Klinična uporabnost kolčnega tlaka pri odraslih z displazijo kolka

Klinična uporabnost kolčnega tlaka pri odraslih z displazijo kolka Blaž Mavčič 1,2, Vane Antolič 1, Marko Kralj 1, Aleš Iglič 3, Veronika Kralj-Iglič 2 1 UKC LJUBLJANA, Ortopedska klinika, Ljubljana 2 UNIVERZA V LJUBLJANI, Medicinska fakulteta, Ljubljana 3 UNIVERZA V LJUBLJANI, Fakulteta za elektrotehniko, Ljubljana IZVLEČEK Kolčni tlak naj bi bil eden od dejavnikov tveganja za degeneracijo hrustanca in posledični osteoartrozi kolka, vendar klinična uporabnost določanja kolčnega tlaka pri odraslih z displazijo kolka doslej ni bila raziskana. V tem prispevku obravnavamo vlogo določanja kolčnega tlaka pri neoperiranih bolnikih z blago obliko kolčne displazije in pri bolnikih s periacetabularno osteotomijo medenice. Rezultati kažejo, da je kumulativni kolčni tlak neodvisni napovedni dejavnik za pojav artroze v neoperiranih kolkih, zmanjšanje kolčnega tlaka s periacetabularno osteotomijo pa je povezano z boljšim dolgoročnim izidom operacije. IZHODIŠČA Z izrazom razvojna displazija kolka označujemo številne anatomske in morfološke abnormnosti v razvoju kolka, ki so lahko prirojene ali se pojavijo v zgodnjem ali kasnem otroškem starostnem obdobju. Za displazijo je značilna pomanjkljiva sprednja, zlasti pa stranska pokritost kolčne glavice s kolčno ponvico, kar lahko privede do neskladnosti in nestabilnostiv kolčnem sklepu, v daljši dobi do nastanka degenerativnih sprememb (1). Degeneracija sklepnega hrustanca je pri displastičnem kolku posledica zmanjšanja obremenilne sklepne površine (2). Bernska periacetabularna osteotomija medenice po Ganzu je metoda izbora za operativno zdravljenje razvojne displazije kolka (Slika 1). Z osteotomijo in reorientacijo acetabula želimo zmanjšati subjektivne težave, predvsem bolečinski sindrom, in preprečiti ali zaustaviti napredovanje degenerativnih sprememb z zmanjšanjem obremenitve sklepnega hrustanca (1). Merila za odločitev glede operativnega zdravljenja niso natančno opredeljena, pa tudi naravni potek bolezni ob odsotnosti operativnih posegov ni vedno enak. V preteklosti so skušali opredeliti stopnjo displazije z rentgenskimi morfološkimi parametri (acetabularni indeks, Wibergov kot ϑ CE ), kasneje pa tudi z biomehanskimi parametri (rezultantna kolčna sklepna sila, kolčni tlak, gradient kolčnega tlaka), vendar uporabnost teh parametrov v klinični praksi ni bila potrjena z dolgoročnim spremljanjem (2, 3). Težava je namreč v tem, da pri kolčni displaziji od prepoznave bolezni do pojava poznih posledic (t.j. osteoartroze) mine lahko od 30-50 let. Posvetovanje: Biomehanika v zdravstvu, 1. december 2008 81

Slika 1. Shema periacetabularne osteotomije po Ganzu (1). Žaganje kostnine poteka po označenih črtah v vrstnem redu od 1 do 5. Namen našega dela je bil ovrednotiti klinično uporabnost določanja kolčnega tlaka pri odraslih bolnikih z displazijo kolka. Pri neoperiranih bolnikih z blažjimi oblikami displazije smo preučili napovedno vrednost kolčnega tlaka za pojav osteoartroze po več kot 20-letnem obdobju spremljanja. Bolnike, ki so se težjih oblik displazije kolka v zgodnji odrasli dobi odločili za periacetabularno osteotomijo medenice, smo 7-15 let po posegu povprašali o težavah s kolki in dolgoročno uspešnost operacije primerjali s predoperativnimi ter pooperativnimi vrednostmi kolčnega tlaka. METODE Preiskovanci z neoperiranimi displastičnimi kolki Iz več kot 20 let starih rentgenskih posnetkov skeletno zrelih preiskovancev, ki so