Коленный сустав анатомия человека: Коленный сустав. | Анатомия в картинках. Атлас анатомии человека онлайн. Строение человека.

Содержание

Коленный сустав. | Анатомия в картинках. Атлас анатомии человека онлайн. Строение человека.

В образовании коленного сустава, articutatio genus, принимают участие три кости: дистальный эпифиз бедренной кости, проксимальный эпифиз большеберцовой кости и надколенник. Суставная поверхность мыщелков бедренной кости эллипсоидная, кривизна медиального мыщелка больше, чем латерального. На передней поверхности кости, между мыщелками, находится надколенниковая поверхность, facies patellaris. Небольшой вертикальной бороздкой эта поверхность разделяется на меньший медиальный и больший латеральный участки, которые сочленяются с соответствующими суставными поверхностями, расположенными на задней суставной поверхности надколенника, facies articularis. Верхние суставные поверхности мыщелков большеберцовой кости слегка вогнуты и не соответствуют кривизне суставных поверхностей мыщелков бедренной кости. Это несоответствие несколько выравнивают располагающиеся между мыщелками бедренной и большеберцовой костей межсуставные хрящи — медиальный и латеральный мениски, menisci mediatis et lateralis.

Мениски представляют собой трехгранные хрящевые пластинки. Наружный край их утолщен и срастается с суставной капсулой; внутренний, свободный, край заострен и обращен в полость сустава. Верхняя поверхность менисков вогнутая, нижняя — уплощена. Наружный край менисков почти повторяет конфигурацию верхнего края мыщелков большеберцовой кости (поэтому латеральный мениск напоминает часть окружности, а медиальный имеет полулунную форму). Мениски прикрепляются спереди и сзади к межмыщелковому возвышению большеберцовой кости. Передние края обоих менисков соединены поперечной связкой колена, lig. transversum genus.


Суставная капсула прикрепляется к краям бедренной, большеберцовой костей и к надколеннику. На бедренной кости она прикрепляется под надмыщелками, так что они остаются за пределами полости; впереди и сзади капсула поднимается приблизительно на 1 см выше суставной поверхности. На большеберцовой кости капсула фиксирована по краю суставной поверхности, а к надколеннику прикрепляется вдоль его суставной поверхности таким образом, что передняя поверхность надколенника оказывается вне полости сустава.

Синовиальная мембрана выстилает сочленяющиеся поверхности костей до линии суставных хрящей. Вдаваясь в полость сустава, она окружает крестообразные связки, образуя многочисленные синовиальные ворсинки, villi synoviales, и синовиальные складки, plicae synoviales. Наиболее развитыми складками синовиальной мембраны являются: крыловидные складки, plicae alares, которые идут по бокам надколенника в сторону его верхушки и содержат между своими листками поднадколенниковое жировое тело, corpus adiposum infrapatellare; поднадколенниковая синовиальная складка, plica synovialis infrapatellaris; лежащая ниже надколенника и представляющая продолжение крыловидных складок. Она начинается в области верхушки надколенника, идет в полость коленного сустава и прикрепляется в области переднего края межмыщелковой ямки бедренной кости.

Капсула коленного сустава образует ряд синовиальных сумок, bursae synoviales, залегающих по ходу мышц и сухожилий, но не сообщающихся с полостью сустава. Наиболее крупным выпячиванием суставной капсулы является наднадколенниковая сумка, bursa suprapatellaris. Она располагается выше надколенника, между сухожилием четырехглавой мышцы и бедренной костью; иногда может быть обособленной.

Связки коленного сустава делятся на две группы: связки, находящиеся вне полости сустава (внекапсульные связки), и связки, залегающие внутри суставной капсулы (внутрикапсульные связки). На боковых поверхностях сустава имеются следующие хорошо развитые боковые связки.

1. Большеберцовая коллатеральная связка, lig. collaterale tibiale, следует от медиального надмыщелка бедренной кости вниз, по пути срастается с капсулой сустава и медиальным мениском, достигая верхнего эпифиза большеберцовой кости.


2. Малоберцовая коллатеральная связка, lig. collateralе fibularе, уже предыдущей, начинается от латерального надмыщелка бедра, идет, как и предыдущая, вниз, отдает ряд своих пучков суставной капсуле и прикрепляется к наружной поверхности головки малоберцовой кости.

Передние отделы суставной капсулы укреплены связками, имеющими непосредственное отношение к сухожилию четырехглавой мышцы бедра. Сухожилие этой мышцы подходит к надколеннику, охватывает его со всех сторон и продолжается вниз, достигая большеберцовой кости. Большая часть пучков, идущих от верхушки и смежных поверхностей надколенника, достигает бугристости большеберцовой кости. Этот тяж называют связкой надколенника, lig. patellae. Боковые части сухожильных пучков этой связки идут от надколенника к наружному и внутреннему мыщелкам большеберцовой кости, образуя соответственно латеральную поддерживающую связку надколенника, retinaculum patellae laterale, и медиальную поддерживающую связку надколенника, retinaculum patellae mediale.

В составе поддерживающих связок надколенника имеются также горизонтальные пучки, которые прикрепляются к надмыщелкам бедренной кости. Поддерживающие связки надколенника выполняют важную роль при движениях в суставе, удерживая надколенник в нужном положении. Задние отделы суставной капсулы укреплены косой подколенной связкой, lig. popliteum obliquum, которая представляет собой часть пучков сухожилия полуперепончатой мышцы, т. semimembranosis. Связка следует от медиального мыщелка большеберцовой кости к латеральному мыщелку бедренной кости и часть ее пучков вплетается в суставную капсулу.

Кроме указанной связки, в этом отделе суставной капсулы постоянно встречается дугообразная подколенная связка, lig. рорlitеит arcuatum, которая начинается от латерального мыщелка бедра и головки малоберцовой кости и прикрепляется в средних отделах к lig. poplitei obliqui и далее к наружному мыщелку большеберцовой кости.


Внутри полости коленного сустава находятся крестообразные связки колена, ligg. cruciata genus, которые делятся на:

а) переднюю крестообразную связку, lig. cruciatum anterius, начинающуюся от внутренней поверхности латерального мыщелка бедра и следующую вперед и медиально; прикрепляется на переднем межмыщелковом поле, area intercondylaris anterior, большеберцовой кости;

б) заднюю крестообразную связку, lig. cruciatum posterius, которая начинается на внутренней поверхности медиального мыщелка бедра, а затем, направляясь назад и медиально, перекрещивается с передней крестообразной связкой и прикрепляется на заднем межмыщелковом поле большеберцовой кости.

Кроме того, имеются еще три связки, непосредственно относящиеся к менискам:

1. Поперечная связка колена, lig. transversum genus, соединяет переднюю поверхность обоих менисков.

2. Передняя менискобедренная связка, lig. meniscofemorale anterius, начинается от переднего отдела медиального мениска, идет вверх и латерально к медиальной поверхности латерального мыщелка бедра.


3. Задняя менискобедренная связка, lig. meniscofemorale posterius, следует от заднего края латерального мениска вверх и медиально к внутренней поверхности медиального мыщелка бедра.

Коленный сустав является мыщелковым суставом, а в разогнутом положении работает как блоковидный сустав. При сгибании голени в нем происходит вращательное движение.

Коленный сустав – это… Что такое Коленный сустав?

У этого термина существуют и другие значения, см. Колено.

Коле́нный сустав, колено (лат. articulatio genus) — сустав, соединяющий бедренную кость, большеберцовую кость и надколенник.

Анатомия

В передней части сустава расположен надколенник (коленная чашечка). Надколенник и четырёхглавая мышца бедра соединены сухожилием, продолжением которого является связка надколенника. В связочный аппарат входят также боковые и крестообразные связки.

Крестообразные связки находятся в полости коленного сустава. К разрывам их приводят запредельные движения в коленном суставе. Передняя крестообразная связка (лат. lig. cruciatum anterius) начинается от задневерхней части внутренней поверхности наружного мыщелка (костного выступа) бедренной кости, пересекает полость коленного сустава и прикрепляется к передней части передней межмыщелковой ямки большеберцовой кости также в полости сустава.

Эта связка стабилизирует коленный сустав и не дает голени чрезмерно смещаться вперед, а также удерживает наружный мыщелок большеберцовой кости. Задняя крестообразная связка коленного сустава (лат.

lig. cruciatum posterius) начинается от передневерхней части боковой поверхности внутреннего мыщелка бедра, пересекает коленный сустав и прикрепляется к задней межмыщелковой ямке большеберцовой кости. Она стабилизирует коленный сустав, и удерживает голень от смещения назад.

Суставные поверхности костей покрыты хрящом. Между сочленяющимися поверхностями бедренной и большеберцовой костей имеются внутренний и наружный мениски, представляющие собой серповидные хрящи. Коленный сустав заключен в суставную сумку.

У человека коленное сочленение допускает движения сгибания и разгибания, а при согнутом положении — и вращение вокруг оси.

Травмы

Колено является наиболее частым местом спортивных травм (таких, например, как разрыв мениска или связки).

Травмы крестообразных связок

Разрыв передней крестообразной связки может произойти при действии силы, направленной вперед, на заднюю поверхность коленного сустава при согнутой и повернутой внутрь голени. Часто встречается не изолированный разрыв крестообразной связки, а так называемая «несчастная триада» или триада Турнера. Это разрыв передней крестообразной связки, разрыв внутренней (коллатеральной большеберцовой) боковой связки и разрыв внутреннего (медиального) мениска.

Разрывы крестообразных связок могут сопровождаться отрывными переломами костных пластинок в местах прикрепления связок или переломом межмыщелкового возвышения. Что значительно затрудняет последующее лечение. Очень часто разрывы крестообразных связок происходят у спортсменов во время игры в футбол, при занятиях горнолыжным спортом, у борцов. Задняя крестообразная связка разрывается при резком разгибании голени в коленном суставе или при прямом ударе по передней поверхности голени, когда она согнута в коленном суставе.

Разрывы связок часто бывают сочетанными. Наиболее тяжелым повреждением считается разрывы обеих крестообразных, обеих боковых и капсулы сустава. Это приводит к разболтанности коленного сустава и к утрате возможности ходьбы этой ногой. При разрыве крестообразных связок возникает резкая боль. Происходит кровотечение в сустав (гемартроз). Сустав увеличивается в размерах. Выявляется симптом «баллотирования» надколенника. Однако для некоторых пациентов сам момент травмы может пройти незамеченным. Позже появляется ощущение неустойчивости, разболтанности в коленном суставе.

Основным симптомом разрыва крестообразных связок считается симптом «выдвижного ящика». При помощи специальных приемов врач смещает голень пациента вперед или назад. При разрыве передней крестообразной связки голень избыточно смещается вперед — симптом «переднего выдвижного ящика», а при разрыве задней крестообразной связки голень легко смещается назад — симптом «заднего выдвижного ящика».

При застарелых разрывах связок симптом «выдвижного ящика» может стать нечетким вследствие развития вокруг места разрыва жировой клетчатки, которая отчасти стабилизирует коленный сустав. Диагноз уточняют при рентгенологическом исследовании. Иногда приходится прибегать к введению контраста в полость коленного сустава или к компьютерной или магнито-резонансной томографии. При необходимости проводят артроскопию: вводят зонд в полость сустава и осматривают сустав изнутри. В качестве первой помощи необходимо обезболить место повреждения, обездвижить коленный сустав с помощью шины и доставить пострадавшего в травмпункт.

Лечение разрыва крестообразных связок коленного сустава

Производится пункция коленного сустава для удаления крови из полости сустава. Удалив кровь, в сустав вводят раствор новокаина. После этого, предварительно убедившись, что движения в коленном суставе сохранены и разрыва менисков сустава нет, на ногу накладывают гипсовую повязку. Нога при этом несколько согнута в коленном суставе.

Длительность иммобилизации до одного месяца. Затем гипс снимают и назначают лечебную физкультуру, массаж и физиотерапевтическое лечение. Обычно сразу после травмы хирургическое восстановление целостности крестообразных связок не производят, так как возможны осложнения в виде контрактур коленного сустава. Однако, если произошел отрывной перелом костного фрагмента и имеется его смещение, проводится срочное оперативное вмешательство. Костный фрагмент фиксируют к кости.

Показанием к отсроченной реконструкции связок служит разболтанность сустава, нарушение функции ходьбы. Проводится она через 5-6 недель после травмы. Связки не сшивают, это бесперспективно. Выполняется пластическая реконструкция. Для этого берут трансплантат из связки надколенника. Иногда прибегают к эндопротезированию связок с помощью искусственных материалов.

Однако срок службы искусственных связок ограничен. Операция может быть выполнена открытым способом, через широкий разрез и вскрытие полости сустава, полуоткрытым — через минимальный разрез или эндоскопическим способом. Эндоскопический способ пластики крестообразных связок является наименее травматичным. Движения в суставе начинают уже через несколько дней после операции, но большие нагрузки на сустав не рекомендуются в течение года.

Методика исследования

Применяются физикальные методы исследования: осмотр, пальпация, а также сбор анамнеза. Из инструментальных методов большое распространение получило рентгенографическое исследование коленного сустава. В настоящее время для диагностики применяют также артроскопию.

Изображения

  • МРТ коленного сустава.

  • МРТ коленного сустава.

  • Рентгенограмма коленного сустава в боковой проекции.

  • Крестообразные связки.

  • Передний и латеральный вид колена.

Литература

Читать онлайн “Анатомия человека” автора Привес Михаил Григорьевич – RuLit

Суставная капсула прикрепляется несколько отступая от краев суставных поверхностей бедра, большеберцовой кости и надколенника. Поэтому на бедре она спереди поднимается вверх, обходя fácies patelláris, по бокам идет между мыщелками и надмыщелками, оставляя последние вне капсулы, для прикрепления мышц и связок, а сзади опускается до краев суставных поверхностей мыщелков. Кроме того, спереди синовиальная оболочка образует большой заворот, búrsa suprapatelláris, высоко простирающийся между бедренной костью и четырехглавой мышцей бедра. Иногда búrsa suprapatelláris может быть замкнутой и обособленной от полости коленного сустава (рис. 60).

