Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Динамика функциональных свойстви биомеханических характеристикмягких тканей голени в процессе естественногороста и при удлинении

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Динамика функциональных свойстви биомеханических характеристикмягких тканей голени в процессе естественногороста и при удлинении"



РГо ОД

2 1 АЗГ 1№

Гребенюк Людмила Александровна

Динамика функциональных свойств и биомеханических характеристик мягких тканей голени в процессе естественного роста и при удлинении

03.00.13 - физиология человека и животных

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Курган - 2000

I 1

Работа выполнена в лаборатории функциональных методов исследования Государственного учреждения науки Российского научного центра "Восстановительная травматология и ортопедия" им. акад. Г.А.Илмзарова

Научный руководитель:

доктор медицинских наук, профессор В.А. Щуров Научный консультант: - доктор медицинских наук A.B. Попков

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, профессор Л. В. Кривохижина доктор биологических наук, профессор А.П. Кузнецов

Ведущая организация: Тюменская государственная медицинская академия

Защита состоится "15" июня 2000 года в_часов на заседании диссертационного совета К 113.13.04. по присуждению ученой степени кандидата биологических наук в Челябинском государственном педагогическом университете, 454080, Челябинск, пр. Ленина, 69, ауд. 116.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Челябинского государственного педагогического университета

Автореферат разослан "14 " мая 2000 года. //

//

Ученый секретарь диссертационного совета ^ кандидат биологических наук, доцент ¿^ .'^/¿г^,..Д.З. Шибкова

/

ЕШ, о

Р/, Г<Р. 2П. бОГ &Л-ГО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Важнейшей задачей при реабилитации больных с укорочениями и деформациями конечности, помимо удлинения и коррекции ее оси, является восстановление биомеханических и функциональных свойств мягких тканей. Необходимость изучения биомеханических параметров опорно-двигательного аппарата человека связана с выявлением его предельных возможностей, механической и функциональной устойчивостью структур и органов при воздействии различных экстремальных факторов, например, при травмах, достижении высоких спортивных результатов, в условиях длительной гиподинамии.

Закономерности структурно-функциональных перестроек мягких тканей при моделировании длины и формы конечности также остаются мало изученными, в частности, различных параметров напряженно-деформированного состояния в течение всего периода удлинения и после завершения лечения. Одной из причин этого является возрастание методических ограничений при исследовании динамических характеристик биомеханического состояния такой сложной живой системы, какой является конечность человека. Живые биологические ткани обладают анизотропией, нелинейностью механических свойств и большой способностью к деформациям. Так, степень деформирования мягких тканей человека может изменяться до 200% и более. Это ведет к трудностям при исследовании функциональной устойчивости биомеханической системы конечности под воздействием фактора растяжения, создаваемым в условиях дистракцио!того остеосинтеза. Дополнительный элемент сложности привносится иерархической многоуровневой организацией ее компонентов. При этом возможно развитие не только локальных эффектов, но и удаленных от места воздействия и пролонгированных во времени.

Процесс удлинения конечности во время лечения больных с ортопедическими заболеваниями представляет собой уникальную возможность изучить биомеханическое поведение мягких тканей в условиях экстремальной ситуации - дозированного растяжения и удлинения сегмента на величины до 100% и более.

Актуальной остается и проблема контроля за реабилитационным процессом после воссоздания длины конечности, который определяется способностью всех ее компонентов, в том числе и мягкотканных, восстанавливать функциональные свойства в изменившихся биомеханических условиях.

Суммарное измерение силовых параметров в системе «аппарат-конечность» у больных с ортопедической патологией не позволяет оценить вклад каждого из компонентов удлиняемого сегмента в формирование дистракционных усилий (Попков A.B., 1977, 1994; Введенский С.П., Точилина Н.Б., 1986). В экспериментальных условиях было обнаружено, что различные мягкотканные образования оказывают неодинаковое сопротивление растяжению (Утенькин A.A. и Дьячкова Г.В., 1979). Контроль функционального состояния конечности в процессе дистракционного остеосинтеза имеет ряд ограничений, связанных с технологией лечения. И в этих условиях на передний план выдвигается количественное изучение биомеханических свойств мягких тканей удлиняемого сегмента. Знание их динамики позволит объективно оценивать характер протекания адаптационно-приспособительных процессов кожного покрова и в мышцах конечности и на их основе прогнозировать функциональные исходы и сроки восстановительного лечения.

На биомеханические свойства тканей конечности влияет ряд факторов: возраст, их продольные размеры, уровень тренированности (Виноградова Е.В., 1975; Виноградова Е.В., Михайлов И.Н., 1979; Го-лийски П. С. и соавт, 1988; Деев А.И. и соавт., 1998), характер оказываемых воздействий (Дьячкова Г.В., 1982; Щуров В.А. и соавт., 1983), наличие патологических изменений, в частности, рубцов (Федорова В.Н. и соавт., 1984). Кроме того, в условиях дистракционного остеосинтеза изменение механических свойств кожного покрова и мышечно-фасциального апппарата связано также с процессами регенерации тканей конечности (Илизаров Г.А., Щуров В .А., 1988; Калякина В.И. с соавт., 1988). Обнаруживаемые у больных в процессе дистракции рост и падение дистракционных усилий находится в прямой корреляционной связи с активностью регенерации кости. Однако роль мягкоткан-ных образований удлиняемого сегмента в создании оптимальных условий для нормального протекания регенерации остается недостаточно изученной.

Цель работы: сравнительное исследование динамики биомеханических и анатомо-функциональных свойств мягких тканей человека в условиях естественного роста и удлинения конечности. Задачи исследований:

1. Изучить возрастную динамику деформационных свойств кожного покрова нижней конечности у здоровых людей и её особенности у больных с укорочениями нижней конечности.

2. Изучить акустические свойства кожного покрова и структурно-функциональные свойства мышц у здоровых людей и в условиях оперативного удлинения голени у больных и экспериментальных животных.

3. Проследить особенности изменения акустических свойств кожи в условиях дозированного растяжения в поперечном направлении с помощью аппарата Илизарова у больных с синдактилией.

