и прыжках ягодичные мышцы совместно с возрастающей силой отдачи от поверхности пола способствуют возникновению точечных деформаций шейки в ее передневерхнем отделе и в определенных условиях могут провоцировать возникновение микротрещин и переломов. Полученные авторами данные, безусловно, важны, но оценивание деформаций ШБК в их исследовании проводилось без опоры на структуру, т.е. описательно. Представленный нами алгоритм разделения ШБК легко воспроизводим и опирается на исходные точки. Правильность подхода в выделении модулей шейки продемонстрировано сохранением значений экстенсивных показателей их площадей в структуре общей площади шейки независимо от длины эпифиза. Параметрическая модель, предложенная нами, позволяет более детально подойти к изучению деформационных напряжений в проксимальном эпифизе бедренной кости: эти данные дают возможность определить с одной стороны, зоны возможных повреждений при определенных направлениях деформирующих сил, с другой — разработать комплекс мер по предотвращению этих повреждений, например комплекс физических упражнений.

Заключение

Наше исследование показало, что исходные точки и анатомические ориентиры, на основании которых строилась предложенная модель, позволили выделить в ШБК 3 модуля. Площадь данных модулей увеличивалась в группах по длине проксимального эпифиза от 80 до 100 мм различно. Наибольший прирост имела площадь дистального модуля, увеличившись на 29,4%, что соответствовало приросту площади всей шейки, которая увеличилась на 29,5%. Важно отметить, что, несмотря на увеличение структурных значений площадей модулей, удельный вес площади каждого отдельного модуля в структуре общей площади ШБК сохранялся во всех группах. Оценивание взаимосвязей между площадями модулей шейки, суставной поверхности головки и большим вертелом показало наличие между ними статистически значимых достоверных корреляций.

Предложенная параметрическая модель модульного строения ШБК может быть интересна исследователям в различных областях медицины, так как с ее помощью можно не только изучать особенности течения патологических процессов в проксимальном эпифизе, но и предотвращать их. Последнее в полной мере можно отнести к спортивной медицине: понимание особенностей локального воздействия определенных мышечных групп на кость, характеризующегося способностью вызывать изменения в ее архитектонике, особенно ценно для разработки комплекса физических упражнений для как молодых, так и пожилых людей. При рассмотрении различных программ физических нагрузок следует учитывать, что механическая реакция кости на скелетно-мышечные силы зависит от конкретного участка, и эта специфика теряется при усреднении области деформации. Таким образом, использование данных о модульном строении ШБК может быть перспективным в междисциплинарных научных проектах.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — А.В. Павлов, С.А. Теплов, А.В. Ельцов

Сбор и обработка материала — С.А. Теплов, И.В. Бахарев, К.О. Слабачков

Статистическая обработка — А.В. Павлов, С.А. Теплов

Написание текста — А.В. Павлов, С.А. Теплов

Редактирование — А.В. Павлов

Participation of authors:

Concept and design of the study — A.V. Pavlov, S.A. Teplov, A.V. Eltsov

Data collection and processing — S.A. Teplov, I.V. Bakharev, K.O. Slabachkov

Statistical processing of the data — A.V. Pavlov, S.A. Teplov

Text writing — A.V. Pavlov, S.A. Teplov

Editing — A.V. Pavlov

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.