Рис. 60. Синовиальные сумки правого коленного сустава; латеральная поверхность.

1 — femur; 2 — epicondylus lateralis; 3 — lig. collaterale fibulare; 4 — tendo m. poplitei; 5 — bursa m. poplitei; 6 — caput fibulae; 7 — tibia; 5 — tuberositas tibiae; 9 — bursa infrapatellaris profunda; 10 — lig. patellae; 11 — meniscus lateralis; 12 — bursa prepatellaris subcutanea; 13 — patella; 14 — bursa suprapatellaris; 15, 16 — tendo m. quadricipitis femoris.

На большеберцовой кости капсула прикрепляется по краю суставных поверхностей мыщелков. На надколеннике она прирастает к краям хрящевой его поверхности, вследствие чего он оказывается как бы вставленным в передний отдел капсулы, как в рамку. По бокам сустава находятся коллатеральные связки, идущие перпендикулярно фронтальной оси: с медиальной стороны, lig. collaterále tibiále (от epicóndylus mediális бедра до края tíbiae, срастаясь с капсулой и медиальным мениском), и с латеральной стороны, lig. collaterále fibuláre (от epicóndylus laterális до головки fibulae). На задней стороне капсулы коленного сустава находятся две связки, вплетающиеся в заднюю стенку капсулы — lig. poplíteum arcuátum и lig. poplíteum obíquum (один из 3 конечных пучков сухожилия m. semimembranósi).

На передней стороне коленного сочленения располагается сухожилие четерехглавой мышцы бедра, которое охватывает patélla, как сесамовидную кость, и затем продолжается в толстую и крепкую связку, lig. patéllae, которая идет от верхушки надколенника вниз и прикрепляется к tuberósitas tibiae.

По бокам patélla боковые расширения сухожилия четырехглавой мышцы образуют так называемые retinácula patéllae (laterále et mediáte), состоящие из вертикальных и горизонтальных пучков; вертикальные пучки прикрепляются к мыщелкам tibíae, а горизонтальные — к обоим epicódyli бедренной кости. Эти пучки удерживают надколенник в его положении во время движения.

Кроме описанных внесуставных связок, коленный сустав имеет две внутрисуставные связки, называемые крестообразными, ligg. cruciáta génus. Одна из них — передняя, lig. cruciátum anterius, соединяет внутреннюю поверхность латерального мыщелка бедренной кости с área intercondyláris antérior tíbiae. Другая — задняя, lig. cruciátum postérius, идет от внутренней поверхности медиального мыщелка бедренной кости к area intercondylíris postérior большеберцовой кости. Выстилающая изнутри капсулу синовиальная оболочка покрывает вдающиеся в сустав крестообразные связки и образует на передней стенке сустава ниже надколенника две содержащие жир складки, plícae aláres, которые приспособляются при каждом положении колена к суставным поверхностям, заполняя промежутки между ними. Крестообразные связки делят полость сустава на переднюю и заднюю части, препятствуя в случае воспаления до определенного времени проникновению гноя из одной части в другую.

По соседству с суставом залегает ряд синовиальных сумок; некоторые из них сообщаются с суставом. На передней поверхности надколенника встречаются сумки, число которых может доходить до трех: под кожей — búrsa prepatelláris subcutánea, глубже под фасцией — búrsa subfasciális prepatelláris, наконец, под апоневротическим растяжением m. quadricípitis — búrsa subtendínea prepatelláris. У места нижнего прикрепление lig. patéllae, между этой связкой и большеберцовой костью, заложена постоянная, не сообщающаяся с суставом синовиальная сумка, búrsa infrapatelláris profúnda.

Коленный сустав. Биомеханика, физиология – презентация онлайн

1. Коленный сустав

Биомеханика
физиология
КОЛЕННЫЙ СУСТАВ
суставы играют
тройную роль:
1.
Они содействуют
сохранению
положения тела.
2.
Участвуют в перемещении
щ
\
частей тела в отношении друг
друга.
1.
Являются органами локомоции
(передвижения) тела в
пространстве.

3. Коленный сустав

КОЛЕННЫЙ СУСТАВ
является одним из самых сложных и уязвимых в опорнодвигательной системе человека.
участие три кости: дистальный конец бедренной,
проксимальный конец большеберцовой и надколенник
Он состоит из двух сочленений – бедреннобольшеберцового и бедренно-надколенникового,
. Это комплексный сустав мыщелкового типа
Движения в нём осуществляются в2х (трёх) плоскостях.
Главная плоскость сагиттальная, имеющая амплитуду
сгибательно-разгибательных движений в пределах 140145 градусов. Движения во фронтальной (приведениеотведение- 5гр. ) и горизонтальной (внутренняя наружная
ротация -15-20гр.) осуществимы только в положении
сгибания.
Имеется ещё два вида движения – скольжение и
перекатывание мыщелков большеберцовой кости
относительно бедренной в переднезаднем направлении.

4.             1 – бедренная кость, 2 – надколенниковая поверхность бедренной кости, 3 – наружный надмыщелок бедренной кости, 4 –

5. Биомеханика сустава сложна

БИОМЕХАНИКА СУСТАВА СЛОЖНА

7. Факторы, удерживающие суставные повер хности в соприко сновении

ФАКТОРЫ,
УДЕРЖИВАЮЩИЕ
СУСТАВНЫЕ ПОВЕР
ХНОСТИ В СОПРИКО
СНОВЕНИИ
Суставная
капсула;
Связки,
укрепляющие
сустав;
Мышечный тонус;
Силы
притяжения;
Атмосферное
давление.
Сухожилия мышц,
или мышечные
пучки, всегда
перекидываются
через сустав.
В результате
сокращения
сгибателей,
происходит
растягивание
разгибателей,
•Мышцы,
антагонисты,
действующие на
сустав.

9. У различных спортсменов замечается разная гибкость в суставах в зависимости от вида спорта.

У РАЗЛИЧНЫХ СПОРТСМЕНОВ ЗАМЕЧАЕТСЯ РАЗНАЯ
ГИБКОСТЬ В СУСТАВАХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВИДА
СПОРТА.
Например, плечевой
сустав имеет больший
объем движений у
легкоатлетов и меньший
у тяжелоатлетов.

10. Мениски

МЕНИСКИ
,

11. мениски связаны

МЕНИСКИ СВЯЗАНЫ
.

12. Крестообразные связки

КРЕСТООБРАЗНЫЕ СВЯЗКИ

13. три группы мышц

ТРИ ГРУППЫ МЫШЦ
К динамическим стабилизаторам коленного сустава
относят=группы мышц передние, задние,
боковые . Четырёхглавая мышца является самой мощной
и важной, в связи, с чем её образно именуют “замком
коленного сустава”. С одной стороны очевидная слабость
мышцы и её атрофия являются важным объективным
симптомом болезни сустава, а с другой, восстановление и
стимуляция её функции составляют один из важнейших
элементов реабилитации пациентов с его патологией. Особое
внимание придаётся укреплению этой мышцы при заднем
типе нестабильности, связанном с повреждением ЗКС.
Задняя группа мышц, состоящая из полусухожильной,
полуперепончатой и нежной, располагающихся медиально, и
двуглавой, проходящей латерально

15. ЗКС

.

16.

Четырехглавая мышца бедра ЧЕТЫРЕХГЛАВАЯ МЫШЦА БЕДРА
действует как динамический
сагитальный стабилизатор. В
качестве антагониста сгибательной
мускулатуры он обеспечивает
разгибание против тяготения
препятствует заднему выдвижному
ящику
и при этом активно поддерживает
крестовидную связку.

18. Медиальная коллатеральная связка МКС

МЕДИАЛЬНАЯ КОЛЛАТЕРАЛЬНАЯ СВЯЗКА МКС
является основным стабилизатором сустава
по его внутренней поверхности,
препятствующим вальгусному отклонению
голени и переднему подвывиху её
медиального мыщелка .
Кзади от МКС располагается
заднемедиальный участок капсулы,
играющий существенную роль в
стабилизации сустава.

20. комплекс латеральных м зл

КОМПЛЕКС ЛАТЕРАЛЬНЫХ М ЗЛ
Функция – стабилизация заднелатеральных
отделов сустава, препятствие варусному
отклонению голени и заднему подвывиху
латерального мыщелка большеберцовой
кости.
Функционально структуры заднелатерального
угла тесным образом связаны с ЗКС.

21. Биомеханика коленного сустава

БИОМЕХАНИКА КОЛЕННОГО СУСТАВА
Для простоты понимания коленный сустав
условно разделен на передний, задний,
медиальный и латеральный комплексы,
которые несут свои определенные функции.

22. Мышцы, производящие движения в коленном суставе и голени .

МЫШЦЫ, ПРОИЗВОДЯЩИЕ ДВИЖЕНИЯ В
КОЛЕННОМ СУСТАВЕ И ГОЛЕНИ .
В коленном суставе возможны, главным образом,
сгибание и разгибание голени, а также супинация и
пронация, но при участии больше малоберцовых суставов.
Сгибание голени осуществляют мышцы расположенные
сзади коленного сустава или, которые крепятся там:
двуглавая мышца бедра, полусухожильная,
полуперепончатая, портняжная, нежная, икроножная мышца
и подколенная мышца.
Разгибание голени производит: четырехглавая мышца
бедра.
В пронации голени участвуют мышцы, расположенные
сзади коленного сустава: полусухожильная,
полуперепончатая, портняжная, нежная, внутренняя головка
икроножной мышцы и подколенная мышца.
В супинации участвуют двуглавая мышца бедра и наружная
головка икроножной мышцы.

23. В голеностопном суставе

В ГОЛЕНОСТОПНОМ СУСТАВЕ
возможны сгибание и разгибание, приведение и отведение стопы, а также пронация и супинация.
Сгибание стопы осуществляют: трехглавая мышца голени, подошвенная мышца, задняя большеберцовая
мышца, длинный сгибатель большвозможны сгибание и разгибание, приведение и отведение стопы, а также
пронация и супинация.
Сгибание стопы осуществляют: трехглавая мышца голени, подошвенная мышца, задняя большеберцовая
мышца, длинный сгибатель большого пальца, длинный сгибатель пальцев, длинная малоберцовая мышца,
короткая малоберцовая мышца.
Разгибание стопы осуществляют передняя большеберцовая мышца, длинный разгибатель пальцев,
длинный разгибатель большого пальца.
Приведение стопы осуществляется одновременным сокращением передней и задней большеберцовых
мышц. Эти же мышцы осуществляют незначительную супинацию стопы.
Отведение стопы осуществляется маловозможны сгибание и разгибание, приведение и отведение стопы, а
также пронация и супинация.
Сгибание стопы осуществляют: трехглавая мышца голени, подошвенная мышца, задняя большеберцовая
мышца, длинный сгибатель большого пальца, длинный сгибатель пальцев, длинная малоберцовая мышца,
короткая малоберцовая мышца.
Разгибание стопы осуществляют передняя большеберцовая мышца, длинный разгибатель пальцев,
длинный разгибатель большого пальца.
Приведение стопы осуществляется одновременным сокращением передней и задней большеберцовых
мышц. Эти же мышцы осуществляют незначительную супинацию стопы.
Отведение стопы осуществляется малой и большой малоберцовыми мышцами. Они же осуществляют
пронацию.
и большой малоберцовыми мышцами. Они же осуществляют пронацию.
ого пальца, длинный сгибатель пальцев, длинная малоберцовая мышца, короткая малоберцовая мышца.

26. Так же

ТАК ЖЕ
Статические
и динамические структуры
медиального комплекса вместе
предохраняют коленный сустав от
воздействия внешних ротационных сил
и valgus-стресса

34.

В общепринятой классификации взаимосвязи мышечно-скелетной системе в основном рассматриваются мышечно-фасциальные цепи. В ОБЩЕПРИНЯТОЙ КЛАССИФИКАЦИИ ВЗАИМОСВЯЗИ
МЫШЕЧНО-СКЕЛЕТНОЙ СИСТЕМЕ В ОСНОВНОМ
РАССМАТРИВАЮТСЯ МЫШЕЧНО-ФАСЦИАЛЬНЫЕ ЦЕПИ.

37. Физиология и патофизиология

ФИЗИОЛОГИЯ И ПАТОФИЗИОЛОГИЯ
коленного сустава
Все костные части сустава,
соприкасающиеся при движении,
покрыты высокодифференцированным
гиалиновым суставным хрящом,
состоящим из хондроцитов,
коллагеновых волокон, основного
вещества и росткового слоя. Нагрузки,
действующие на хрящ,
уравновешиваются между хондроцитами,
коллагеновыми волокнами и ростковым
слоем. Собственная упругость волокон и
их связь с основным веществом
позволяет выносить срезающие силы и
нагрузки давлением

39. Хондроцит

ХОНДРОЦИТ
представляет собой главный центр обмена веществ
суставного хряща, все они защищены трехмерной
сетью аркадообразно расположенных коллагеновых
волокон. Протеогликаны, выделяемые хондроцитами
и притягиваемая ими вода образуют основное
вещество хряща. Так как у хондроцита способность к
восстановлению небольшая, и он теряет ее с
возрастом, ухудшается качество основного слоя, а
также способность выдерживать нагрузку.
Погибающие хондроциты не производят больше
основного вещества и к тому же наносят вред
выделяемым лизосомальными энзимами еще
здоровым тканевым структурам. ***Этот
физиологический процесс старения значительно
отличается от травматического повреждения.
Ускоряющие или тормозящие усилия могут вызвать
прямую травму. Размеры повреждения хряща
зависят от величины действующей на него
кинетической энергии.