4. Оценить сократительную способность мышц голени у больных с диспропорционально низким ростом (ахондроплазией) до и после оперативного устранения ортопедической патологии.

Научная новизна:

Предложены методики: для определения сдвиговой жесткости и величины относительного удлинения кожи в условиях приложения постоянной нагрузки (рацпредложение №25 в соавт. с А.А.Утенькиным от 15.08.1989г.); изучения акустической анизотропии кожного покрова конечностей in vivo (рацпредложение №43 в соавт. с А.В.Попковым от 15.12.1989г.).

Впервые осуществлено комплексное исследование состояния мягких тканей голени у пациентов с укорочением нижних конечностей в процессе удлинения и в условиях естественного роста у людей. Прослежена возрастная зависимость деформационных свойств кожи в условиях дозированного растяжения, а также динамика их восстановления в новых условиях функционирования конечности.

Найдены закономерности акустической анизотропии кожного покрова конечности при уравнйвании длины голени у больных разного возраста с односторонним укорочением нижней конечности, а также у пациентов с синдактилией пальцев кисти. Морфологически подтверждено, что кожа межпальцевых промежутков пальцев кисти после дозированного растяжения имеет типичное для кожи здоровых лиц строение. Обнаружено разрастание эпидермиса и интенсивный рост дермы, а также интенсивное развитие придатков кожи и нервных окончаний.

Впервые с помощью ультрасонографии прослежена динамика эхоморфометрических показателей мягких тканей голени здоровых людей и в различные периоды удлинения.

Результатом проведенного исследования явилось получение новых знаний о межтканевых взаимоотношениях удлиняемой голени в единой биомеханической системе конечности. Прослежены особенности их восстановления в зависимости от методики удлинения и возраста пациентов.

Практическая значимость. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР РНД «ВТО» им. акад. Г.А.Илизарова и является фрагментом договора и МЗ РФ "Разработка новых технологических решений для удлинения, исправления деформаций и замещения дефектов конечностей различной этиологии, сравнительное клинико-экспериментальное изучение закономерностей роста тканей, состояния кровообращения, иннервации и обменных процессов (№ гос. регистрации 632/008/030).

Разработанные методики определения деформационных свойств и акустической анизотропии кожного покрова человека и животных применяются в диагностических и научных целях в клинике и экспериментальном отделе РНЦ "ВТО" им. акад. Г.А.Илизарова. Результаты исследований включены в программу лекций кафедры усовершенствования врачей при РНЦ "ВТО" им: акад. Г.А.Илизарова, а также обучения студентов лечебного факультета Курганского социально-экономического института.

Материалы диссертации использованы в методических рекомендациях "Способы исследования состояния мышц и прогнозирования функциональных исходов удлинения отстающей в росте голени по Г.А. Илизарову" (Курган, 1989г. Авторы В.А. Щуров, JI.A. Гребенюк) и "Прижизненное исследование биомеханических свойств кожных покровов" (Курган, 1994г. Авторы Л.А. Гребенюк, В.А. Щуров, A.A. Утенькин).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Функциональные свойства и биомеханические характеристики мягких тканей голени, прижизненная оценка которых основана на внедренных оригинальных методиках исследования, взаимосвязаны с возрастом и достигнутыми размерами конечности человека.

2. Дозированное растяжение сегментов конечности приводит к существенному повышению жесткости тканей, диапазон изменений которой должен находиться в пределах, обеспечивающих последующее восстановление функциональных свойств.

Апробация работы

Материалы диссертации доложены на 2-ой научной конференции по биомеханике (Нижний Новгород, ноябрь, 1994); на международной юбилейной научно-практической конференции, посвященной 25-летию РНЦ "РНЦ" (Курган, октябрь, 1996); II Международном конгрессе «Человек и его здоровье» (г. Санкт-Петербург, декабрь 1997), на Международном конгрессе «Медицинские технологии на рубеже веков: ме-

дицина - биология - техника - экономика (МБТЭ - 97) (г. Тула, декабрь 1997г.; на Всероссийской научно-практической конференции "Новые медицинские технологии на основе отечественного оборудования" (Омск, 10-13 ноября 1998г.); на 30 Областной научно-практической конференции врачей Курганской обл. (г. Курган, б мая 1998г.)

Результаты исследований по теме диссертации отражены в 15 печатных работах, изобретении СССР и заявке на патент РФ, 6 рационализаторских предложениях. Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 157 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы. Список литературы включает 97 отечественных и 110 зарубежных источников. Диссертации иллюстрирована 34 рисунками и 21 таблицей.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Объем и методы исследования. Обследована контрольная "группа практически здоровых людей в возрасте от 6 до 35 лет (342 чел.), а также группа лиц с врожденным односторонним укорочением берцовых костей (101 чел.), 16 человек с синдактилией межпальцевых промежутков пальцев кисти, 48 пациентов с ахондроплазией и 6 экспериментальных животных - беспородных взрослых собак. Исследование проводилось до оперативной коррекции, в процессе дистракции и фиксации, а также в различные сроки после окончания удлинения.

Удлинение голени осуществляли в отделении уравнивания длины конечностей РНЦ "ВТО". 'Были использованы методики монолокального дистракционного остеосинтеза, удлинение осуществляли в зоне проксимального метафиза на 3-6см (п= 101) и билокального остеосинтеза (п=10), у которых прирост длины достигал 4-11 см.

Из 36 обследованных с синдактилией шести пациентам, осуществляемом в отделении патологии кисти и стопы, фалангизацию пальцев осуществляли без предварительного растяжения, десяти - в процессе дистракции и до проведения дермопластики. Пациенты с ахонд-роплазией обследовались до и через 10-24 мес. после одновременного билокального удлинения голеней на 10-12 см. У животных удлинение одной из голеней производили монолокально на 2,5-Зсм.

Оценка деформационных свойств кожного покрова осуществлялась с помощью разработанного в РНЦ "ВТО" устройства, получаемые параметры характеризуют как деформационные (растяжимость или относительная деформация в %), так и упругие (сдвиговая жесткость в кгс/мм2* град.) свойства кожи.