bili takrat brez vsakršnih simptomov v kolkih, smo določili kumulativni in maksimalni kolčni tlak ter ga primerjali s kliničnim statusom kolkov v sedanjosti (4, 5). V arhivu Ortopedske klinike, Klinični center Ljubljana, smo sistematično pregledali več kot 7.500 zaporednih arhivskih rentgenskih posnetkov preiskovancev, ki so v letih 1965-1967 obiskali ortopedsko ambulanto. V študijsko skupino smo uvrstili 58 kolkov (29 žensk, 5 moških), ki so bili v arhivskih zapisih obravnavani in neoperativno zdravljeni pod diagnozo "prirojen izpah kolka" ali "razvojna displazija kolka" in v času prvega rentgenskega posnetka v skeletni zrelosti niso imeli v kolkih nobenih kliničnih simptomov ali degenerativnih sprememb. Čas od prvotnega rentgenskega posnetka do klinične ocene v sedanjosti je v povprečju znašal 29 ± 6 (20-41) let. Pri 24 osebah je bila displazija kolka v otroštvu ugotovljena obojestransko. Povprečna starost preiskovancev ob sedanji klinični oceni kolkov je znašala 51 ± 11 (38-80) let, indeks telesne mase pa 26,0 ± 3,6 (19,0-34,5) kg/m 2. 82 Posvetovanje: Biomehanika v zdravstvu, 1. december 2008

Preiskovanci s periacetabularno osteotomijo displastičnega kolka Analizirali smo tudi 26 bolnikov, ki so bili zaradi razvojne displazije zdravljeni z Ganzovo periacetabularno trojno osteotomijo medenice na Ortopedski kliniki v Ljubljani med januarjem 1987 in decembrom 1995. V skupini je bilo 22 bolnic ženskega in 4 moškega spola. Povprečna starost 26 bolnikov ob operaciji je bila 33,5 ± 9,6 (18-50) let. Od 26 bolnikov, vključenih v analizo, jih je bilo 15 operiranih na desni strani in 11 levo. Predoperativne in postoperativne vrednosti kolčnega tlaka smo primerjali s klinični statusom operiranih kolkov 7-15 let po periacetabularni osteotomiji (6, 7). Določanje kolčnega tlaka Uporabili smo neinvazivno metodo HIPSTRESS (8, 9, 10) za določanje maksimalnega kolčnega tlaka iz anteriorno-posteriornih rentgenskih posnetkov okolčja, ki obsega matematični model za izračun rezultantne kolčne sile in matematični model za določitev porazdelitve kolčnega tlaka v sklepni plasti. Izračun kolčne sile temelji na statični analizi sil v kolčnem sklepu pri stoji na eni nogi, kar je položaj, ki približno ustreza fazi stoje na eni nogi med počasno hojo (11). Matematični model vključuje 9 mišic, ki so aktivne pri abdukciji v kolčnem sklepu in so nadalje razdeljene v tri skupine (sprednja, lateralna in zadnja), pri čemer je upoštevana predpostavka enake povprečne mišične napetosti v vsaki od treh skupin. Koordinate mišičnih narastišč so določene z linearno prilagoditvijo podatkov iz dela avtorjev Dostala in Andrewsa (12), ki sta narastišča izmerila na kadavrski medenici izbranega posameznika in njihov položaj primerjala s podatki z rentgenskih slik medenice in okolčja. Linearna ekstrapolacija se opravi v različnih smereh glede na vrednost medkolčne razdalje l, širine krila črevnice C, višine krila črevnice H, ter glede na koordinati narastišča abduktorjev na velikem trohantru Tx in Tz. Iz sistema dveh enačb za ravnovesje sil in navorov v kolčnem sklepu izračunamo velikost rezultantne kolčne sile R in njen nagib glede na navpičnico. Velikost rezultantne kolčne sile R, njen nagib glede na navpičnico, Wibergov kot lateralnega pokritja kolčne glavice ϑ CE in polmer kolčne sklepne površine so vhodni podatki za matematični model porazdelitve kolčnega tlaka v sklepni plasti. Kumulativni kolčni tlak p cml smo kot približek skupne obremenitve kolčnega sklepa v življenju