40. причиной экзогенного

ПРИЧИНОЙ ЭКЗОГЕННОГО
повреждения хряща является хроническая
нестабильность в результате повреждение аппарата
суставных связок, которые ведут к нарушению
скользящих движений и необратимым
повреждениям суставного хряща.
Эндогенным фактором для повреждения
хряща является гемартроз, в результате которого
растягивается суставная капсула и сдавливает
капилляры, что нарушает питание хряща, приводит
к выбросу лизосомальных ферментов взывающих
хондролизис.
Активируют синтез
гиалуроновой кислоты,
подавляют активность
гиалуронидазы
Предотвращают распад I-κB,
ограничивает перемещение NFκB в ядро, снижая выработку
провоспалительных цитокинов
Являются готовыми
компонентами
межклеточного матрикса
Протеогликаны

СРАВНИТЕЛЬНОЕ АНАТОМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕНА ЧЕЛОВЕКА И ШЕСТИ ВИДОВ ЖИВОТНЫХ

Колено. Авторская рукопись; Доступно в PMC 2013 августа 1.

Опубликовано в окончательной редактированной форме AS:

PMCID: PMC3236814

NIHMSID: NIHMS319364

, MD, 1 , 2 , PHD, 2 и, MD 1

Benedikt L. proffen

1

1 Департамент ортопедической хирургии, детская больница Бостона, Гарвардская медицинская школа, 300 Лонгвуд AVE BOSTON, MA 02115

Megan Mcelfresh

2 Департамент ортопедии, Уоррена Альперату Университет Брауна, Провиденс, Род-Айленд 02903

Брейден С.Fleming

2 Отделение ортопедии, Медицинская школа Уоррена Альперта Университета Брауна, Провиденс, Род-Айленд 02903

Martha M. Murray

1 Отделение ортопедической хирургии, Детская больница Лонгвуд в Бостоне, Медицинская школа Harvard Ave, 300 Boston, MA 02115

1 Отделение ортопедической хирургии, Детская больница Бостона, Гарвардская медицинская школа, 300 Longwood Ave Boston, MA 02115

2 Отделение ортопедии, Медицинская школа Уоррена Альперта, Университет Брауна, Провиденс, Род-Айленд 02903

Автор, ответственный за переписку: Бенедикт Л.Проффен, доктор медицины. Отделение ортопедической хирургии, Детская больница Бостона, 300 Longwood Avenue, Enders 270.4, Бостон, Массачусетс 02115, США. Телефон: 001-617-919-2540, Факс: 001-617-730-0170. [email protected]Окончательная отредактированная версия этой статьи доступна по адресу Knee. См. другие статьи в PMC, в которых цитируется опубликованная статья.

Abstract

Назначение

Модели на животных являются незаменимым инструментом для разработки и тестирования новых клинических применений в лечении острых повреждений и хронических заболеваний коленного сустава.Таким образом, целью данного исследования было сравнение анатомии внутрисуставных структур коленного сустава человека с видами, обычно используемыми в исследованиях на крупных животных.

Методы

Свежезамороженная корова (n=4), овца (n=3), коза (n=4), собака (n=4), свинья (n=5), кролик (n=5) и использовали трупные колени человека (n=4). Были измерены объем пассивной подвижности и размеры внутрисуставных структур коленных суставов, размеры структур нормализованы к плато большеберцовой кости и проведено сравнение между видами.

Результаты

Между всеми видами были обнаружены статистически значимые различия в амплитуде движений и размерах внутрисуставных структур. Только человеческое колено могло достичь полного разгибания. После нормализации только ACL свиньи была значительно длиннее, чем у человека. Место прикрепления передней крестообразной связки к большеберцовой кости было разделено прикреплением переднего латерального мениска в коленях коров, овец и свиней. У PCL овцы было два разных места прикрепления большеберцовой кости, в то время как у всех остальных коленей было только одно.Кроме того, только в коленях человека оба прикрепления латерального мениска располагались более центрально, чем прикрепления медиального мениска.

Выводы/клиническая значимость

Несмотря на относительно сохранные размеры крестообразных связок, менисков и межмыщелковой вырезки у людей и животных, структурные различия в местах прикрепления крестообразных связок и морфологии менисков у людей и животных важно учитывать при выбор модели животного.

Ключевые слова: Колено, Анатомия, ПКС, ЗКС, мениск тяжелые долгосрочные последствия, такие как посттравматический остеоартрит 1–3 . Эти факты иллюстрируют необходимость новых и эффективных методов лечения этих травм 4, 5 . В настоящее время интенсивные исследования позволили получить значительный объем фундаментальных научных знаний о травмах крестообразной связки 6–8 , мениска 9 , 10 и хряща 11 , 12 .Тем не менее, прежде чем пациенты-люди смогут извлечь пользу из таких данных, часто необходима трансляционная работа на крупных животных моделях для соблюдения нормативных требований и принципов трансляционной медицины 13 .

Модели крупных животных обеспечивают единую экспериментальную платформу для разработки и оценки эффективности и безопасности новых методов лечения 14 . Чаще всего овцы, козы, свиньи, собаки и кролики используются в качестве моделей человеческого колена для тестирования имплантатов или выявления детерминант прогрессирования заболевания 15–19 .Тем не менее, не существует исследования, которое бы систематически и количественно сравнивало анатомию внутрисуставных структур этих животных с анатомией коленного сустава человека. Таким образом, целью данного исследования было систематическое и количественное сравнение внутрисуставной анатомии коленного сустава вышеупомянутых шести видов животных и коленного сустава человека для определения передовых моделей экспериментальных моделей в хирургии коленного сустава.

МЕТОДЫ

Целью исследования было сравнение анатомии и размеров внутрисуставных структур коленных суставов шести видов животных: коровы (n=4), овцы (n=3), козы (n=4), собака (n=4), свинья (n=5), кролик (n=5), с человеческим коленом (n=5).Все колени животных были извлечены у субъектов, подвергшихся эвтаназии, для исследований, одобренных IACUC. Образцы коров были получены от самок подростков породы Ангус, овечьи колени от взрослых самок колумбийских овец и козьи колени от самок взрослых альпийских коз. Собачьи колени были взяты у четырех самок взрослых собак крупных пород, кроличьи колени – у пяти взрослых самок новозеландских белых кроликов, а свиные колени – у взрослых самок йоркширов. У всех животных колени собирали в течение 2 часов после эвтаназии.Человеческие колени были получены в результате программы завещания тела у 4 женщин в возрасте от 47 до 60 лет. Все образцы были заморожены во время сбора и хранились при температуре -20°C до момента анализа.

Перед вскрытием образцы размораживали в течение ночи и помещали в вертикальный штатив. Диапазон пассивных движений измеряли с помощью гониометра с градацией 1° (Quint Measuring Systems, Sam Ramon, CA). Плечи гониометра совмещены с бедренным и большеберцовым стержнями.Перед измерением колено двигалось в полном объеме для определения оси вращения сустава; затем центр гониометра располагался над этой осью. Все углы измерялись относительно нейтральной оси 0° при разгибании диафиза бедренной кости. После гониометрических измерений окружающие кожу и мускулатуру коленей удаляли, оставляя капсулу нетронутой. Диссекцию начинали спереди с удаления надколенника, сухожилия надколенника и жировой ткани. Внешняя капсульная фасция, жировая ткань и слизистая связки были удалены, чтобы получить четкое представление о месте прикрепления передней крестообразной связки (ПКС) большеберцовой кости, прикрепления задней крестообразной связки (ЗКС) бедра и прикрепления переднего мениска.Затем медиальную и латеральную части колена, включая обе боковые связки, рассекают, чтобы выявить медиальный и латеральный мениски. Удаление задней капсулы обнажает начало большеберцовой передней крестообразной связки, начало бедренной передней крестообразной связки и места прикрепления заднего мениска. После этого передние прикрепления менисков были отделены от большеберцовой кости на одном уровне с костью, что обеспечило беспрепятственный обзор в месте введения ПКС. Заднелатеральный мениск, прикрепленный к бедренной кости, рассечен на одном уровне с костью, чтобы исследовать и удалить большеберцовое начало ЗКС и обнажить заднее место прикрепления медиального мениска.Наконец, мениски были отделены от их скелетных прикреплений. Штангенциркули с нониусом (стальные, с двойной шкалой, Fisher Scientific, Hanover Park, IL) использовали для измерения ширины мениска посередине между передним и задним рогами как расстояния от свободного края до бывшей капсулы; длина мениска определялась как передне-задний размер мениска. Длину и ширину ПКС и ПКС определяли перед иссечением связок из колена. Длину ПКС измеряли как расстояние между передними большеберцовыми и бедренными креплениями, а длину ЗКС определяли как расстояние между задними частями большеберцового и бедренного прикреплений.Ширину связок измеряли на уровне середины связок в сагиттальной плоскости. ImageJ 1.44 (NIH, Bethesda, MD, www.nih.gov) использовали для измерения площади мест введения крестообразных и менисков в поперечной плоскости после удаления всех мягких тканей. Ширина большеберцового плато определялась как наибольшая протяженность плато во фронтальной плоскости. Ширину межмыщелковой вырезки измеряли на половине высоты от самой дистальной точки мыщелков бедра до вершины вырезки.Каждая структура была измерена три раза, и было сообщено среднее значение.

В дополнение к прямым измерениям все измерения также были нормализованы по ширине большеберцового плато, чтобы облегчить сравнение коленей разного размера. Это соотношение между шириной большеберцового плато и размером структуры было названо большеберцовым индексом. В сравнительном статистическом анализе использовались как измеренные значения, так и значения, нормализованные по большеберцовому индексу. Различия между группами определяли с помощью дисперсионного анализа (ANOVA) с уровнями значимости, установленными на уровне p < 0.05 для общего ANOVA и поправки Бонферрони для апостериорного тестирования для определения значимости между группами. Все эти расчеты были выполнены с использованием Intercooled STATA 10 (Statacorp LP, College Station, TX, USA).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Диапазон пассивных движений ()

Таблица 1

Прямое измерение диапазона пассивных движений колена (в градусах)

Статистически значимые различия (p<0,05) с человеческими значениями выделены жирным шрифтом .Все углы измеряют гониометрически относительно нейтральной оси 0° при разгибании диафиза бедренной кости. Только человеческое колено могло быть доведено до полного разгибания. Все четвероногие показали физиологический дефицит разгибания. Эту общую разницу нельзя было увидеть в угле сгибания, где только колено собаки и кролика имело статистически значимый в раз больший угол сгибания, чем колено человека. V

5 42 ± 4,5 42 ± 4,5 ± 3.5 ± 3.5 ± 2.7 ± 2.2 161 ± 2.2
Пассивный ассортимент движения
Расширение [в градусах] Сгибание [в градусах]
человек 2.5 ± 2,9 137,5 ± 9,6
Корова 35 ± 5,8 145 ± 7,1
Овцы 40 ± 5 146,7 ± 2,9
Goat 8 45 ± 9.1 145.5 ± 8.7
Свинья 144 ± 5.5
Собака 34 ± 4.2 160 ± 3.5
8 22 ± 2.7
9

Пассивный диапазон движения колени показал, что только человеческое колено может быть доведены до полного разгибания, тогда как ни одно из колен четвероногих животных не достигло нейтрального угла 0° (). Разницу в угле сгибания можно было увидеть только в коленях собак и кроликов, которые имели статистически значимо более высокий угол сгибания по сравнению с коленями человека.

Фотографии крестообразных связок, плато большеберцовой кости и менисков находятся в формате .

Различные аспекты коленей семи видов

Колонка A показывает переднюю часть коленей с медиальной стороной слева и латеральной стороной справа. Заметна небольшая полоса, соединяющая межменискальные связки с плато большеберцовой кости в собачьем колене (6А). Переднее прикрепление латерального мениска проходит между переднемедиальным и заднелатеральным пучками передней крестообразной связки в коленях коров, овец и свиней (2А, 3А, 5А).

Столбец B представляет задние аспекты коленей. Во всех коленях медиальный мениск проходит позади ЗКС. В коленях человека задняя мениско-бедренная связка прикрепляется ниже к медиальному мыщелку бедра (1В). Обратите внимание на утолщение задней части мениско-большеберцовой коронарной связки между латеральным мениском и плато большеберцовой кости в коленях овец, коз, собак и кроликов (3B, 4B, 6B, 7B).

Колонка C показывает различные тибиальные крепления коленей.Обратите внимание на разделение места прикрепления ПКС большеберцовой кости передним латеральным мениском в коленях коров, овец и свиней (2C, 3C, 5C). Прикрепления латерального мениска расположены в центре прикрепления медиального мениска в колене человека (1C).

Колонка D показывает морфологию менисков с медиальным мениском слева, латеральным мениском справа и передними рогами, обращенными вниз. В колене человека (1D) задний рог латерального мениска прикрепляется спереди к рогу медиального мениска, что не наблюдается ни у одного из шести исследованных видов животных.

(ПКС = передняя крестообразная связка; АПМ = передний латеральный мениск; АММ = передний медиальный мениск; ЗКС = задняя крестообразная связка; ПЗС = задний латеральный мениск; ЗММ = задний медиальный мениск)

Передняя крестообразная связка (ПКС)

Прямой измерение ()

Таблица 2

Прямое измерение медиального и латерального менисков, передней (ПКС) и задней крестообразной связки (ЗКС) и вырезки (в мм)

Статистически значимые различия (p<0.05) для человеческих значений выделены жирным шрифтом. (ПКС = передняя крестообразная связка; ЗКС = задняя крестообразная связка) ПКС человека значительно шире, , чем ПКС собаки и кролика, и на длиннее, , чем ПКС коз, собак и кроликов. Ширина PCL человека значительно больше, чем у всех животных, но только на больше, чем у коз, собак и кроликов. Медиальный мениск человека значительно на 90 005 уже, 90 006, чем у коровы, на 90 005 шире, 90 006, чем у кролика, и на 90 005 длиннее, чем медиальный мениск любого животного, за исключением образцов коровы.То же верно и для латерального мениска, за исключением того, что латеральный мениск коровы значительно на 90 005 длиннее, чем у человека. Выемка у человека значительно шире , чем у всех животных, кроме коровы.