Для изучения акустической анизотропии (акустовелосиметрии) использовали акустический анализатор кожи (ASA, производства России и Югославии) с диапазоном скоростей звуковой волны 15-300 м/с, частот - 103-104 Гц, относительной погрешностью 10% и усилием прижатия к коже 1,5-2,5 Н. Замеры проводились в четырех стандартных направлениях -поперечно, продольно и под углом 45 и 135 град, (декартовой системы координат) к анатомической оси конечности. При определении скорости звука по существу оценивается некоторый комплексный параметр, включающий модуль упругости кожного покрова.

С целью неинвазивной визуализации мягких тканей использовали ультрасонографию, которую осуществляли с помощью двух диагностических систем изображения - ультразвуковых установок SONO-LINE SI-450 (фирмы Siemens, Германия) и эхокамеры "ALOKA", модель SSD-630 (Япония), а также линейных датчиков 7,5 Мгц с шириной сканирования 63-67 мм. Достоинством этого метода, особенно при визуализации структур опорно-двигательного аппарата, является возможность проведения исследования осуществлять визуализацию при выполнении различных функциональных проб.

При проведении ультрасонографии определяли линейные размеры (толщину, мм) кожи и подкожной клетчатки и показатель акустической плотности кожи и мышц — эхоплотность (усл. ед.). Для измерения эхоплотности использовался метод гистограмм. Функция гистограмм отображает распределение интенсивности эхо-области в УЗ томографическом изображении выделенного участка. Полученное с помощью ультразвука изображение обрабатывается по стандартным программам, результаты измерений автоматически выводятся на экран монитора, а на термобумаге воспроизводится полученное изображение и результаты замеров.

Для оценки сократительной способности мышц голени с помощью динамометрического стенда, разработанного в РНЦ "ВТО" , измеряли максимальный момент силы мыщц передней и задней групп сегмента при исходной установке стопы в голеностопном суставе под разными углами в интервале от 80 (тыльная флексия) до 110 град, (подошвенная флексия), с шагом по 5 град.

Морфологические исследования проведены совместно с к.м.н. Н.К.Чикориной на операционном материале участков кожи межпальцевых промежутков 5 больных синдактилией и секционном материале здоровых лиц (контрольная группа). С помощью системы ДиаМорф был проведен морфометрический анализ гистологических препаратов

кожи. Эластические волокна изучали после окраски срезов орсеином по Унна-Тендеру.

Полученные данные обрабатывали методом вариационной статистики.

РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Проведенные исследования с помощью оригинальных методик определения деформационных свойств кожи (сдвиговой жесткости и растяжимости) позволили изучить динамику биомеханического состояния кожи сегментов конечностей у здоровых людей в процессе естественного роста и у пациентов с укорочением нижней конечности.

Зависимость сдвиговой жесткости кожи голени и бедра от возраста в группе здоровых людей была описана уравнениями линейной регрессии:

8г= 0,00995 * Т + 0,0412; г = 0,44 Р < 0,05,

где 8Г - сдвиговая жесткость кожи голени (кгс/мм2*град.), '

Т - возраст (годы), г - коэффициент корреляции;

Бб = 0,00830 * Т + 0,0192; г = 0,62; Р < 0,01,

где 8б - сдвиговая жесткость кожи бедра.

Величина относительной деформации (относительного удлинения или растяжимости) кожного покрова голени у здоровых детей и взрослых зависела нелинейно от возраста обследованных: е=3,0316 -е0,0693 т; г = 0,51; Р < 0,05, где е - величина растяжимости кожи голени (в %); Т - возраст, годы; е - основание логарифмов.

Таким образом, сравнительный анализ сдвиговой жесткости и относительной деформации кожи бедра и голени показал, что имеется четкая связь механических параметров кожи с возрастом для каждого из сегментов:

Характерно, что градиент увеличения жесткости в зависимости от возраста практически одинаков как для бедра, так и для кожи голени. Замеры деформационных свойств кожного покрова сегментов нижней конечности проводились по передней поверхности в области средней трети сегментов. А абсолютные значения показателей сдвиговой жесткости для кожи голени были выше, чем на бедре. В первую очередь это связано, по-видимому, с анатомо-топографическими особенностями кожного покрова (типом коллагеновой вязи в дерме) бедра и голени, меньшей подвижностью кожи голени и более прочной связью с подлежащими тканями (подкожной клетчаткой и поверхностной фасцией сегмента). Кроме того, различия сдвиговой жесткости кожи дистальных и проксимальных сегментов могут быть объяснены не

только отличием структурных свойств кожи и гиподермы, но и неодинаковым уровнем гидростатического давления в сосудах бедра и голени в позе стоя (Fung Y.C., 1982) и влиянием гравитации в филогенезе.

Экспоненциальная зависимость относительной деформации кожи сегментов нижней конечности у детей от возраста отражает существование нелинейно-упругой зависимости между нагрузкой кожи и деформацией, что согласуется с данными Фанга (1975). Изменение относительной деформации с возрастом неодинаково для различных сегментов нижней конечности - минимальный ее прирост найден для кожи голени. Следовательно, для дистальных сегментов нижней конечности растяжимость кожи (при постоянной по величине нагрузке, осуществляемой в процессе проведения замеров деформационных свойств), является одним из определяющих показателей при изучении диапазона изменения биомеханических свойств в процессе дозированного растяжения.

Следует отметить, что использованная в настоящей работе методика позволяет определять сравнительные механические параметры кожи, не давая абсолютных значений жесткости и ее удлинения. Вместе с тем, такие параметры как сдвиговая жесткость и относительная деформация представляют собой достаточно корректные характеристики. Определение их на кожных образцах не потребовало бы принципиально иной методики, хотя сдвиговая жесткость конкретизировалась бы как модуль Юнга второго рода, а относительная деформация делилась бы на упругую и на предельную, т. е. разрушения. Установленное в настоящем исследовании связанное с возрастом закономерное увеличение сдвиговой жесткости вызывает уменьшение относительной деформации, что подтверждается и в опытах на образцах кожи (Фанг Я.Ч., 1975). Структурной основой снижения растяжимости кожи является увеличение толщины и плотности коллагеновых волокон, а также степени их скручивания и переплетения.