posameznika izračunali z zmnožkom pmax in starosti preiskovanca. Ocenjevanje kliničnega statusa kolkov Klinični status kolkov smo ocenili z lestvico WOMAC TM VA3.1, ki je eden od najbolj uveljavljenih kazalnikov za spremljanje artroze v kolku (13). Vprašalnik obsega 24 vprašanj o bolečinah v kolkih, otrdelosti sklepov in funkcionalni oviranosti. Preiskovanec poda odgovor na vsako vprašanje v obliki križca na 100 mm dolgi daljici VAS (angl. visual analog scale), raziskovalec pa odmeri razdaljo križca od začetka daljice in rezultat poda v milimetrih. Asimptomatskemu kolku ustreza rezultat 0 mm, bolečemu in otrdelemu kolku z močno funkcionalno oviranostjo pa ustreza rezultat 2400 mm. Statistične metode Bivariatne korelacije parametrov ϑ CE, p max, p cml z oceno po lestvici WOMAC smo ocenili s Pearsonovim korelacijskim količnikom. Odvisnost med ϑ CE, kolčnim tlakom ali Posvetovanje: Biomehanika v zdravstvu, 1. december 2008 83

kumulativnim kolčnim tlakom (neodvisna spremenljivka) in stopnjo simptomov artroze po lestvici WOMAC (odvisna spremenljivka) smo ovrednotili z modelom linearne regresije, pri čemer smo kot soodvisni spremenljivki vključili spol in indeks telesne mase. V modelu smo vrednosti kolčnega tlaka normalizirali na telesno težo preiskovancev, da ne bi prišlo do kolinearnosti z indeksom telesne mase. Predoperativne in postoperativne vrednosti lestvice WOMAC, ϑ CE kota pokritja kolčne glavice, medkolčne razdalje, rezultantne kolčne sklepne sile ter maksimalnega kolčnega tlaka smo primerjali z dvosmernim parnim Studentovim t-testom. Pri vseh statističnih metodah smo mejo statistične pomembnosti upoštevali pri p 0,05. REZULTATI V skupini neoperiranih displastičnih kolkov so znašale povprečne vrednosti ϑ CE 26 ± 10 (8-39) stopinj, p max 2,90 ± 1,36 (1,38-7,88) MPa, p cml 147 ± 85 (57-498) MPa-let in lestvice WOMAC 580 mm. Ugotovili smo bivariatno korelacijo ϑ CE (Pearsonov R = - 0,402; p = 0,002), p max (Pearsonov R = 0,376; p = 0,004) in p cml (Pearsonov R = 0,482; p < 0,001) s klinično oceno WOMAC. Multipla linearna regresija je pokazala neodvisno napovedno vrednost ϑ CE (Beta = -0,306; p = 0,012), na telesno težo normaliziranega p cml (Beta = 0,381; p = 0,004) in indeksa telesne mase (Beta 0,239; p 0,051), medtem ko na telesno težo normaliziran p max ni imel statistično pomembne napovedne vrednosti za klinično oceno WOMAC (4, 5). Slika 2. Odvisnost kolčnega tlaka p max od nagiba acetabuluma (kot ϑ CE ) in položaja kolčne glavice. Slednji vpliva na velikost (R) in nagib (ϑ R ) rezultantne kolčne sile (6). Pri skupini bolnikov s periacetabularno osteotomijo je povprečna skupna preoperativna WOMAC ocena je znašala 1650 mm, pooperativno (7-15 let po posegu) pa 1575 mm (izločeni so bolniki s kolčno artroplastiko). Razlika ni bila statistično signifikantna (p = 0,50). Z osteotomijo se je povečal povprečni Wibergov CE kot iz preoperativnih 15º ± 4º 84 Posvetovanje: Biomehanika v zdravstvu, 1. december 2008

(razpon 7º 26º) na pooperativnih 37º ± 11º (razpon 20º 68º), p < 0,001. Povprečni pooperativni premik centra rotacije v smeri lateralno je znašal 5 ± 9 mm (razpon od medialno 14 mm do + 22 mm lateralno). Povprečna vrednost rezultante kolčne sile, normalizirane na telesno težo, se je povečala iz 2,9 ± 0,3 (razpon 2,5 3,6) preoperativno na 3,3 ± 0,4 (razpon 2,6 4,1) pooperativno, p < 0,001. Povprečna vrednost maksimalnega kolčnega tlaka, normaliziranega na telesno težo, se je zmanjšala iz 5,2 ± 1,5 kpa/n (razpon 2,2 9,6 