9012 Козье Кролик 5 9.2 ± 0,4 ± 0,4 8 ± 0,47 ± 0,47 ± 1,17 ± 1,17 ± 0,517 ± 0.51 ± 0,51
Прямое измерение
ACL PCL MEDIAL MENISCUS Notch Meniscus Notch
Ширина [мм] Длина [мм] Ширина [мм] длина [мм] ширина [мм] длина [мм] ширина [мм] длина [мм] ширина [мм]
Человек 12.73 ± 1,35 37,78 ± 3,17 14,23 ± 5,17 40,30 ± 7,45 9,5 ± 0,71 39,8 ± 3,71 9,83 ± 0,69 33,28 ± 3,53 21,9 ± 5,0
Корова 9,28 ± 2,1 42,65 ± 0,55 7,45 ± 1,93 45,4 ± 2,8 15,1 ± 2,23 39,55 ± 2,56 16,0 ± 2,42 39,25 ± 1,78 24.58 ± 1,56
Овцы 9,27 ± 2,53 31,77 ± 0,25 6,67 ± 0,76 37,03 ± 1,67 9,33 ± 0,29 25,63 ± 1,7 9,63 ± 1,21 26,03 ± 0,9 9,5 ± 0,50
10,65 ± 1,62 24,2 ± 2,56 5,33 ± 0,82 26,6 ± 3.0 8,80 ± 3,4 23,18 ± 1,75 8,65 ± 0,35 22,0 ± 3,57 8,1 ± 1,09
Свиньи 10,86 ± 1,08 37,0 ± 2,8 8,2 ± 0,94 39,68 ± 2,45 10,44 ± 2,15 25,32 ± 3,77 10,26 ± 1,65 25,60 ± 2,43 11,12 ± 1,21
собак 5.45 ± 1,21 21,2 ± 2,97 5,33 ± 1,08 22,8 ± 4,4 6,33 ± 0,95 16,83 ± 1,61 6,85 ± 1,4 16,3 ± 1.16 9,7 ± 2,07
4,84 ± 1,24 10,6 ± 1,38 4,34 ± 1,27 10,0 ± 1,52 2.4 ± 0.35

Человеческий ACL был значительно шире , чем собака и кролика ACL (p<0,001) и значительно длиннее , чем ACL козы, собаки и кролика (p<0,01).

Большеберцовый индекс ()

Таблица 3

Значения большеберцового индекса медиального и латерального менисков, передней (ПКС) и задней крестообразной связки (ЗКС), а также межмыщелковой вырезки

Статистически значимые различия (p<0.05) к человеческим значениям выделены жирным шрифтом. (ПКС = передняя крестообразная связка; ЗКС = задняя крестообразная связка) Большеберцовый индекс рассчитывали путем деления непосредственно измеренного размера структуры на максимальную ширину плато большеберцовой кости во фронтальной плоскости. После нормализации по ширине большеберцового плато ПКС человека значительно на короче, чем ПКС свиньи, ПКС человека значительно на короче, чем ПКС овцы и свиньи. Медиальный мениск человека имеет пропорционально меньшую ширину, чем у коров и свиней, латеральный мениск человека имеет меньшую ширину, чем у коров и собак.Надрез у человека пропорционально значительно шире, чем у овец, коз, свиней и кроликов.

Tibial Index 9012 ACL PCL Medal Meniscus Notch Meniscus Notch
ширина длина ширина длиной Ширина длина ширина длина длина ширина
человек 0.18 ± 0,01 0,54 ± 0,02 0,2 ± 0,06 0,57 ± 0,07 0,14 ± 0,01 0,57 ± 0,04 0,142 ± 0,02 0,48 ± 0,03 0,31 ± 0,06
Корова 0,13 ± 0,02 0,63 ± 0,06 0,11 ± 0,03 0,66 ± 0,06 0,22 ± 0,02 0,58 ± 0,06 0,23 ± 0,02 0,57 ± 0,06 0,36 ± 0,02
Овцы 0.18 ± 0,05 0,6 ± 0,01 0,13 ± 0,01 0,7 ± 0,03 0,18 ± 0,01 0,49 ± 0,032 0,18 ± 0,02 0,49 ± 0,02 0,18 ± 0,01
Козье 0,24 ± 0,03 0,55 ± 0,05 0,12 ± 0,01 0,61 ± 0,07 0,2 ± 0,05 0,53 ± 0,03 0,2 ± 0,02 0,5 ± 0,04 0,18 ± 0,01
Свинья 0.21 ± 0,01 0,72 ± 0,03 0,16 ± 0,02 0,78 ± 0.04 0,2 ± 0,04 0,49 ± 0,07 0,2 ± 0,03 0,5 ± 0,04 0,22 ± 0.02
Собака 0,15 ± 0,02 0,57 ± 0,07 0,14 ± 0,02 0,62 ± 0,09 0,17 ± 0,02 0,46 ± 0,02 0,19 ± 0,04 0,44 ± 0,02 0.26 ± 0,04
Кролик 0,28 ± 0,1 0,6 ± 0,04 0,25 ± 0,1 0,57 ± 0,06 0,14 ± 0,01 0,52 ± 0,06 0,23 ± 0,05 0,57 ±0,07 0,22 ±0,02

Значимых различий большеберцового индекса ПКС ширина между видами не обнаружено, тогда как большеберцовый индекс ПКС длина 06 был значительно меньше у

6 длины

человека, чем у свиней (p<0.001).

Общая форма ()

Бедренное начало передней крестообразной связки располагалось на заднемедиальном крае латерального мыщелка у всех видов. Место прикрепления передней крестообразной связки большеберцовой кости варьировало у разных видов. В коленях человека и козы большеберцовое место прикрепления ПКС примыкало к переднему месту прикрепления латерального мениска. Колени коров, овец и свиней имели большеберцовые места прикрепления переднемедиального и заднелатерального пучков ПКС, разделенных передним прикреплением латерального мениска. Коровий передне-медиальный пучок прикрепляется к переднему склону межмыщелкового возвышения, а задне-латеральный пучок прикрепляется к центру возвышения между большеберцовыми остями.Переднемедиальные пучки овец и свиней прикрепляются к медиальному краю переднего склона межмыщелкового возвышения, а заднебоковые пучки прикрепляются к латеральному краю медиальной большеберцовой ости глубоко до переднемедиальных пучков и переднего латерального прикрепления мениска. Место прикрепления ПКС в коленном суставе кролика находилось в центре межмыщелкового возвышения большеберцовой кости, кзади от прикрепления переднего латерального мениска. Место прикрепления передней крестообразной связки большеберцовой кости у собаки находилось на медиальном склоне межмыщелкового возвышения.

Задняя крестообразная связка (ЗКС)

Прямое измерение ()

ЗКС человека была значительно шире , чем ЗКС всех других видов (p<0,01), но значительно длиннее только по сравнению с козой, собакой и PCL кролика (p<0,001).

Большеберцовый индекс ()

Нормализованный PCL , ширина , не показал существенных различий между видами, тогда как нормализованный PCL овцы и свиньи, длина , был значительно на больше, чем у человека (p<0.001).

Ширина выемки

Прямое измерение ()

Ширина выемки у человека существенно не отличалась от таковой у коровы, но была значительно в раз больше, чем у других видов (p<0,001).

Большеберцовый индекс ()

Большеберцовый индекс для ширины надреза был значительно меньше в коленях овец, коз, свиней и кроликов по сравнению с человеческими (p<0,01).

Медиальный мениск

Прямое измерение ()

Медиальный мениск человека ширина был значительно меньше , чем у коровы (p<0.01), но значительно на больше, чем у кролика (p<0,001). За исключением медиального мениска коровы, медиальный мениск человека был значительно на длиннее, чем медиальный мениск животного.

Большеберцовый индекс ()

По отношению к ширине плато большеберцовой кости медиальный мениск человека ширина был значительно меньше, чем у коровы и свиньи (p<0,05).

Общая форма ()

Костное прикрепление переднего медиального мениска было самой передней структурой, обнаруженной в колене у всех видов.Он прикреплялся к переднему краю плато большеберцовой кости чуть выше бугристости большеберцовой кости у всех видов, кроме собак, где вместо отдельных прикреплений межменисковая связка соединяла самые передние отделы медиального мениска с латеральным мениском. Колени овец и свиней также имели небольшую связь между передним медиальным и латеральным прикреплением менисков, но они не скрывали отчетливые места переднего прикрепления. Задний рог медиального мениска прикрепляется к латеральному краю заднелатеральной поверхности медиальной ости, непосредственно перед местом отхождения ЗКС и сверху прикрывается ЗКС (столбец В).Зоны введения коз, собак и кроликов были меньше, чем у людей, коров, овец и свиней.

Латеральный мениск

Прямое измерение ()

Боковой мениск человека ширина был значительно на больше, чем у кролика, но на меньше, чем у коровы (p<0,001). Латеральный мениск человека был значительно на 90 005 длиннее, чем латеральный мениск животного, за исключением коровы (p<0,001 для всех сравнений).

Большеберцовый индекс ()

Ни большеберцовый индекс для латерального мениска , ширина , ни латеральный мениск , длина , существенно не различались между видами (p>0,001 для всех сравнений).

Общая форма ()

Латеральный мениск человека покрывал меньшую часть латерального большеберцового плато по сравнению со всеми коленями животных. Спереди латеральный мениск коленного сустава человека прикреплялся к латеральной части латеральной ости межмыщелкового возвышения.Латеральный мениск коровы, овцы и свиньи разделяет пучки ПКС, тогда как латеральный мениск козы и собаки проходит позади ПКС. Все вставлено близко к медиальной большеберцовой ости. Передний латеральный мениск кролика прикреплялся еще медиальнее, прилегая к переднему рогу медиального мениска. Сзади мениско-бедренная связка соединяла латеральный мениск с латеральной задней стенкой медиального мыщелка бедренной кости ниже у человека, чем у животных. Латеральный мениск человека, овцы, козы, собаки и кролика имел мениско-большеберцовую коронарную связку, прикреплявшуюся непосредственно сбоку от места прикрепления ЗКС, при этом у человека, козы и собаки он был менее крепким, чем у кролика.

Другие особенности

Колени коров, овец и коз не имели малоберцовой кости полной длины или проксимального сустава большеберцовой кости. Вместо этого сросшаяся головка малоберцовой кости была прикреплена к латеральной стороне плато большеберцовой кости и служила местом прикрепления латерального мениска. Кроме того, все колени животных содержали внутрикапсульное, внесуставное, латеральное сухожилие длинного разгибателя пальцев (LDET), которое начиналось чуть ниже латерального края борозды надколенника. LDET не был обнаружен в колене человека.Функция LDET заключалась в тыльном сгибании передней части стопы, особенно во время сгибания колена.

ОБСУЖДЕНИЕ

В этом исследовании были обнаружены существенные количественные и качественные различия между внутрисуставными структурами колена человека и животных видов. Количественно ПКС человека была длиннее, чем ПКС коз, собак и кроликов, и шире, чем ПКС собак и кроликов, тогда как после нормализации по ширине плато большеберцовой кости только ПКС свиньи показали значительно большую длину по сравнению с человеком.PCL человека была шире, чем у всех PCL животных, но только длиннее, чем PCL коз, собак и кроликов. После нормализации от человека отличалась только длина ЗКС овцы и свиньи. Предыдущие исследования количественно определили длину и ширину ПКЛ человека как 38 мм в длину и 13 мм в ширину 20 , измерения, которые аналогичны указанным здесь 40 ± 7 мм и 14 ± 5 ​​мм соответственно. Только коровье колено имело ширину выемки и длину медиального мениска, сравнимую с человеческим коленом, тогда как ширина медиального и латерального мениска была ближе всего к человеческому у овец, коз, свиней и собак.В предыдущих исследованиях менисков человека ширина средней части медиального мениска и латерального мениска, измеренная на МРТ, составляла 7,4 мм и 8,4 мм соответственно 21 . Эти измерения соответствовали приведенным здесь (9,5 ± 0,6 мм и 9,8 ± 0,7 мм для медиального мениска и латерального мениска соответственно) 22 . Качественно два пучка ПКС (переднемедиальный и заднелатеральный пучки) и ЗКС (переднелатеральный и заднемедиальный) не были так четко определены у человека, как у некоторых коленных суставов животных.В коленях человека и козы переднее место прикрепления латерального мениска срослось с латеральной стороной передней крестообразной связки, что могло скрыть разделение ножек в этих коленях. Колени коров, овец и свиней имели отдельные пучки, которые были разделены передним прикреплением латерального мениска. Это очень важно учитывать при размещении большеберцового туннеля через центр зоны охвата ПКС при выполнении реконструкции ПКС на этих животных, поскольку передний рог латерального мениска потенциально может быть поврежден.Аналогичным образом, большеберцовый туннель, расположенный позади места прикрепления ПКС в модели козы, также может повредить место прикрепления переднего латерального мениска. У PCL овец было два разных места прикрепления большеберцовой кости, тогда как у всех других видов было только одно.