При врожденном укорочении одной из нижних конечностей показатель сдвиговой жесткости кожного покрова укороченной голени до удлинения был ниже параметра на контралатеральном сегменте (табл. 1) и нелинейно зависел от возраста:

Sr = (- 0,0075 * Т3 + 0,0604 Т2 - 0.1321Т + 0,2) при R2 = 0,977, где S — сдвиговая жесткость (кгс/мм2*град.), Т - возраст (годы). У детей от 7 до 14 лет сдвиговая жесткость кожи укороченной голени до лечения колебалась от 0,1201 ± 0,01 до 0,1362 ± 0,02 кгс/мм2 * град. В группе больных 7-8 лет и у взрослых снижение показателя составило 60,4-

63,3%- В других возрастных группах больных детей и подростков выявлено большее снижение деформационных свойств. У них процентное соотношение исходного изучаемого параметра на укороченном и кон-тралатеральном сегментах составило от 80,9 до 87,9%.

При отставании в росте голени у больных главной задачей лечения являлось устранение неравенства в длине нижних конечностей. Неравенство в длине нижних конечностей, превышающее 2-3 см, служит показанием для удлинения. Для удлинения конечностей нашло широкое применение аппарата Илизарова. Важнейшим преимуществом используемого при этом метода является создание оптимальных условий для биомеханического состояния всех тканей удлиняемого сегмента, в условиях которого происходит не только собственно растяжение, но и индуцируются процессы роста и регенерации тканей.

Сравнительный анализ механических характеристик кожного покрова голени до и в различные сроки после ее удлинения показал, что под влиянием дозированного растяжения и после завершения уравнивания длины сегментов происходят следующие изменения. Через 60120 дней после лечения у большинства пациентов различных возрастных групп показатель сдвиговой жесткости удлиненной голени превысил параметр на интактном сегменте.

Прирост изучаемого параметра кожи укороченной голени через 60 - 120 дней после лечения по сравнению с показателем кожи интакт-ной голени составил от 11,1 до 79,9 %. Наибольший возрастание параметра наблюдался у больных 17-35 лет, наименьший - у пациентов 7-8 лет. А в возрастной группе больных 15-16 лет сдвиговая жесткость удлиненной голени была несколько ниже показателя на контрлатеральном сегменте (Р < 0,05).

Для изучения влияния дистракции и процессов релаксации на деформационные свойства кожи укороченной голени проводили исследования механических характеристик в течение первого месяца дистракции (четырехкратно, через 7 дней). Частота обследований во втором месяце - двухкратно. Такая частота замеров необходима для выявления динамики в процессе воздействия фактора растяжения на ткани удлиняемого сегмента. Дальнейшие наблюдения допустимо было проводить через большие промежутки времени.

Обнаружено, что у всех обследованных пациентов уже в первую неделю дозированного растяжения с ритмом по 0,25 мм за четыре подкрутки гаек аппарата Илизарова и темпом 1 мм в сутки показатель сдвиговой жесткости кожи удлиняемой голени значительно возрастал. У больных 7-8 лет он увеличивался в 5,4 раза, 10-11 лет - в 3,2 раза, а в

группе пациентов 15-16 лет и у взрослых - в 1,6 и 1,9 раз соответственно. Обращает на себя внимание тенденция к относительно большему возрастанию сдвиговой жесткости кожи оперированного сегмента у детей 7-8 лет. Характер изменений изучаемого параметра у обследуемых разных возрастных группу в целом был однонаправленным. Наибольших величин данный показатель достигал в дистракционном периоде, что явилось адекватной реакцией кожного покрова на прилагаемые извне усилия растяжения.

Прекращение действия фактора растяжения по достижении удлинения заданной величины приводило к развитию процессов релаксации в тканях голени. В период фиксации показатель сдвиговой жесткости закономерно снижался. В частности, у детей в возрасте 7-14 лет сдвиговая жесткость кожи удлиненной голени по истечении 120-180 дней после снятия аппарата Илизарова имела значения, близкие к исходным показателям.

Установлено, что деформационные свойства кожи контралате-рального сегмента в группе обследованных с врожденным укорочением одной из нижних конечностей при удлинении также подвержены определенным изменениям. В целом, обращает на себя внимание наличие определенной синхронности повышения сдвиговой жесткости кожи удлиняемой и контралатеральной голени в начале и конце дистрак-ции тканей оперированного сегмента, а также в конце фиксации (рис.1). И хотя отличия сдвиговой жесткости кожи интактного сегмента недостоверны, наблюдаемые изменения заслуживают внимания, так как феномен сопряженных реакций на оперированном и контралате-ральном сегментах конечностей был обнаружен для показателей гемодинамики другими авторами. Т.е., опосредованно проявляются воздействия прилагаемого извне фактора растяжения на различные физиологические характеристики, отражающие состояние тканей удлиняемого сегмента. Выявленные изменения, в первую очередь, связаны с системным реагированием кожного покрова как органа на прилагаемые воздействия при дозированном растяжении укороченной голени.

Важным показателем, отражающим пластические возможности кожного покрова, является его растяжимость (относительная деформация). При исследовании растяжимости (у, %) кожи укороченной голени у пациентов в возрасте от 7 до 35 лет обнаружена нелинейная зависимость показателя от анатомической длины сегмента (L, см): у=0,8225-Ы3,352е"0,159 *L ; е - основание логарифмов. По мере дозированного растяжения тканей удлиняемой голени растяжимость кожного покрова во всех наблюдаемых возрастных группах существенно сни-

жалась (табл.2; рис.2). Поэтому к концу периода дистракции выявлено значительное уменьшение показателя растяжимости кожного покрова голени -у детей более, чем в 11 раз, а у взрослых - в 15,8 раз (у = 0,05 -0,6%). У пациентов 12-14 лет снижение величины растяжимости кожного покрова голени при дистракции было менее выражено, что, по-видимому, связано с особенностями ее свойств предпубертатного периода естественного роста. А у обследованных 15-16 лет, укороченную голень которым также удлиняли монолокально, к концу периода дистракции обнаружено большее, чем у больных 12-14 лет, снижение показателя растяжимости. Одним из возможных объяснений наблюдаемых различий является увеличение у детей 12-14 лет резервов структурной адаптации ткани и более высокого уровня регенераторного потенциала.

| —А—болЬН.ГОЛ. - ИНТ. ГОЛ-1

п = 7

период печения, дни

Рис. 1. Изменение показателя сдвиговой жесткости кожи укороченной и контралатеральной голени в различные периоды лечения у детей 7-8 лет.