kpa/n) preoperativno na 3,0 ± 0,9 kpa/n (razpon 1,9 5,6 kpa/n) pooperativno, p < 0,001. Ilustracija odvisnosti kolčnega tlaka od nagiba acetabuluma pri osteotomiji in položaja kolčne glavice je prikazana na Sliki 2. Z namenom, da bi določili prognostično vrednost radioloških in biomehanskih parametrov, smo bolnike razporedili v tri podskupine (Tabela 1): prvo podskupino, pri kateri je bila po periacetabularni osteotomiji kolka zaradi kliničnega poslabšanja vstavljena totalna kolčna artroplastika; drugo podskupino, pri kateri je prišlo do napredovanja artroze, oz. se je WOMAC ocena po operaciji znižala za več kot 20 točk; in tretjo podskupino brez implantirane kolčne artroplastike in brez osteoartroze ali z zmerno osteoartrozo. Tabela 1. Klinični, radiološki in biomehanski rezultati 26 kolkov, razdeljeni v tri podskupine glede na klinični uspeh zdravljenja (7). Konverzija v Napredovanje TEP osteoartroze Število kolkov 4 8 14 Povprečna dolžina opazovalne dobe (leta) 6,5 9,9 11,6 Povprečna starost ob operaciji (leta) 42,3 37,4 28,7 Povprečna vrednost kota ϑ CE predoperativno pooperativno Brez ali zmerna osteoartroza 17 14 16 34 32 41 Pooperativna lateralizacija centra rotacije (mm) 6 4 5 Povprečna kolčna sila R, normalizirana na težo (-) predoperativno pooperativno Povprečen tlak p max, normaliziran na težo (kpa/n) predoperativno pooperativno Povprečna ocena WOMAC (mm) predoperativno pooperativno 3,0 3,2 5,8 3,8 1250 brez ocene 3,0 3,5 5,2 3,1 1800 875 2,9 3,2 5,0 2,7 1675 2000 RAZPRAVA Naši rezultati se skladajo z izsledki dosedanjih raziskav, da ima slabša lateralna pokritost displastičnih kolčnih glavic pozitivno napovedno vrednost za pojav kolčne artroze (14, 15). Potrdili smo ugotovitve, da ima variabilnost kota ϑ CE napovedno vrednost za dolgoročni klinični status pacientov z blagimi oblikami kolčne displazije (16, 17). Kot nekatere predhodne raziskave (18) smo z modeli multiple linearne regresije pokazali, da je starost pomemben dejavnik tveganja za nastanek artroze. Podobno kot nekateri avtorji (19) smo ugotovili tudi, da je indeks telesne mase dejavnik tveganja za kolčno artrozo v populaciji displastičnih kolkov. Poleg tega je naša raziskava s spremljanjem asimptomatskih displastičnih kolkov do povprečne starosti 51 let potrdila del izsledkov prejšnjih raziskav, Posvetovanje: Biomehanika v zdravstvu, 1. december 2008 85

v katerih so spremljali celotne kohorte displastičnih kolkov do povprečne starosti 31 let (20, 21) oz. 47 let (22) ter ugotovili soodvisnost med kumulativnim presežkom kolčnega tlaka ali maksimalnim kolčnim tlakom in dolgoročnim kliničnim statusom. Rezultati analiziranih 26 periacetabularnih osteotomij medenice so pokazali, da se je pri vseh v analizo vključenih kolkih izboljšala anteriorna in lateralna pokritost femoralne glavice ter normalizirala vrednost maksimalnega kolčneg tlaka. Biomehanski rezultati se ujemajo z rezultati predhodnih analiz, ki so potrdile zvišanje tlačnih napetosti pri displastično spremenjenem kolku (20, 23, 24) in njihovo znižanje po simulirani reorientaciji acetabularnega fragmenta (25, 26). Pooperativne vrednosti so se znižale na nivo vrednosti tlačnih napetosti normalnih kolkov (27). Pri večini naših kolkov smo na pooperativnih AP rentgenogramih ugotavljali lateralizacijo centra rotacije. Velikost rezultantne kolčne sile se je povečala pri vseh skupinah, kar se ujema teoretskimi predvidevanji o vplivu položaja centra rotacije na velikost rezultantne kolčne sile. Naši klinični rezultati