В отличие от колен животных, колени человека имели оба рога латерального мениска, расположенные более центрально, чем крепления медиального мениска. Колени собак и кроликов не имели переднего прикрепления латерального мениска, соединяющегося с ПКС или разделяющего пучки ПКС; однако вполне возможно, что у этих видов действительно есть крестообразные пучки, которые механически различны, даже если они не были идентифицированы анатомически в этом исследовании.Заднее прикрепление латерального мениска через заднюю мениско-бедренную связку похоже на то, что ранее сообщалось в коленях собак и овец 23 . В этом исследовании мениско-бедренная связка также присутствовала у обоих этих видов, каудальнее ЗКС и более косая, что также было отмечено в нашем исследовании. Ни в одном из четырех человеческих коленей в этом исследовании не было передних межменискальных связок, которые были хорошо охарактеризованы в прошлых исследованиях трупов 24, 25 . Однако в этом исследовании межменисковая связка была идентифицирована в трех из четырех коленных суставов собак.В то время как межменисковая связка у человека является дополнением к костным передним местам прикрепления менисков 24 , эта связка была единственным передним прикреплением медиальных менисков в нескольких коленях собак в этом исследовании. Таким образом, разрыв межменисковой связки на модели собаки может дестабилизировать медиальный мениск, поскольку колено не имеет отдельных костных прикреплений для этих структур. В предыдущем исследовании переднего прикрепления медиального мениска человека было обнаружено, что место прикрепления имеет четыре варианта.Вставки типа I располагались в плоской межмыщелковой области плато большеберцовой кости; Тип II возник на нисходящем склоне от медиального суставного плато к межмыщелковой области; Тип III возникал на переднем скате плато большеберцовой кости; в типе IV 26 не было прочного костного прикрепления переднего рога. В нашем исследовании четырех коленей человека все колени имели вставки типа I, как и все колени животных, за исключением нескольких коленей собак, которые имели вставки типа IV.Таким образом, изменчивость анатомии места введения у животных и человека может иметь важное значение в трансляционных исследованиях патологии медиального мениска.

Наши измерения диапазона пассивных движений () всех коленей показывают неотъемлемую функциональную разницу коленей моделей четвероногих животных по сравнению с коленом человека. У всех животных физиологический предел разгибания составлял около 40° к нейтральной оси 0° при разгибании диафиза бедренной кости (только у кроликов колени были значительно более разгибаемыми до 22°).Хотя это существенное различие в диапазоне движений наблюдается во всех распространенных животных моделях коленного сустава и, следовательно, является меньшим фактором при определении оптимальной животной модели коленного сустава человека, крайне важно помнить об этом различии при переводе животных. данные для человеческого случая.

Ограничения исследования заключались в исключительном изучении самок. Хотя эта предвзятость отбора не позволила нам внести свой вклад в известные гендерные различия в анатомии, биомеханике и клеточной биологии человеческого колена 27, 28 , она, вероятно, привела к уменьшению дисперсии.Учитывая относительно высокую распространенность травм колена и особенно разрывов передней крестообразной связки у женщин по сравнению с мужчинами, исследование 3 стало еще одной причиной для изучения женского колена. Еще одним ограничением нашего исследования является небольшое количество образцов в каждой из семи групп. Надежное утверждение может быть дано для статистически значимых сравнений, тогда как не все незначимые сравнения имеют мощность > 80% и допускают правильную интерпретацию. Помимо конкретных ограничений этого исследования, общей проблемой является использование четвероногих животных в качестве моделей коленного сустава для двуногого человека, особенно с учетом различий в диапазоне их движений, отмеченных в этом исследовании.

Исчезновение многих из наблюдаемых различий в анатомии крестообразных и менисковых костей после нормализации ширины плато большеберцовой кости свидетельствует об общем сохранении относительных размеров крестообразных и менисковых костей среди видов. Тем не менее, существуют различия в абсолютных размерах структур, что приводит к значительным изменениям нагрузки и сдвига, которым подвергаются внутрисуставные структуры.

Обзор оценивает эти характеристики и может служить ориентиром для выбора правильной модели для определенной конструкции.Образцы овец и коров лучше всего соответствовали передней крестообразной связки человека по размеру и пропорции, но их большеберцовая передняя крестообразная связка была разделена передним латеральным мениском, в то время как передняя крестообразная связка козы была короче, чем у человека, но имела аналогичное место прикрепления большеберцовой кости. Основываясь только на анатомии, овцы, коровы и козы могут быть лучшими моделями для лечения травм передней крестообразной связки.

Таблица 4

Руководство по выбору моделей животных иллюстрирует уровни структурного сходства с анатомией человека

(+) хорошее, (o) удовлетворительное, (-) нет сходства при прямом, нормализованном значении и анатомических сравнениях.(ПКС = передняя крестообразная связка; ЗКС = задняя крестообразная связка) Образцы коровы и овцы лучше всего соответствовали ПКС человека по размеру и пропорциям, но их место прикрепления ПКС большеберцовой кости было разделено передней ЛМ, в то время как ПКС коз была короче, но имела аналогичное большеберцовое место вставки. Таким образом, овцы, коровы и козы могут быть лучшими моделями для лечения травм передней крестообразной связки. Не удалось найти предпочтительную животную модель для лечения травм ПКС. Размер и пропорции ММ человека лучше всего представлены у овец и коз.Боковой мениск имеет наилучшую эквивалентность по размеру человеческому аналогу у овец, коз и свиней; анатомия была наиболее эквивалентной у коз. В целом, предпочтительной животной моделью для лечения повреждения мениска может быть коза.

модель животных – о
баранину + о о о
козлятины + о +
свиной о о
Canine о
Лэпайн o

Интересы гли, среди исследованных видов наблюдалась меньшая сохранность размеров ПКЛ.Только PCL коровы была сопоставима с PCL человека по абсолютной длине, нормализованным значениям и анатомии мест прикрепления, тогда как PCL человека была значительно шире, чем у всех образцов животных. Это может быть связано с различиями в диапазоне движений двуногих по сравнению с четвероногими. Поскольку ЗКС предотвращает чрезмерное разгибание колена, ему, возможно, придется выдерживать более высокую нагрузку на колено человека при полном разгибании по сравнению с коленями четвероногих, которые ограничены в своем разгибании ().

Размер и пропорции медиального мениска человека были наиболее сходны с образцами овец и коз. Боковой мениск человека был наиболее похож по размеру на образцы овец, коз и свиней; однако анатомия мест прикрепления латерального мениска к большеберцовой кости у козы была наиболее сопоставима с анатомией человеческого колена. Принимая во внимание как медиальный, так и латеральный мениск, животной моделью с наиболее близкой анатомией к человеческому колену была коза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Модели крупных животных являются очень ценным инструментом для разработки и тестирования новых хирургических процедур.Выбор подходящей модели крупного животного для определенной хирургической процедуры или разработки нового лечения имеет важное значение для правильной интерпретации результата и переноса в человеческую модель. Результаты этого исследования предоставляют информацию о размере и морфологии крестообразных связок и менисков и, таким образом, мы надеемся, дадут некоторое руководство по этому аспекту выбора подходящих животных моделей для развития внутрисуставной хирургии коленного сустава.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Карле Хаслауер, Линде Чао, Патрику Вавкену, Эдуардо Абреу, Мэтью Палмеру, Эшли Мастранджело, Артуру Неддеру, Марку Келли, Дэвиду Паллеру, Дэвиду Зураковски и Элисон Бирсевич за их помощь в этом проекте.Кроме того, финансирование было получено от грантов NIH AR054099 и AR052772 (MMM) и AR049199 (BCF).

Сноски

ЗАЯВЛЕНИЕ О КОНФЛИКТЕ ИНТЕРЕСОВ

Каждый автор подтверждает, что он или она не имеет коммерческих ассоциаций (например, консультационных, акционерных, акционерных, патентных/лицензионных соглашений и т. д.), которые могли бы создать конфликт интересов в связи с представленная статья.

Отказ от ответственности издателя: Это PDF-файл неотредактированной рукописи, которая была принята к публикации.В качестве услуги нашим клиентам мы предоставляем эту раннюю версию рукописи. Рукопись будет подвергнута редактированию, набору текста и рецензированию полученного доказательства, прежде чем она будет опубликована в ее окончательной цитируемой форме. Обратите внимание, что в процессе производства могут быть обнаружены ошибки, которые могут повлиять на содержание, и все правовые оговорки, применимые к журналу, относятся к нему.

Ссылки

1. Louw QA, Manilall J, Grimmer KA. Эпидемиология травм колена у подростков: систематический обзор.Бр Дж Спорт Мед. 2008; 42:2–10. [PubMed] [Google Scholar]2. Эверхарт Дж. С., Фланиган Д. С., Саймон Р. А., Чаудхари А. М. Ассоциация бесконтактного повреждения передней крестообразной связки с наличием и толщиной костного гребня на переднемедиальной стороне бедренной межмыщелковой вырезки. Американский журнал спортивной медицины. 2010; 38:1667–73. [PubMed] [Google Scholar]3. Prodromos CC, Han Y, Rogowski J, Joyce B, Shi K. Метаанализ частоты разрывов передней крестообразной связки в зависимости от пола, спорта и режима снижения травм колена.Артроскопия. 2007; 23:1320–25. е6. [PubMed] [Google Scholar]4. Чаудхари А.М., Брайант П.Л., Бевилл С.Л., Ку С., Андриакки Т.П. Кинематика коленного сустава, морфология хряща и остеоартрит после травмы передней крестообразной связки. Медицинские спортивные упражнения. 2008;40:215–22. [PubMed] [Google Scholar]5. Ойстад Б.Е., Энгебрецен Л., Сторхейм К., Рисберг М.А. Остеоартроз коленного сустава после травмы передней крестообразной связки: систематический обзор. Американский журнал спортивной медицины. 2009; 37: 1434–43. [PubMed] [Google Scholar]6. Лохербах К., Зайни Р., Шамба П., Соннери-Котте Б.Биологически усиленная реконструкция ПКС. Orthop Traumatol Surg Res. 2010 [PubMed] [Google Scholar]8. Вавкен П., Мюррей М.М. Трансляционные исследования в ремонте ACL. Tissue Eng Часть A. 2009 [Google Scholar] 9. Лозано Дж., Ма К.Б., Кэннон В.Д. Полное восстановление мениска: систематический обзор. Клиническая ортопедия и смежные исследования. 2007; 455:134–41. [PubMed] [Google Scholar] 10. Steinert AF, Palmer GD, Capito R, Hofstaetter JG, Pilapil C, Ghivizzani SC, et al. Генетически улучшенная инженерия ткани мениска с использованием доставки ex vivo трансформирующего фактора роста бета-1, комплементарной дезоксирибонуклеиновой кислоте.Ткань англ. 2007; 13:2227–37. [PubMed] [Google Scholar] 11. Джонсон Л.Л., Вериоти С., Гелбер Дж., Спектор М., Д’Лима Д., Питтсли А. Патология конечной стадии остеоартрита коленного сустава: потенциальная роль в восстановлении хряща. Колено. 2010 [PubMed] [Google Scholar]12. Моран С.Дж., Шеннон Ф.Дж., Барри Ф.П., О’Бирн Дж.М., О’Брайен Т., Кертин В. Преобразование науки в хирургию: связь новых концепций восстановления биологического хряща с хирургическим вмешательством. J Bone Joint Surg Br. 2010;92:1195–202. [PubMed] [Google Scholar] 13.Арноски С.П., Кук Дж.Л., Картер Т., Тернер А.С. Трансляционные модели для изучения восстановления и замены мениска: что они могут и чего не могут нам сказать. Tissue Eng, часть B, ред. 2010; 16:31–9. [PubMed] [Google Scholar] 15. Меллер Р., Кендофф Д., Ханкемайер С., Ягодзински М., Гроц М., Кноблох К. и др. Рост задних конечностей после трансфизарной реконструкции передней крестообразной связки: исследование неполовозрелых овец с широко открытыми мышцами. Американский журнал спортивной медицины. 2008; 36: 2437–43. [PubMed] [Google Scholar] 16.Huangfu X, Zhao J. Улучшение заживления сухожилий с использованием инъекционного трикальцийфосфата в модели реконструкции передней крестообразной связки собаки. Артроскопия. 2007; 23: 455–62. [PubMed] [Google Scholar] 17. Исаак Д.И., Мейер Э.Г., Haut RC. Разработка модели травматической передней крестообразной связки и разрыва мениска с пилотным исследованием in vivo. J Биомех Инж. 2010;132:064501. [PubMed] [Google Scholar] 18. Мюррей М.М., Магариан Э., Зураковски Д., Флеминг Б.К. Фиксация кости к кости улучшает функциональное заживление передней крестообразной связки свиньи с использованием композита коллаген-тромбоциты.Артроскопия. 2010;26:С49–57. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]19. Спиндлер К.П., Мюррей М.М., Кэри Дж.Л., Зураковски Д., Флеминг Б.К. Использование тромбоцитов для функционального заживления аутотрансплантата передней крестообразной связки (ПКС) в модели реконструкции ПКС козы. J Ортоп Res. 2009; 27: 631–638. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]20. Гиргис Ф.Г., Маршалл Дж.Л., Монахем А. Крестообразные связки коленного сустава. Анатомический, функциональный и экспериментальный анализ. Клиническая ортопедия и смежные исследования.1975: 216–31. [PubMed] [Google Scholar] 21. Erbagci H, Gumusburun E, Bayram M, Karakurum G, Sirikci A. Нормальные мениски: измерения МРТ in vivo. Сур Радиол Анат. 2004; 26:28–32. [PubMed] [Google Scholar] 22. Prodromos CC, Joyce BT, Keller BL, Murphy BJ, Shi K. Измерение контралатерального нормального мениска с помощью магнитно-резонансной томографии является более точным методом определения размера менискового аллотрансплантата, чем рентгенографическое измерение плато большеберцовой кости реципиента. Артроскопия. 2007; 23:1174–79. е1. [PubMed] [Google Scholar] 23.Гупте С.М., Булл А.М., Мюррей Р., Эмис А.А. Сравнительная анатомия мениско-бедренной связки человека и некоторых домашних млекопитающих. Анатомия, гистология, эмбриология. 2007; 36:47–52. [PubMed] [Google Scholar] 24. Нельсон Э.В., ЛаПрад РФ. Передняя межменисковая связка колена. Анатомическое исследование. Американский журнал спортивной медицины. 2000; 28:74–76. [PubMed] [Google Scholar] 25. Месснер К., Гао Дж. Мениски коленного сустава. Анатомо-функциональные особенности и обоснование клинического лечения.Дж Анат. 1998; 193 (часть 2): 161–78. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]26. Берлет Г.К., Фаулер П.Дж. Передний рог медицинского мениска. Анатомическое исследование его вставки. Американский журнал спортивной медицины. 1998; 26: 540–3. [PubMed] [Google Scholar] 27. Брофи Р., Сильверс Х.Дж., Гонсалес Т., Мандельбаум Б.Р. Влияние пола: роль доминирования ноги в травме передней крестообразной связки у футболистов. Бр Дж Спорт Мед. 2010;44:694–7. [PubMed] [Google Scholar] 28. Шульц С.Дж., Шмитц Р.Дж., Нгуен А.Д. Research Retreat IV: Травмы передней крестообразной связки — гендерная предвзятость: 3–5 апреля 2008 г., Гринсборо, Северная Каролина.Джей Атл Трейн. 2008;43:530–1. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

NHS Ayrshire & Arran – Колено: введение в анатомию колена (MSK)

Колено: введение в анатомию колена (MSK)

  Анатомия колена

Колено представляет собой шарнирный сустав, образованный большеберцовой костью (берцовой костью), бедренной костью (бедренной костью) и надколенником (надколенником). Концы костей в суставе покрыты хрящом — прочной смазывающей тканью, которая помогает амортизировать кости во время движения.