7-8 - С- 10-

п=7 4=12

период лечения, дни

Рис. 2. Динамика показателя растяжимости кожи укороченной голени у больных 7-8 лет и 10-11 лет в различные периоды удлинения. Д7 - Д60 — количество дней дистракции; Ф60 - дней фиксации; JI60 -после лечения 60 -120 дней; Лдо180 - через 120 -180 дней после лечения.

У обследованных детей и взрослых с врожденным укорочением голени при проведении сравнительного анализа растяжимости кожного покрова выявлена различная способность к растяжению в процессе удлинения сегмента. Обнаружено, что диапазон изменений растяжимости кожи укороченной голени у детей 7-8 лет существенно больше, чем у взрослых больных 17-35 лет.

Таким образом, при удлинении голени у пациентов с врожденным укорочением нижней конечности показатель растяжимость кожи сегмента претерпевает определенные изменения. Характеризуя способность кожного покрова, на какую часть первоначальной длины она может растянуться, растяжимость кожи значительно снижается как у детей и подростков, так и у взрослых. По мнению исследовате-

лей (Селезнев С.А., и Шульгина В.В., 1976; Виноградова Е.В., 1975), процесс растяжения кожного покрова происходит вначале за счет изменения направления коллагеновых и эластических волокон, а затем -растяжения части этих волокон. На величину растяжимости кожи влияет, в первую очередь, направление приложения силы, а затем -топографичекие возрастные особенности. У человека наибольшей растяжимостью обладает кожа живота, что было показано при испытаниях на образцах кожи.

Табл. 1.

Динамика показателя растяжимости (М±т, %) кожного покрова укороченной голени у больных различного возрас-

та в процессе дистракции

Дистракция(дни)

Возраст (годы), число наблюд. Доопе-рационные значения 7 14 21 31 45 60

7-8(п=7) 1,48 + 0,29 0,04 + 0,019* 0,27 ± 0,07** 0,02 + 0,008* 0,09 + 0,003* 0,50 ± 0,05** 0,06+ 0,04*

10-11 (п=12) 1,75 + 0,29 0,09 ± 0,01* 0,28 ± 0,10** 0,33 + 0,23** 0,41 + 0,14** 0,19 ± 0,06* 0,05+ 0,01*

12-14 (п=12) 2,10 + 1,28 - 0,65 + 0,05** 1,10 + 0,10** 0,55 + 0,04** 0,62 + 0,32* 0,58+ 0,56*

15-16 (п=12) 1,11 ± 0,24 0,52 + 0,26** 0,80 + 0,30** 0,77 + 0,32** 0,75 ± 0,65** 0,02 + 0,01* 0,10+ 0,05*

17-35 (п=12) 1,56 + 0,12 0,73 ± 0,28** 0,55 + 0,45** 0,55 + 0,40** 0,45 + 0,05** 0,33 ± 0,12** 0,10+ 0,06*

Прим. * - указана достоверность сдвиговой жесткости кожи укороченной голени по отношению к исходному показателю данного сегмента. * - Р<0,01; ** - Р < 0,05.

Исследования растяжимости кожного покрова конечностей человека под воздействием дозирбванного растяжения ранее целенаправленно не проводились, что связано с методическими трудностями. Выявленное в настоящей работе снижение растяжимости кожи голени при оперативном удлинении сегмента у ортопедических больных носит временный характер, с прекращением воздействия фактора растяжения в коже происходят процессы релаксации. Изменяются ее биомеханические свойства, структура. Кожа в данных условиях не только растягивается, но и регенерирует ("эффект Илизарова"). В ней, как и в других тканях удлиняемого сегмента, проявляется общебиологическое свойство тканей отвечать на дозированное растяжение ростом и регенерацией - "эффект Илизарова" (Г.А.Илизаров,1989).

Сравнительный анализ биомеханического поведения кожи голени в различные периоды удлинения при моно- и билокальном дистрак-ционном остеосинтезе выявил его однотипность. Однако при удлинении на двух уровнях величина достигаемого прироста длины составила 4-11 (в среднем, 6,4 ± 1,3) см и сдвиговая жесткость возрастала в 2,69

раз, а при монолокальном - 2-6 (в среднем, 4,1 ± 1,2) см, показатель сдвиговой жесткости увеличился в 4 раза. Вместе с тем, к 2 мес. фиксации снижение изучаемого параметра кожи удлиненной по методике билокального остеосинтеза голени было более выраженным и достигало 0,322 ± 0,05 кгс/ мм2 * град., несмотря на большую величину прироста длины сегмента при удлинении. Показатель сдвиговой жесткости при монолокальном остеосинтезе составил к этому же сроку фиксации 0,504 ± 0,12. При окончании периода фиксации сдвиговая жесткость кожи удлиненной голени в обеих группах больных достоверно не отличалась. Следовательно, продолжительность протекания восстановительных процессов в кожном покрове голени при билокальном остеосинтезе имеет меньшую длительность, чем в первой группе. К 6 мес. после снятия аппарата Илизарова величина сдвиговой жесткости в обеих группах практически одинакова и составила 0,208±0,04 и 0,207±0,01 кгс/ мм2 * град.

Положение о меньшем возрастании показателя растяжение тканей при удлинении на двух уровнях согласуется с данными работы других авторов (Щуров В.А. и соавт., 1983), которые отмечали достижение меньших величин напряжения растяжения в мышцах голени при билокальном остеосинтезе у больных ахондроплазией. Кроме того, применение билокального дистракционного остеосинтеза обеспечивает лучшие условия кровоснабжения тканей конечности, что в определенной мере может служит одним из объяснений более быстрого восстановления биомеханических свойств кожного покрова при удлинении на двух уровнях.