so potrdili teoretične zaključke (9), da vrednost rezultantne kolčne sile sama po sebi ni zanesljiv biomehanski parameter za preoperativno planiranje in da periacetabularna osteotomija medenice uspešno zmanjša tlačne napetosti navkljub povišanim vrednostim rezultantne kolčne sile. Naši rezultati predstavljajo prvo neodvisno biomehansko ovrednotenje in potrditev teh učinkov, ki so jih empirično predvideli avtorji operativne tehnike. Zavedamo se, da ima predstavljena študija več pomanjkljivosti. Prva je zagotovo majhno število analiziranih kolkov. Subjektivno oceno po WOMAC vprašalniku smo za preoperativno obdobje skupaj z bolniki ocenjevali retrospektivno in se zavedamo, da so zato te ocene manj zanesljive. Matematični biomehanski model za izračun kontaktnih tlakov je izdelan le za izračunavanje statičnih obremenitev in ne tudi za izračun kinetičnih obremenitev. Z vklučitvijo ocene nesferičnosti femoralne glavice v biomehanski matematični model bi verjetno izračunali še višje vrednosti maksimalnega kontaktnega sklepnega tlaka in tako izboljšali napovedno vrednost biomehanskih parametrov. SKLEP Pri displastičnih kolkih, ki so bili ob skeletni zrelosti asimptomatski, imajo kumulativni kolčni tlak, Wibergov kot ϑ CE in indeks telesne mase neodvisno napovedno vrednost za dolgoročni klinični status kolka. Kumulativni kolčni tlak je boljši napovedni parameter za kolčno artrozo od Wibergovega kota ϑ CE, maksimalni kolčni tlak pa nima neodvisne napovedne vrednosti. Rezultati kažejo, da sta preoperativna stopnja osteoartroze (ocena z lestvico WOMAC) in postoperativni maksimalni kolčni sklepni tlak najpomembnejša napovedna parametra, ki vplivata na rezultat zdravljenja s periacetabularno osteotomijo medenice. Z analizo smo kvantitativno dokazali, da s periacetabularno osteotomijo medenice zmanjšamo maksimalni kolčni tlak, in tako potrdili hipotezo avtorjev operativne tehnike (1). Rezultanta kolčna sila ni ustrezen biomehanski parameter za preoperativno planiranje, saj lahko periacetabularna osteotomija medenice uspešno zmanjša kontaktne sklepne obremenitve kolčnega sklepa navkljub povečanju rezultantne kolčne sile. 86 Posvetovanje: Biomehanika v zdravstvu, 1. december 2008

LITERATURA 1. Ganz R, Klaue K, Vinh TS, Mast JW (1988). A new periacetabular osteotomy for the treatment of hip dysplasia. Technique and preliminary results. Clin Orthop 232: 26-36. 2. Harris WH (1986). Etiology of osteoarthritis of the hip. Clin Orthop 213: 20-33. 3. Brand RA, Iglič A, Kralj-Iglič V (2001) Contact stress in the human hip, implications for disease and treatment. Hip Int 11: 117-126. 4. Mavčič B (2007). Napovedna vrednost kolčnega tlaka za pojav kolčne artroze - doktorska disertacija. Univerza v Ljubljani, Medicinska fakulteta: 1-85. 5. Mavčič B, Iglič A, Kralj-Iglič V, Brand RA, Vengust R (2008). Cumulative hip contact stress predicts osteoarthritis in DDH. Clin Orthop Relat Res 466 (4): 884-91. 6. Kralj M, Mavčič B, Antolič V, Iglič A, Kralj-Iglič V (2005). The Bernese periacetabular osteotomy: clinical, radiographic and mechanical 7-15-year followup of 26 hips. Acta Orthop 76 (6): 833-40. 7. Kralj M (2006). Klinična, rentgenska in biomehanska analiza Ganzove trojne osteotomije medenice - doktorska disertacija. Univerza v Ljubljani, Medicinska fakulteta: 1-78. 8. Iglič A, Srakar F, Antolič V (1993). Influence of the pelvic shape on the biomechanical status of the hip. Clin Biomech 8: 223 224. 