 

Схема 1: колено человека

Суставы

Сустав в основном позволяет сгибать (сгибать) и выпрямлять (разгибать) колено. Коленный сустав состоит из двух сочленений — большеберцово-бедренного и надколенниково-бедренного. Суставные поверхности выстланы хрящом и заключены в единую суставную полость.

 

  • Большеберцово-бедренный (коленный сустав) — медиальный и латеральный мыщелки бедренной кости сочленяются с мыщелками большеберцовой кости.Это несущий компонент коленного сустава.

 

  • Надколенно-бедренная (надколенниковая чашечка) — (передняя) часть бедренной кости в коленном суставе сочленяется с надколенником. Это позволяет сухожилию четырехглавой мышцы бедра (мышца, разгибающая колено) вставляться непосредственно над коленом, что повышает его эффективность.

 

Связки

Есть ряд связок, связанных с коленом. Однако основными из них являются коллатеральные и крестообразные связки.Эти связки работают, чтобы стабилизировать колено и дать колену осознание своего положения в пространстве.

 

Мышцы

 

Диаграмма 2: Коленные мышцы

Основные мышцы коленного сустава состоят из двух групп, которые работают вместе, чтобы разгибать и сгибать коленный сустав во время таких действий, как ходьба и бег.

Мышцы передней поверхности бедер называются квадрицепсами.Это группа из четырех мышц, которые разгибают или разгибают колено. Они прикрепляются к голени толстым сухожилием, называемым сухожилием надколенника.

На задней стороне бедра находится группа из трех мышц, называемых подколенными сухожилиями. Они работают вместе, чтобы согнуть колено во время занятий.

Это основные мышцы, которые непосредственно контролируют колено. Однако другие мышцы, такие как ягодичные мышцы, важны для контроля положения и выравнивания колена. Помните, что общее состояние мышц также важно!

 

Мениски

Мениски представляют собой С-образные ткани внутри коленного сустава, расположенные между поверхностями хрящей бедра (бедренной) и голени (большеберцовой кости). Оба находятся в суставе. Один на внутренней стороне колена (медиальный) и один снаружи (латеральный).

 

  Диаграмма 3. Передний отдел коленного сустава с изображением медиального и латерального менисков

 

Наружные части имеют адекватное кровоснабжение, но средние и внутренние части имеют плохое кровоснабжение.Поскольку кровоснабжение может повлиять на заживление, расположение разрыва будет влиять на варианты лечения.

Что делает мениск в колене?

Мениски — это ткани, которые реагируют на силы и нагрузки, которые вы прикладываете к колену. У них есть несколько важных функций:

  • Амортизация
  • Передача нагрузки (более равномерное распределение веса на коленный сустав
  • Повышение стабильности коленного сустава
  • Совместная смазка

 

Нажмите ЗДЕСЬ, чтобы получить версию этого раздела для печати

Дата проверки: июль 2024 г.

Общая, микроскопическая, хирургическая и радиологическая анатомия


В последние годы методы визуализации быстро развивались в анатомии, поскольку они были включены в изучение человеческого тела.Нормальные паттерны были пересмотрены, и в последнее время, в эпоху доказательной медицины, анатомия сместилась в сторону доказательной морфологии. Эндоскопические и малоинвазивные методики требуют другого взгляда и лучшего понимания анатомии. Индивидуальный уход за пациентом требует понимания индивидуальной анатомии, особенно в отношении хирургии. Анатомия как никогда своевременна, и статьи, отобранные для этого специального выпуска, отражают современную эпоху анатомии. Включенные статьи представляют собой описательные исследования, направленные на описание анатомии, но они каким-то образом представляют собой разные дизайны исследований, и все они были проведены с клинически ориентированной точки зрения.Хотя человеческое колено было тщательно изучено, кажется, что все еще есть вопросы, требующие решения. Мы хотели бы поблагодарить авторов за их вклад в этот специальный выпуск. Фундаментальная работа всех рецензентов также признается.

В статье « «Косая подколенная связка:» макро- и микроанализ для определения того, является ли она связкой или сухожилием » Б. Беннингер и Т. Деламартер подвергают сомнению хорошо известную структуру, косую подколенную связку ( ОПЛ).Основываясь на своих наблюдениях, авторы предполагают, что OPL присущ дистальной единице сухожилия полуперепончатой ​​мышцы. Микроанализ с использованием иммуногистохимического окрашивания PGP9.5 показал положительный результат для аксонов нейронов как в полуперепончатом сухожилии, так и в OPL. Дальнейший микроанализ с использованием иммуногистохимического окрашивания β -тубулином выявил положительное окрашивание аксонов нейронов в полуперепончатом сухожилии, OPL и латеральной коллатеральной связке. Хотя последний результат заставляет авторов усомниться в достоверности дифференциации сухожилия от связки с использованием этого конкретного иммуногистохимического окрашивания, результаты макроанализа ошеломляют, а микроанализ обнаруживает поразительное сходство в гистологии как OPL, так и сухожилия полуперепончатой ​​мышцы.

В статье, озаглавленной « Артериальное кровоснабжение надколенника через поднадколенниковую жировую ткань (Гоффа): комбинированный анатомический и ангиографический анализ » Г. Немшак и М.Л. Хоффа). Изучены пять человеческих надколенников, один из которых был препарирован под операционным микроскопом, второй был просвечен раствором Зихлера, а три подверглись ангиографии с использованием 3D-рентгеновского аппарата. Результаты показали, что надколенник в значительной степени снабжается артериями, проходящими через окружающие отделы поднадколенникового жирового тела.Установлено, что последние отходят от медиальной и латеральной верхней и нижней коленчатых артерий. Внутри поднадколенниковой жировой ткани эти артерии образуют густую сеть анастомозов, которые способствуют жизнеспособности надколенниковой кости. Авторы пришли к выводу, что из-за богатого артериального кровоснабжения, достигающего надколенника через инфрапателлярную жировую ткань, представляется целесообразным сохранить жировую ткань во время операции на коленном суставе, чтобы снизить риск сосудистых нарушений надколенника.

В статье «Менискомалоберцовая связка : морфология и функциональное значение относительно неизвестной анатомической структуры » K. Natsis et al. выполнили макроскопическое и микроскопическое исследование менискомалоберцовой связки (MFL). Основываясь на своих наблюдениях, авторы предположили, что MFL может обеспечить защиту латерального мениска от вероятного повреждения на последних этапах разгибания колена. Кроме того, MFL, по-видимому, укрепляет заднелатеральную часть латеральной венечной связки, что может объяснить относительно низкую частоту разрыва латеральной венечной связки.В этом исследовании сформулированы вопросы для дальнейших исследований в отношении точных биомеханических характеристик MFL, а также вероятной связи или отсутствия разрывов латерального мениска, защиты коронарной связки, а также функции и травматологии проксимального межберцового сустава.

В статье « Применение компенсации артефактов мягких тканей с использованием зависимости смещения между анатомическими ориентирами и кожными маркерами » Т. Рю представляет другой взгляд на анатомические приложения в отношении анализа суставов.Среди многих подходов к уменьшению ошибок в анализе движений с помощью стереофотограмметрии можно выделить оценку положения анатомических ориентиров при движении с углом сустава или смещением кожных маркеров, что представляет собой так называемый метод компенсации анатомических ориентиров. Это исследование было направлено на применение методов компенсации угла сустава и смещения кожных маркеров к трем движениям нижних конечностей и сравнение их надежности. Два набора кинематических переменных были рассчитаны с использованием двух разных кластеров маркеров, и была получена разница.Результаты показали, что компенсационный метод со смещением кожных маркеров имел на 30–60 % меньше различий по сравнению с безкомпенсационным. Кроме того, он имел достоверно меньше различий по некоторым кинематическим переменным (7 из 18) на 25–40 % по сравнению с методом компенсации с углом сустава.

В статье, озаглавленной « Адекватность одного сухожилия полусухожильной мышцы для трансплантата для реконструкции передней крестообразной связки и прогнозирования размера трансплантата подколенного сухожилия путем оценки простых антропометрических параметров » Папастергиу Г.С. и др. провели ретроспективное исследование клинической популяции, чтобы определить, является ли длина сухожилия полусухожильной мышцы адекватной для четырехнитевого трансплантата, полученного по общепринятой методике, и существует ли корреляция длины и диаметра трансплантата тонкой и полусухожильной мышцы с антропометрическими параметрами. По результатам исследования авторы пришли к выводу, что длина сухожилия полусухожильной мышцы, собранного по обычной методике, обычно недостаточна для использования отдельно в качестве четырехнитевого трансплантата, особенно у женщин.Рост и вес считаются умеренными предикторами адекватности длины сухожилия полусухожильной мышцы при использовании отдельно четырехнитевого трансплантата полусухожильной мышцы или диаметра четырехнитевого трансплантата полусухожильной мышцы и тонкой мышцы бедра для реконструкции одинарного пучка передней крестообразной связки, собранной по общепринятой методике ( без костной пробки). Наиболее надежным предиктором, по-видимому, является рост пациентов у мужчин. У пациенток женского пола такого статистически важного предиктора нет.

В статье « Гендерные и боковые различия морфологии мыщелков бедренной кости: остеометрические данные из 360 высушенных бедренных костей европеоидов » I.Терзидис и др. выполнили популяционное морфометрическое исследование мыщелков бедра.

До сих пор остается спорным вопрос, может ли новая конструкция имплантата учитывать индивидуальные различия в анатомии коленного сустава, а не гендерные различия. Авторы подчеркнули различия в анатомии между полами, которые могут быть добавлены к дизайну новых протезов. Основываясь на результатах этого исследования, контралатеральная здоровая сторона может быть безопасно использована для предоперационного шаблонирования в хирургии тотальной реконструкции коленного сустава, поскольку не было обнаружено различий между сторонами.

В статье « Передняя и задняя мениско-бедренные связки: оценка МРТ » A. Bintoudi et al. предоставить обзор МРТ-вида передней мениско-бедренной и задней мениско-бедренных связок. Авторы использовали большой размер выборки для описания визуализации анатомии этих структур, что помогает лучше концептуализировать анатомию и предотвращает ошибочный диагноз передней мениско-бедренной и задней мениско-бедренной связок как рыхлых тел или патологии задней крестообразной связки.

Константинос Нацис
Николаос Анастасопулос
Элефтериос Келлис
Юрген Кебке
Антония Сиога
Иоаннис Цитуридис

Copyright

Copyright © 2012 Konettinos stantsis. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

Боковые различия в анатомии коленных суставов человека

  • Андерсон А.Ф., Снайдер Р.Б., Федершпиль В.Ф., Липскомб А.Б. (1992) Инструментальная оценка слабости коленного сустава: сравнение пяти артрометров.Am J Sports Med 20:135–140

    Статья КАС пабмед Google ученый

  • Барак Р.Л., Скиннер Х.Б., Бакли С.Л. (1989) Проприоцепция коленного сустава с дефектом передней крестообразной связки. Am J Sports Med 17:1–6

    Статья КАС пабмед Google ученый

  • Bernard M, Hertel P, Hornung H, Cierpinski T (1997) Бедренная вставка передней крестообразной связки. Рентгенологический квадрантный метод.Am J Knee Surg 10:14–22

    CAS пабмед Google ученый

  • Dargel J, Pohl P, Tzikaras P, Koebke J (2006)Морфометрические поперечные различия в прикреплении крестообразной связки человека. Сур Радиол Анат 28:398–402

    Статья пабмед Google ученый

  • Экштейн Ф., Мюллер С., Фабер С.К., Энглмайер К.Х., Райзер М., Путц Р. (2002) Боковые различия объема, толщины и площади поверхности хряща коленного сустава, а также корреляция с преобладанием нижних конечностей – исследование на основе МРТ .Osteoarthr Cartil 10:914–921

    Статья КАС пабмед Google ученый

  • Эдвардс А., Булл AMJ, Эмис А.А. (2007)Прикрепление пучков волокон задней крестообразной связки: анатомическое исследование. Артроскопия 23:284–290

    PubMed Google ученый

  • Fridén T, Jonsson A, Erlandsson T, Jonsson K, Lindstrand A (1993) Влияние конфигурации мыщелка бедренной кости на инвалидность после разрыва передней крестообразной связки.Acta Orthop Scand 64:571–574

    PubMed Google ученый

  • Friedman RL, Feagin JA (1994) Топографическая анатомия межмыщелковой крыши. Clin Orthop Relat Res 306:163–170

    PubMed Google ученый

  • Giffin JR, Vogrin TM, Zantop T, Woo SLY, Harner CD (2004) Влияние увеличения наклона большеберцовой кости на биомеханику колена. Am J Sports Med 32: 376–382

    Статья пабмед Google ученый

  • Gokeler A, Schmalz T, Knopf E, Freiwald J, Blumentritt S (2003) Взаимосвязь между изокинетической силой четырехглавой мышцы и слабостью по параметрам анализа походки в реконструированных коленях передней крестообразной связки.Knee Surg Sports Traumatol Artrosc 11:372–378