Для изучения особенностей акустических свойств кожи при ди-стракции в поперечном направлении у больных с синдактилией межпальцевых промежутков проведена серия исследований. При лечении этой группы больных с помощью дозированной тракции целенаправленно формируется дополнительная площадь покровных тканей. Для оценки механического состояния кожи кисти у больных с различными формами синдактилий нами был разработан и применен способ, в основе которого положено определение скорости звуковых волн (Патент РФ - В.И. Шевцов, Л.А. Гребенюк, М.Г. Знаменская, положительное решение № 96116763 (023036) от 16.08.1996). С помощью акустического анализатора кожи осуществлялись замеры скорости в необходимом участке кожи в процессе дистракции и фиксации. Обнаружено, что скорость звука в коже, по мере растяжения мягких тканей, возрастала во всех направлениях. Однако в большей степени она увеличивалась параллельно направлению тракционных усилий, т.е. поперечно и мак-

симальных величин достигала к концу дистракции. При завершении дозированного растяжения показатель скорости звука в коже ладонной поверхности в поперечном направлении достигал 218,4 м/с. Это значение превысило предоперационные величины в 2,8 раза. При этом исследуемый показатель в продольном направлении возрастал лишь в 1,3 раза.

На основе определения скорости звука и оценки ощущений пациента установлено, что при росте значений скоростей более, чем 2,8 раза, дистракцию, во избежание осложнений целесообразно прекращать. Это было подтверждено морфологическими исследованиями операционного материала при проведении аутодермопластики. Растянутая кожи имела нормальное по сравнению с кожей в группе здоровых лиц строение, были выявлены признаки активизации процессов роста в эпидермисе и дерме, а также переориентации коллагеновых волокон параллельно дистракционным усилиям. В сосочковом слое дермы коллагеновые волокна имели рыхлое расположение, активность фибробластов увеличена. Выявлена активная сосудистая реакция артериального типа, встречалось много венул. Установлено наличие активной макрофагальной реакции, увеличение плотности расположения лимфоцитов вокруг сосудов. Многочисленность мезенхимных клеток дермы (макрофагов, гистиоцитов, лимфоцитов и фибробластов), их тесное расположение свидетельствовали об активном метаболизме и транспорте между ними, способствующему синтезу и дифференциров-ке коллагеновых структур. В сетчатом слое дермы коллагеновые волокна приобретали направление сил натяжения, создаваемого аппаратом Илизарова.

Эластические волокна были тонкими, нежными, обнаруживались в базальном слое эпидермиса, более обильные и толстые - в дерме. Иногда встречались участки перерастяжения (наблюдалось у больного со сроком дистракции 37 дней), при этом в сетчатом слое дермы коллагеновые волокна также приобретали расположение по направлению сил натяжения. Отмечалось утолщение эластических волокон. В дерме наблюдалось множество свободных нервных окончаний и осумкован-ных телец Мейснера и Фатер-Пачини, а также эккриновых потовых желез и их выводных протоков.

Данный способ позволил оценивать в динамике степень растяжения кожи и своевременно диагностировать состояние, близкое к перерастяжению, и следовательно, предупреждать осложнения (перерастяжение или разрыв мягких тканей, нарушение трофики).

Таким образом, решена задача объективного контроля в режиме on line механических характеристик выращиваемых для аутодермопла-стики покровных тканей межпальцевых промежутков. Достигаемая при этом цель - своевременное предупреждение перерастяжения и надрывов кожного покрова, при которых возможно нарушение трофических процессов, снижение пластических возможностей тканей, что, в конечном счете, влияет на результаты моделирования формы.

Отсутствие в доступной литературе сведений о прижизненных структурных изменениях кожи конечностей здорового человека в процессе естественного роста и особенностях его структуры у больных с врожденным укорочением одной из нижней конечности послужило основанием для сравнительного анализа эхоморфометрических показателей кожного покрова голени человека с помощью ультрасонографии.

В результате прижизненного определения суммарной толщины различных слоев (эпидермиса и дермы) кожного покрова голени у здоровых людей (п=36) обнаружено, что у детей 10-12 лет измеряемый показатель составлял 1,18+0,08 мм, а у подростков 15-16 лет был больше на 31%. У взрослых здоровых лиц в возрасте 18-35 лет суммарная толщина эпидермиса и дермы оказалась выше аналогичного параметра у детей 10-12 лет на 80,5%.

У больных с врожденным укорочением голени до лечения (п=26) исследуемый показатель у детей младшей возрастной группы (5-8 лет) составил 1,89 ± 0,11 мм, в возрасте 10-12 лет и у подростков толщина кожи была больше на 8,5% и 10% соответственно. При этом изучаемые эхоморфометрические характеристики у больных были выше, чем у здоровых сверстников (Р < 0,05).

У взрослых больных 18-35 лет достоверных отличий толщины кожи от соответствующего параметра здоровых контрольной группы отличий не выявлено. Параллельно измерениям линейных параметров кожного покрова голени, используя методику сонографии, определяли его акустическую плотность. У больных с врожденным укорочением голени в исходном состоянии эхоплотность превысила данный показатель у здоровых детей 10-12 лет, составив 36,6±1,3 усл. ед. (Р<0,05), в то время как у взрослых пациентов с данной патологией наблюдалось его снижение до 26,0±7,0 усл. ед.

Выявленные в условиях in vivo с помощью ультрасонографии отличия в толщине и эхошотности кожи у здоровых и больных с врожденным укорочением голени различного возраста свидетельствуют о том, что у пациентов с укорочением конечности имеются изменения не только в костной ткани. Приведенные результаты указывают на изме-

нения таких параметров структуры кожи, как суммарная толщина дермы и эпидермиса и акустическая плотность.