9. Iglič A, Kralj-Iglič V, Antolič V, Srakar F, Stanič U (1993). Effect of the periacetabular osteotomy on the stress on the human hip joint articular surgace. IEEE Trans Rehab Engr 1: 207-12. 10. Ipavec M, Brand RA, Pedersen DR, Mavčič B, Kralj-Iglič V, Iglič A (1999). Mathematical modelling of stress in the hip during gait. J Biomech 32: 1229 1235. 11. McLeish RD, Charnley J (1970). Abduction forces in the one-legged stance. J Biomech 3: 191-209. 12. Dostal WF, Andrews JG (1981). A three-dimensional biomechanical model of hip musculature. J Biomech 14: 803 812. 13. Bellamy N, Buchanan W W, Goldsmith C H, Campbell J, Stitt L W (1988). Validation study of WOMAC: a health status instrument for measuring clinically important patient relevant outcomes to antirheumatic drug therapy in patients with osteoarthritis of the hip or knee. J Rheumatol 15: 1833-1840. 14. Murphy SB, Ganz R, Muller ME (1995). The prognosis in untreated dysplasia of the hip. A study of radiographic factors that predict the outcome. J Bone Joint Surg Am 77: 985-989. 15. Jacobsen S, Sonne-Holm S (2005). Hip dysplasia: a significant risk factor for the development of hip osteoarthritis. A cross-sectional survey. Rheumatology (Oxford) 44: 211-218. 16. Lane NE, Lin P, Christiansen L, Gore LR, Williams EN, Hochberg MC, Nevitt MC (2000). Association of mild acetabular dysplasia with an increased risk of incident Posvetovanje: Biomehanika v zdravstvu, 1. december 2008 87

hip osteoarthritis in elderly white women: the study of osteoporotic fractures. Arthritis Rheum 43: 400-404. 17. Reijman M, Hazes JMW, Pols HAP, Koes BW, Bierma-Zeinstra SM (2005). Acetabular dysplasia predicts incident osteoarthritis of the hip. The Rotterdam study. Arthritis Rheum 52: 787-793. 18. Lievense AM, Bierma-Zeinstra SMA, Verhagen AP, Verhaar JAN, Koes BW (2004). Influence of hip dysplasia on the development of osteoarthritis of the hip. Ann Rheum Dis 63: 621-626. 19. Jacobsen S, Sonne-Holm S (2005). Increased body mass index is a predisposition for treatment by total hip replacement. Int Orthop 29: 229-234. 20. Hadley NA, Brown TD, Weinstein SL (1990). The effects of contact pressure elevations and aseptic necrosis on the long-term clinical outcome of congenital hip dislocation. J Orthop Res 8: 504 513. 21. Maxian TA, Brown TD, Weinstein SL (1995). Chronic stress tolerance levels for human articular cartilage: two non-uniform contact models applied to long term follow up of CDH. J Biomech 28: 159 166. 22. Vengust R (2004). Pomen različnih biomehanskih parametrov pri razvoju displastičnega kolka - doktorska disertacija. Univerza v Ljubljani, Medicinska fakulteta: 1-76. 23. Mavčič B, Pompe B, Antolič V, Daniel M, Iglič A, Kralj-Iglič V (2002). Mathematical estimation of stress distribution in normal and dysplastic human hips. J Orthop Res 20: 1025 1030. 24. Herman S, Jaklič A, Herman S, Iglič A, Kralj-Iglič V (2002). Hip stress reduction after Chiari osteotomy. Med Biol Eng Comput 40: 369-375. 25. Genda E, Konishi N, Hasegawa Y, Miura T (1995). A computer simulation study of normal and abnormal hip joint contact pressure. Arch Orthop Trauma Surg 114: 202-6. 26. Hipp JA, Sugano N, Millis MB, Murphy SB (1999). Planning acetabular redirection osteotomies based on joint contact pressures. Clin Orthop 364: 134-43. 27. Mavčič B, Slivnik T, Antolič V, Iglič A, Kralj-Iglič V (2004). High contact hip stress is related to the development of hip pathology with increasing age. Clin Biomech 19: 939-943. 88 Posvetovanje: Biomehanika v zdravstvu, 1. december 2008