    Статья пабмед Google ученый

  • Griffin FM, Math K, Scuderi GR, Insall JN, Poilvache PL (2000) Анатомия надмыщелков дистального отдела бедренной кости: МРТ-анализ нормальных коленей. J Артропластика 15:354–359

    Статья КАС пабмед Google ученый

  • Hitt K, Shurman IIJ, Greene K, McCarthy J, Moskal J, Hoeman T, Mont MA (2003) Антропометрические измерения человеческого колена: корреляция с размерами современных систем эндопротезирования коленного сустава.J Bone Joint Surg 85:115–122

    Статья пабмед Google ученый

  • Иваки Х., Пинскерова В., Фримен М.АР. (2000) Большеберцово-бедренное движение 1: формы и относительные движения бедренной и большеберцовой костей в ненагруженном трупном колене. J Bone Joint Surg Br 82:1189–1195

    Статья КАС пабмед Google ученый

  • Jonsson H, Karrholm J, Elmqvist LG (1993) Слабость после травмы крестообразной связки в 94 коленях.Сравнение артрометра КТ-1000 с рентгеновской стереофотограмметрией. Acta Orthop Scand 64:567–570

    CAS пабмед Google ученый

  • Jordan SS, DeFrate LE, Nha KW, Papannagari R, Gill TJ, Li G (2007) Кинематика in vivo переднемедиального и заднелатерального пучков передней крестообразной связки во время сгибания колена с нагрузкой. Am J Sports Med 35: 547–554

    Статья пабмед Google ученый

  • Kohn D, Moreno B (1995) Анатомия прикрепления мениска как основа для замены мениска: морфологическое исследование трупа.Артроскопия 11:96–103

    CAS пабмед Статья Google ученый

  • Козанек М., Ван де Вельде С.К., Гилл Т.Дж., Ли Г. (2008)Контралатеральный коленный сустав при недостаточности крестообразной связки. Am J Sports Med 36:2151–2157

    Статья пабмед Google ученый

  • Li G, Papannagari R, Li M, Bingham J, Nha KW, Allred D, Gill T (2008) Влияние недостаточности задней крестообразной связки на трансляцию и вращение колена in vivo во время сгибания с нагрузкой.Am J Sports Med 36: 474–479

    Статья пабмед Google ученый

  • Mensch JS, Amstutz HC (1975) Морфология коленного сустава как руководство по замене коленного сустава. Clin Orthop Relat Res 112: 231–241

    PubMed Google ученый

  • Muneta T, K Takakuda, Yamomoto H (1997) Ширина межмыщелковой выемки и ее связь с конфигурацией площади поперечного сечения передней крестообразной связки.Am J Sports Med 25: 69–72

    Статья КАС пабмед Google ученый

  • Papannagari R, Gill TJ, Defrate LE, Moses JM, Petruska AJ, Li G (2006)Кинематика коленного сустава in vivo после реконструкции передней крестообразной связки: клиническая и функциональная оценка. Am J Sports Med 34:2006–2012

    Статья пабмед Google ученый

  • Petermann J, Kober R, Heinze R, Frölich JJ, Heeckt PF, Gotzen L (2000) Компьютерное планирование и роботизированная хирургия при реконструкции передней крестообразной связки.Oper Tech Orthop 10:50–55

    Статья Google ученый

  • Sati M, Stäubli HU, Bourquin Y, Kunz M, Käsermann S (2000) Клиническая интеграция компьютерных технологий для артроскопической реконструкции передней крестообразной связки. Oper Tech Orthop 10:40–49

    Статья Google ученый

  • Shambaugh JP, Klein A, Herbert JH (1991) Структурные показатели как предикторы травм у баскетболистов.Медицинские научные спортивные упражнения 23: 522–527

    CAS пабмед Google ученый

  • Shefelbine SJ, Ma CB, Lee KY, Schrumpf MA, Patel P, Safran MR, Slavinski JP, Majumdar S (2006) МРТ-анализ in vivo менискальной и тибиофеморальной кинематики в коленях с дефицитом ACL и нормальных коленях. J Orthop Res 24:1208–1217

    Статья пабмед Google ученый

  • Snyder-Mackler L, Fitzgerald GK, Bartolozzi AR, Ciccotti MG (1997) Взаимосвязь между пассивной слабостью суставов и функциональным результатом после травмы передней крестообразной связки.Am J Sports Med 25:191–195

    Статья КАС пабмед Google ученый

  • Souryal TO, Moore HA, Evans JP (1988) Двусторонность при травмах передней крестообразной связки. Am J Sports Med 16: 449–454

    Статья КАС пабмед Google ученый

  • Такахаши М., Мацубара Т., Дои М., Судзуки Д., Нагано А. (2006) Анатомическое исследование бедренных и большеберцовых вставок передне-боковых и задне-медиальных пучков вставок задней крестообразной связки человека.Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc 14:1055–1059

    Статья пабмед Google ученый

  • Teitz CC, Lind BK, Sacks BM (1997) Симметрия индекса ширины вырезки бедренной кости. Am J Sports Med 25: 687–690

    Статья КАС пабмед Google ученый

  • Крошечная коленная кость, когда-то утраченная людьми, возвращается

    Учебники скажут вам, что человеческое тело состоит из 206 костей.Но иногда их бывает 208. Фабелла, небольшая кость в сухожилии за коленом, была утрачена в ходе ранней эволюции человека, но в наши дни она становится все более распространенной, согласно исследованию, опубликованному на этой неделе (17 апреля) в Анатомический журнал .

    Кость была связана с проблемами колена, и авторы утверждают, что fabella следует принимать во внимание при лечении людей с болью в колене.

    Майкл Бертаум из Имперского колледжа Лондона и его коллеги собрали данные более чем 21 000 исследований коленного сустава за последние 150 лет и обнаружили, что в период с 1918 по 2018 год фабелла стала более чем в три раза более распространенной.По их данным, в 1918 году кость была обнаружена всего у 11 процентов населения мира. В прошлом году он присутствовал у 39 процентов людей. Анализы исследователей контролировали метод сбора данных, который включал рентген, вскрытие и МРТ, а также страну происхождения.

    «Сегодня средний человек лучше питается, а это значит, что мы выше и тяжелее», — говорит Бертаум в пресс-релизе. «Это произошло из-за более длинных костей голени и больших икроножных мышц — изменений, которые подвергали колено все большему давлению.Это может объяснить, почему фабеллы сейчас более распространены, чем когда-то». Исследователи предполагают, что генетика может влиять на то, есть ли у людей способность развивать fabellae, но если это так, факторы окружающей среды, такие как механические силы, которые испытывает колено, вероятно, влияют на формирование костей.

    Функция фабеллы неизвестна. У обезьян Старого Света он, по-видимому, играет роль в механике мышц колена. Но когда предки человекообразных обезьян отделились от линии обезьян, кость, по-видимому, исчезла.Теперь, когда он снова появляется у людей, о его функции можно только догадываться. Это может помочь «уменьшить трение в сухожилиях, перенаправляя мышечные силы или, как в случае с коленной чашечкой, увеличивая механическую силу этой мышцы», — говорит Бертаум в пресс-релизе. «А может вообще ничего не делать. . . . Возможно, вскоре фабелла будет известна как приложение скелета».

    Независимо от того, обеспечивает ли это функциональное преимущество, кость связывают с различными заболеваниями. Например, его присутствие может вызвать боль в колене, и у людей, страдающих остеоартритом колен, вероятность его возникновения примерно в два раза выше, чем у людей без остеоартрита.Фабелла также может создать дополнительные трудности при операции по замене коленного сустава.

    «По мере того, как мы эволюционировали в человекообразных обезьян и людей, мы, похоже, потеряли потребность в фабеллах», — говорит Бертаум в пресс-релизе. «Теперь это просто вызывает у нас проблемы, но интересный вопрос заключается в том, почему это возвращается».

    Исправление (22 апреля): эта статья была обновлена, чтобы исправить количество костей у людей с fabellae — 208, а не 207.  Ученый сожалеет об ошибке.

    Анатомия колена

    Важные части колена включают

    • кости и суставы
    • связки и сухожилия
    • мышцы
    • нервы
    • кровеносные сосуды

    Кости и суставы

    Колено является местом встречи двух важных костей ноги: бедренной кости (бедренной кости) и большеберцовой кости (большеберцовой кости). Надколенник (или коленная чашечка , как его обычно называют) сделан из кости и располагается перед коленом.

    Коленный сустав является синовиальным суставом . Синовиальные суставы окружены связочной капсулой и содержат жидкость, называемую синовиальной оболочкой , которая смазывает сустав.

    Конец бедренной кости соединяется с верхней частью большеберцовой кости, образуя коленный сустав. На конце бедренной кости находятся две круглые выпуклости, называемые мыщелками бедренной кости . Эти мыщелки опираются на верхнюю поверхность большеберцовой кости. Эта поверхность называется большеберцовым плато . Внешняя половина (наиболее удаленная от другого колена) называется латеральным большеберцовым плато , а внутренняя половина (ближайшая к другому колену) называется медиальным большеберцовым плато .Надколенник скользит через специальную борозду, образованную двумя бедренными мыщелками, называемую пателлофеморальной бороздой .

    Меньшая кость голени, малоберцовая , никогда не входит в коленный сустав. У него есть небольшой сустав, который соединяет его с большеберцовой костью. В норме этот сустав двигается очень мало.

    Суставной хрящ представляет собой материал, покрывающий концы костей любого сустава. Этот материал имеет толщину около четверти дюйма в большинстве крупных суставов.Он белый и блестящий, с резиновой консистенцией. Суставной хрящ представляет собой скользкое вещество, которое позволяет поверхностям скользить друг относительно друга, не повреждая ни одну из поверхностей. Функция суставного хряща состоит в том, чтобы поглощать удары и обеспечивать чрезвычайно гладкую поверхность для облегчения движений. У нас есть суставной хрящ практически везде, где две костные поверхности движутся друг против друга, или суставных . В колене суставной хрящ покрывает концы бедренной кости, верхнюю часть большеберцовой кости и заднюю часть надколенника.

    Связки и сухожилия

    Связки представляют собой прочные полоски ткани, соединяющие концы костей. Две важные связки находятся по обе стороны от коленного сустава. Это медиальная коллатеральная связка (MCL) и латеральная коллатеральная связка (LCL).

    Внутри коленного сустава между бедром и большеберцовой костью проходят две другие важные связки: передняя крестообразная связка (ПКС) (ПКС) спереди и задняя крестообразная связка (ЗКС ) сзади.

    MCL и LCL предотвращают слишком большое смещение колена из стороны в сторону. ACL и PCL контролируют движение коленного сустава вперед-назад.

    Передняя крестообразная связка удерживает большеберцовую кость от чрезмерного скольжения вперед по отношению к бедренной кости. ЗКС удерживает большеберцовую кость от скольжения слишком далеко назад по отношению к бедренной кости. Работая вместе, две крестообразные связки контролируют возвратно-поступательное движение колена. Связки, вместе взятые, являются наиболее важными структурами, контролирующими стабильность коленного сустава.

    Два особых типа связок, называемых менисками , расположены между бедренной и большеберцовой костями. Эти структуры иногда называют хрящом колена, но мениски отличаются от суставного хряща, покрывающего поверхность сустава.

    Два мениска колена важны по двум причинам: (1) они работают как прокладка, распределяя силу веса тела на большую площадь, и (2) они помогают связкам со стабильностью колена.

    Представьте колено в виде шара, лежащего на плоской пластине. Подушечка — это конец бедренной кости, когда она входит в сустав, а пластина — это верхняя часть большеберцовой кости. Мениски фактически охватывают круглый конец верхней кости, чтобы заполнить пространство между ним и плоской большеберцовой костью. Мениски действуют как прокладка, помогая распределить вес от бедренной кости к большеберцовой кости.

    Без менисков любой вес на бедре будет сконцентрирован в одной точке на большеберцовой кости. Но с менисками вес распределяется по большеберцовой поверхности.Распределение веса по менискам важно, потому что они защищают суставной хрящ на концах костей от чрезмерных усилий. Без менисков концентрация силы на небольшом участке суставного хряща может повредить поверхность, что со временем приведет к дегенерации.

    Помимо защиты суставного хряща, мениски помогают связкам поддерживать стабильность коленного сустава. Мениски делают коленный сустав более стабильным, действуя как клин, прижатый к днищу автомобильной шины.Мениски толще снаружи, и эта толщина помогает удерживать круглую бедренную кость от перекатывания по плоской большеберцовой кости. Мениски превращают большеберцовую поверхность в неглубокую впадину. Гнездо более устойчиво и эффективнее передает вес с верхней части тела, чем круглый шар на плоской пластине. Мениски повышают стабильность колена и защищают суставной хрящ от чрезмерной концентрации силы.

    В совокупности связки колена являются наиболее важными структурами, стабилизирующими сустав.Помните, связки соединяют кости с костями. Без крепких плотных связок, соединяющих бедро с большеберцовой костью, коленный сустав был бы слишком свободным. В отличие от других суставов тела, коленный сустав не имеет стабильной костной конфигурации. Тазобедренный сустав, например, представляет собой шар, который находится внутри глубокой впадины. Голеностопный сустав имеет форму, похожую на паз и шип, способ соединения дерева, используемый мастерами на протяжении веков.

    Сухожилия аналогичны связкам, за исключением того, что сухожилия прикрепляют мышцы к костям.Самым большим сухожилием вокруг колена является сухожилие надколенника . Это сухожилие соединяет надколенник (надколенник) с большеберцовой костью. Это сухожилие покрывает надколенник и продолжается вверх по бедру.

    Там оно называется сухожилием четырехглавой мышцы , так как оно прикрепляется к четырехглавой мышце в передней части бедра. Мышцы подколенного сухожилия на задней части ноги также имеют сухожилия, которые прикрепляются в разных местах вокруг коленного сустава. Эти сухожилия иногда используются в качестве сухожильных трансплантатов для замены разорванных связок в колене.