О возможной связи изменений в кожном покрове конечностей с аномалиями развития костей различных костей (длинных, тазовых, позвоночнике) указывается в работах (Citivelli R. et al., 1989; Higginbot-tom M.C. et al., 1980; Sarosis D.J. et al., 1985; Novotny A. et al., 1988), a также в обзоре (Orlow S.J. et al., 1991). Выявленные отличия в показателях толщины и эхоплотности кожи укороченной голени у пациентов с укорочением одной из нижних конечностей, возможно, являются также следствием снижения функционального нагружения конечности (Gniadecka M.J. et al., 1994).

При дозированном растяжении выявлено, что толщина кожного покрова голени во всех наблюдаемых возрастных группах возрастала. Так, у больных в возрасте 5-8 лет в процессе дистракции изучаемый показатель кожи удлиняемой голени увеличился на 24,9%, у пациентов 10-14 лет - на 7,8%. У взрослых толщина кожи при дистракции'имела наибольший прирост - на 36,9%.

В ближайшие сроки после лечения (до 12 мес.) и в более поздние сроки - через 1-3 года толщина кожного покрова удлиняемой голени у пациентов с укорочением в возрасте 10-14 лет и 17-35 лет была выше по сравнению с исходным состоянием. Изменение биомеханических структурных параметров кожи при удлинении голени связано и с растяжением ее компонентов, в первую очередь коллагеновых пучков, и с ее активным ростом.

Выявленная динамика увеличения толщины кожи и показателя эхоплотности кожи в периоде фиксации и после завершения лечения у больных наблюдаемых групп отражает структурные преобразования в мягких тканях при динамически меняющихся биомеханических условиях системы "аппарат-конечность". Это согласуется с морфологическими данными о повышении толщины других мягких тканей (Илиза-ров Г.А. и соавт., 1987).

Проведенные с помощью ультразвуковой визуализации исследования структуры передней большеберцовой мышцы, длинного разгибателя пальцев и гиподермы в группе здоровых людей в возрасте от 10 до 34 лет позволили выявить определенную динамику изучаемых показателей. Показано увеличение с возрастом не только анатомической длины голени и величины обхвата голени в средней трети, то и площади поперечного сечения мышц передней группы. Отмечено, что в подростковом возрасте толщина подкожной клетчатки нарастает в большей степени, а в дальнейшем, по мере физиологического созревания мы-

шечной ткани, увеличивается толщина брюшка передней большебер-цовой мышцы и длинного разгибателя пальцев. Выявлены отличия показателя эхоплотности передней болыиеберцовой мышцы голени от эхоплотности ее собственной фасции у здоровых детей и взрослых. В среднем акустическая плотность фасции превышала показатель передней болыиеберцовой мышцы на 61 % и составила 34,0 -38,2 усл. ед. у здоровых людей. Эхоплотность мышц передней группы голени колебалась от 21,4 до 28 усл. ед.

Важным и информативным методом оценки функционального состояния опорно-двигательного аппарата является динамометрическое обследование, широко применяемое в физиологии труда и спорта. Измерение моментов силы мышц конечностей у здоровых детей и подростков выявило динамику их возрастного развития, а у больных с ортопедическими отклонениями после удлинения конечности позволяет определять уровень функциональной реабилитации.

У 178 здоровых детей и подростков в возрасте от 6 до 16 лет было проведено динамометрическое обследование мышц голени с помощью специального стенда, разработанного в РНЦ "ВТО".

У детей момент силы достигал 6-9 Н*м. В возрасте 11-14 лет у мальчиков и 11-12 лет у девочек отмечался существенный прирост исследуемого показателя. У мужчин момент силы мышц - тыльных сгибателей стопы был наибольшим, достигая 43 - 53 Н*м, у женщин показатель был ниже - 26-37 Н*м.

Выведена зависимость абсолютных значений моментов сил тыльных и подошвенных сгибателей стопы от возраста обследованных при установке стопы под углом 90 град, в виде уравнений регрессии:

Ft = 12,3 + 2,69Т, г =0, 95, где Ft -момент силы тыльных сгибателей стопы здоровых детей и подростков;

Fn = 34 + 8,07Т, г = 0,979, где Fn - момент силы подошвенных сгибателей стопы здоровых детей и подростков.

У 48 обследованных с отставанием в росте конечностей (больные ахондроплазией) в возрасте от 6 до 18 лет величины моментов силы мышц голени были снижены. Измерение показателя при различной установке стопы позволило выявить снижение силы мышц голени до 5,5 -11,4 Н*м (при угле в голеностопном суставе 90 показатель составил 9,7 ±1,0 Н*м, длина покоя мышц передней группы соответствовала установке стопы под углом 100 - 105 град. Уравнение регрессии возрастной динамики зависимости момента силы передней группы мышц

голени до удлинения при угле в голеностопном суставе 90 град, у больных ахондроплазией имело вид:

Рг = - 4,12 + 2,06Т, г = 0,959.

После оперативного удлинения выявлено недовосстановление силы мышц - тыльных сгибателей стопы. Через 3-11 мес. момент силы достигал 4,4 - 9,3 Н*м. При длине покоя (105 град.) динамометрический показатель был равен 9,4 Н*м. В более поздние сроки после лечения (12-23 мес.) момент силы мышц достигал больших величин - 6,1 -9,4 Н*м. А через 12-48 мес. после завершения удлинения показатель при длине покоя (110 град, в голеностопном суставе) достигал 10,3 Н*м, а при установке стопы под углом 90 град. - 6,1 Н*м. Таким образом, анализ уровня восстановления силы мышц тыльных сгибателей стопы у больных ахондроплазией показал, что после оперативного удлинения сегмента происходит смещение длины покоя мышц в направлении подошвенной флексии.

Изометрический максимум момента силы мышц сгибателей стопы у здоровых подростков выявлялся под углом 95 град., у больных до лечения - 105 град., в отдаленные сроки после лечения -110-115 град. Поэтому сравнивать уровень функционального восстановления мышц голени целесообразно не по показателю момента силы при стандартной установке стопы, а по величине изометрического максимума момента силы, соответствующего длине покоя мышцы. Этот максимум в ближайшие месяцы после окончания удлинения голени составил 82%, через год - 86%> и в более поздние сроки - 90 % от исходного уровня.

ВЫВОДЫ

1. Разработанные и внедренные методики исследования деформационных свойств и акустической анизотропии кожного покрова позволяют оценивать изменение состояния кожи в условиях естественного роста и под воздействием дистракции.

2. У здоровых детей и подростков пропорционально возрасту увеличивается сдвиговая жесткость кожи, снижается растяжимость кожного покрова голени, что соответствует возрастному снижению резерва пластических возможностей.

3. У больных с отставанием в продольном росте конечностей сдвиговая жесткость кожи голени ниже нормы в 2-2,4 раза. После оперативного уравнивания длины конечности показатель практически не отличается от параметров интактной голени.

4. Акустическая анизотропия кожного покрова в условиях дозированного растяжения изменяется вследствие увеличения скорости звука

в коже параллельно вектору растяжения. Данные клинических исследований подтверждены при проведении опытов у экспериментальных животных.

5. Исследование акустических свойств и дистракционных усилий при создании локального запаса площади кожного покрова у больных с синдактилией позволяет определить физиологический предел растяжения, обеспечивающий необходимую степень релаксации кожи с сохранением ее упруго-эластических свойств перед проведением пластической операции.

6. Отставание в росте голени почти в два раза у больных ахондропла-зией сопровождается задержкой возрастной динамики сократительной способности мышц. После оперативного увеличения длины голени на 60% от исходных размеров момент силы мышц не достигает условно исходного уровня. При анализе зависимости силы от длины мышцы выявлено смещение изометрического максимума (длины покоя) в сторону тыльной флексии.

7. На удлиненной голени возрастает акустическая плотность передней группы мышц голени, что, по-видимому, свидетельствует о временном увеличении в ее структуре соединительно-тканного компонента. При дистракционном остеосинтезе у ортопедических больных необходимо осуществлять контроль биомеханического состояния мягких тканей, сохранение которого в рамках физиологического диапазона изменений обеспечивает более полноценную реабилитацию удлиненной конечности.

8. Определение биомеханических параметров мягких тканей в процессе оперативного удлинения конечности позволяет объективно оценивать их состояние и находить физиологический диапазон изменений, превышение которого может привести к необратимому нарушению восстановления структурно-функциональных свойств мягких тканей.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Щуров В.А., Гребешок Л.А., Дьячкова Г.В. Динамика биомеханических свойств мышц в условиях естественного роста и после удлинения голени по Илизарову при ахондроплазии // Вопросы биомеханики в травматологии и ортопедии: (Науч. труды). - Казань, 1989. - С.55-58.

2. Гребешок Л. А., Утенькин А. А. Деформационные свойства кожи конечностей человека // «Физиологические механизмы адаптации человека и животных»: Тез. докл. II съезда физиологов Уральского региона (сентябрь, 1990 г.) - 1990. - С.136-137.

3. Биомеханические свойства кожи коиечмос'1 и человека при удлинении по Илизарову /Гребешок Л.А., Попков A.B., Утенькии A.A. и др. // Метод Илизарова: теория, эксперимент, клиника.: Тез. докл. Всесоюз. конфер. с участ. нностр. специал., посвящ. 70-летию Г.А.Илизарова и 40-летию разработан. им метода чрескостного остеосинтеза. Курган. - 1991. - С.265-268.

4. Способы исследования состояния мышц и прогнозирование функциональных исходов удлинения отстающей в росте голени по Г.А.Илизарову: Метод. рекомендации /МЗ РСФСР. ВКНЦ "ВТО"; Составит. Г.А.Илизаров, В.А.Щуров, JI.A.Гребешок. - Курган, 1989.-21 с.

5. Гребешок Л.А., Утенькии A.A. Механические свойства кожного покрова человека// Физиология человека. - 1994. - Т.20, №2. - С. 157-162.

6. Щуров В.А., Гребешок Л.А. Зависимость биомеханических свойств мышц голени от их длины у больных с патологией опорно-двигательного аппарата // Физиология человека. - 1994. - Т.20, №3. - С. 104-112.

7. Утенькии A.A., Гребешок Л.А. Методика исследования акустической анизотропии кожи человека // Физиология человека. - 1994. - Т.20, №5. -С.137-141.

8. Шевцов В.И., Гребешок Л.А. Характеристика реологических и акустических свойств кожного покрова конечности человека при ее удлинении // Физиология человека. - 1998. - Т.20, №1. - С. 1 -6.

9. Прижизненное исследование биомеханических свойств кожных покровов. Метод, рекомендации /МЗ РСФСР. РНЦ "ВТО"; Составит. Л.А.Гребешок, В.А.Щуров, А.А.Утенькии. - Курган, 1995. - 14 с.

10. Grebeniuk L.A., Schurov V.A. Peculiarities of age dynamics in biomechanical properties of the skin of lower limb // School of Fundamental Medicine Journal. -1997,-V.3,N.2.-P.73-74.

11. Гребешок JI.A. Информативность акустических методов исследования покровных тканей и акустическая анизотропия кожи конечностей здорового человека // Гений ортопедии. - 2000. - № 1. - С. 31 -35.

Изобретения и рационализаторские предложения

12. A.c. СССР № 1690684 Al А61 В 5/11. Заявл. 26.12.89. Опубл. в Бголлет. изобрет. №42, 15.11.91 "Способ определения функционального состояния мышц голени" (в соавт. с В.А.Щуровым).

13. Патент РФ "Способ оценки биомеханического состояния кожных покро-вои"Лвторы - Шевцов В.И., Гребешок J1.A., Знаменская М.Г. Положптсл. решение № 96116763 (023036) от 16.08.96г.

14. Рационализаторское предложение №25. Винтообразный шнек для использования устройства А.А.Утенькина (в соавт. с А.А.Утенькиным) от 15.08.89г.

15. Рационализаторское предложение № 43. Звуковой способ кол имеет- венного определения акусто-мсханичсскнх свойств кожи (в соавт. с Попковым A.B.) от 15.12.89 (РНЦ "ВТО" им. акад. I".А.Илизарова).