    Мышцы

    Разгибательный механизм — это двигатель, который приводит в движение коленный сустав и позволяет нам ходить. Он расположен перед коленным суставом и состоит из надколенника, сухожилия надколенника, сухожилия четырехглавой мышцы и четырехглавых мышц . Четыре четырехглавые мышцы перед бедром — это мышцы, которые прикрепляются к сухожилию четырехглавой мышцы. Когда эти мышцы сокращаются, они выпрямляют коленный сустав, например, когда вы встаете из положения на корточках.

    То, как коленная чашечка входит в пателлофеморальную борозду на передней части бедренной кости и скользит при сгибании колена, может повлиять на общую функцию колена. Надколенник работает как точка опоры, увеличивая силу четырехглавой мышцы бедра при выпрямлении колена. При сокращении четырехглавой мышцы колено выпрямляется.

    мышц подколенного сухожилия — это мышцы задней поверхности колена и бедра. Когда эти мышцы сокращаются, колено сгибается.

    Нервы

    Наиболее важным нервом вокруг колена является подколенный нерв в задней части колена. Этот большой нерв проходит к голени и стопе, обеспечивая чувствительность и контроль мышц. Нерв разделяется чуть выше колена, образуя большеберцовый нерв и малоберцовый нерв . Большеберцовый нерв продолжается вниз по задней части ноги, в то время как малоберцовый нерв проходит по внешней стороне колена и вниз по передней части ноги к стопе.Оба эти нерва могут быть повреждены при травмах вокруг колена.

    Кровеносные сосуды

    Основные кровеносные сосуды вокруг коленного сустава идут вместе с подколенным нервом вниз по задней части ноги. Подколенная артерия и подколенная вена являются крупнейшими источниками кровоснабжения голени и стопы. Если подколенная артерия повреждена без возможности восстановления, очень вероятно, что нога не сможет выжить. Подколенная артерия несет кровь к голени и стопе. Подколенная вена несет кровь обратно к сердцу.

    Реконструкция и оптимизация трехмерной геометрической анатомической модели строения предметно-специфического коленного сустава человека на основе изображений КТ и МРТ

    Abstract

    ПРЕДПОСЫЛКИ:

    В настоящее время метод тотального эндопротезирования коленного сустава (ТЭК) играет важную роль в хирургическом лечении для пациентов с тяжелым остеоартрозом коленного сустава (ОА). Тем не менее, есть еще несколько ключевых вопросов, таких как повышение точности остеотомии и степени соответствия протеза, которые необходимо решить.

    ЗАДАЧА:

    Важно построить точную трехмерную (3D) геометрическую анатомическую модель коленного сустава человека с основными структурами кости и мягких тканей, что в значительной степени способствует получению персонализированной направляющей пластины для остеотомии и подходящего размера. протеза.

    МЕТОДЫ:

    Принимая во внимание различные структуры мягких тканей, магнитно-резонансная томография (МРТ) последовательности сканирования, включающие двумерную (2D) спин-эхо (SE) последовательность T1 взвешенное изображение (T1WI) и 3D SE последовательность T2 взвешенное изображение (T2WI) жир подавление (FS).Предложена методика 3D-моделирования на основе компьютерной томографии (КТ) и двух наборов МРТ-изображений.

    РЕЗУЛЬТАТЫ:

    Согласно предложенным методам сегментации изображения и регистрации 3D-модели, наконец, построена новая 3D-модель коленного сустава с высокой точностью. Кроме того, повторное создание сетки используется для оптимизации установленной модели путем настройки соответствующих параметров.

    ВЫВОДЫ:

    Результаты моделирования демонстрируют, что модель реконструкции и оптимизации трехмерного коленного сустава может четко и точно отражать ключевые характеристики, включая анатомическую структуру и геометрическую морфологию для каждого компонента.

    1. Введение

    Реконструкция трехмерного (3D) объекта или трехмерной сцены [1, 2, 3, 4, 5] является активным основным направлением исследований в области компьютерного зрения и графики. 3D-реконструкция находит широкое применение в обратном проектировании, исследовании неизвестных сред с помощью мобильных роботов, защите культурных реликвий, кино- и телепроизводстве, разработке игр, архитектурном дизайне, клинической медицине и т. д. С быстрым развитием технологий компьютерной обработки изображений и цифровых медицинских изображений технологии реконструкция 3D-моделей на основе медицинских изображений в области лечения имеет большое значение и значение, например, в клинической диагностике [6, 7], виртуальном хирургическом планировании [8, 9, 10], конструировании имплантатов [11, 12, 13] ], анализ методом конечных элементов [14, 15, 16, 17, 18] и так далее.

    Остеоартрит (ОА), также известный как дегенеративный артрит или дегенеративное заболевание суставов [19, 20], является основной причиной боли в суставах и инвалидности [21, 22]. Сообщается, что в мире насчитывается 355 миллионов человек, страдающих ОА разной степени, а общее число больных ОА в Китае превысило 150 миллионов [23]. Клинически доля больных с ОА коленного сустава является самой высокой среди всех ОА. ОА коленного сустава является наиболее распространенной формой артрита [24], и частота его возникновения увеличивается с возрастом и ожирением [25].Лечение ОА коленных суставов рассматривается как неотложная и насущная необходимость у лиц среднего и пожилого возраста, так как серьезно влияет на качество жизни пациентов. В настоящее время одним из наиболее надежных и эффективных хирургических методов лечения пациентов с тяжелым ОА коленного сустава в клинической практике является тотальное эндопротезирование коленного сустава (ТЭК), которое используется для восстановления нормальной функции коленного сустава и облегчения боли в колене [26, 27]. Тем не менее, традиционная ТКА обычно осуществляет предоперационную подготовку и планирование на основе двухмерного (2D) рентгеновского исследования пациентов, а анатомические ориентиры и ось коленного сустава в 3D также определяются только на основе клинического опыта врачей и субъективного сенсорного суждения. во время операции [28, 29].При установке остеотомического инструмента по локатору вероятность ошибки остеотомии выше из-за больших индивидуальных различий, которые могут существенно повлиять на восстановление функции коленного сустава и срок службы протеза после операции. Кроме того, до сих пор существуют текущие условия несоответствия протезов коленного сустава. Таким образом, создание точной трехмерной цифровой геометрической анатомической модели структуры коленного сустава человека, включающей основные структуры костей и мягких тканей, имеет большое клиническое и академическое значение.Во-первых, интуитивно понятная и четкая трехмерная цифровая модель анатомической структуры может использоваться для моделирования виртуальной хирургии, что удобно для врачей, чтобы точно планировать оперативное лечение и симуляционные упражнения перед операцией. Во-вторых, параметры геометрических размеров измеряются реконструированной 3D-моделью коленного сустава, чтобы выбрать подходящий размер протеза. Кроме того, измеренные данные также используются для получения персонализированной направляющей пластины для остеотомии, которая может помочь врачам выполнить точную операцию остеотомии во время операции ТКА.

    На сегодняшний день отечественными и зарубежными учеными проведено много исследований по реконструкции трехмерной цифровой модели геометрической анатомии коленного сустава человека на основе медицинских изображений. Из опубликованной литературы можно узнать, что существует два основных вида методов. Первый метод — реконструкция 3D-модели в соответствии с одномодальным медицинским изображением, таким как компьютерная томография (КТ) [30, 31, 32, 33, 34, 35, 36] или магнитно-резонансная томография (МРТ) [37, 38, 39]. , 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46].Второй метод заключается в реконструкции более полной и точной 3D-модели на основе мультимодальных медицинских изображений, таких как КТ и МРТ [47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57]. Учитывая, что КТ имеет высокое разрешение для костной ткани, трехмерная модель костных структур коленного сустава человека, как правило, реконструируется на основе КТ-изображений. Поскольку разрешение и контрастность мягких тканей на КТ-изображениях низкие, ранняя реконструкция 3D-моделей структур мягких тканей достигается за счет прямой оцифровки и измерений [30] или лазерной системы оцифровки 3D-координат [31].Хотя 3D-модель структур мягких тканей также может быть реконструирована на основе КТ-изображений, выбор порогового значения имеет жизненно важное значение для результатов моделирования [33, 34, 35]. То есть, если порог выбран неправильно, точность реконструированной 3D-модели может сильно пострадать. По сравнению с КТ, МРТ имеет лучшее разрешение для мягких тканей, но хуже для костной ткани. Более того, четкость отображения структур мягких тканей (например, менисков и суставных хрящей) различна на изображениях одной и той же последовательности МРТ.Ввиду их соответствующих недостатков тратится много времени на ручную сегментацию или применяется сложный алгоритм сегментации для сегментации изображений соответствующих тканей. Даже в этом случае сгенерированные модели, вероятно, будут неточными. Таким образом, 3D-реконструкция структур костей и мягких тканей путем объединения КТ-изображений с МРТ-изображениями разных последовательностей позволяет лучше использовать их преимущества. Методы 3D-реконструкции, основанные на мультимодальных медицинских изображениях, также можно разделить на два случая.Первый случай основан на регистрации и объединении изображений КТ и МРТ для построения полной трехмерной модели коленного сустава [49, 51, 52, 53]. Во втором случае реконструированные 3D-модели костей и мягких тканей импортируются в программное обеспечение для обратного проектирования, такое как Geomagic Studio или RapidForm, для обработки и регистрации соответственно [48, 50, 54, 55, 56].

    Основной целью данного исследования является реконструкция точной трехмерной геометрической анатомической модели коленного сустава человека, включая основные структуры костей и мягких тканей, с помощью цифрового трехмерного моделирования (САПР).Построенная трехмерная модель коленного сустава состоит из дистального отдела бедренной кости (DF), проксимального отдела большеберцовой кости (PT), медиального мениска (MM), латерального мениска (LM), бедренного суставного хряща (FAC), медиального большеберцового суставного хряща (MTAC) и латерального большеберцового суставного хряща (MTAC). хряща (LTAC). В этой статье выбор нескольких режимов сканирования зависит от разрешения изображений и четкости различных структур коленного сустава. КТ-изображения имеют высокое разрешение для костной ткани, но плохо для мягких тканей. Изображения МРТ прямо противоположны изображениям КТ.Чтобы обеспечить высокое разрешение и четкость соответствующих мягких тканей, две разные последовательности сканирования МРТ, 2D спин-эхо (SE) последовательность T1 взвешенное изображение (T1WI) и 3D SE последовательность T2 взвешенное изображение (T2WI) подавление жира (FS), выбраны. Используя сканирование тонкого слоя, два набора изображений МРТ получаются с помощью сканирующего устройства МРТ 3,0 Тесла (Т). Трехмерная модель костей, трехмерная модель менисков и скелета и трехмерная модель суставных хрящей реконструируются на основе КТ и двух наборов МРТ-изображений соответственно.Точная 3D-модель анатомической структуры получается за счет комбинации ручной регистрации и автоматической глобальной регистрации для реконструированных 3D-геометрических моделей и дополнительно оптимизируется путем настройки соответствующих параметров.

    С помощью КТ и двух наборов изображений МРТ различных последовательностей в этой работе построена реалистичная и точная трехмерная модель коленного сустава. Структура этой статьи организована следующим образом: Раздел 2 представляет методологию 3D-моделирования, которая используется для реконструкции и оптимизации 3D-модели геометрической анатомической структуры коленного сустава человека для конкретного предмета.Раздел 3 описывает полученные результаты. В разделе 4 представлен сравнительный анализ точности построенной трехмерной модели коленного сустава и обозначена новизна данного исследования. Раздел 5 представляет собой краткое изложение этой статьи и перспективы будущей работы. По сравнению с существующей литературой, основные вклады заключаются в следующем:

    • • Эта работа направлена ​​на изучение 3D CAD-моделирования живого субъекта для получения аутентичной и точной модели коленного сустава человека, включая основные структуры костей и мягких тканей.Предлагается методология 3D-моделирования, основанная на КТ и двух наборах изображений различных последовательностей МРТ, и ее легко реализовать.

    • • По сравнению с [47, 50, 53, 54] изображения МРТ (3D SE T2WI FS), полученные с помощью тонкослойного сканирования, используются для реконструкции суставных хрящей. На основе анализа автоматической пороговой сегментации изображений КТ и МРТ предложены усовершенствованные методы сегментации изображений. Методом комбинирования ручной регистрации с автоматической глобальной регистрацией реконструированные 3D-модели собираются вместе для получения реалистичной и точной 3D-модели коленного сустава.

    • • Унаследовав соответствующие преимущества использования изображений КТ или МРТ для реконструкции 3D-моделей, 3D-модель реконструкции и оптимизации в этой статье обладает четкой анатомической структурой коленного сустава и точной геометрической морфологией для каждого компонента.

    2.Материалы и методы

    Для обеспечения качества и разрешения двух наборов изображений различных последовательностей МРТ используется напряженность магнитного поля 3,0 Тл и тонкослойное сканирование.Используя выбранные сканирующие устройства, медицинские изображения, включая КТ, МРТ (2D SE T1WI) и МРТ (3D SE T2WI FS), собираются путем сканирования коленного сустава человека (например, правого) у живого субъекта. Полученные изображения соответственно импортируются в программное обеспечение для обработки медицинских изображений, например, в интерактивную систему управления медицинскими изображениями (Mimics) компании Materialise версии 16.0 (Materialise, Лёвен, Бельгия). На основе изучения автоматической пороговой сегментации изображений КТ и МРТ путем дальнейшего анализа предлагаются усовершенствованные методы сегментации изображений.Реконструируются соответствующие трехмерные модели костей, трехмерные модели менисков и скелета и трехмерные модели суставных хрящей. Методом комбинирования ручной регистрации с автоматической глобальной регистрацией создается реалистичная и точная трехмерная модель коленного сустава, включающая дистальный отдел бедра, проксимальный отдел большеберцовой кости, мениски и суставные хрящи. Повторное создание сетки используется для дальнейшей оптимизации каждого компонента трехмерной модели коленного сустава путем настройки соответствующих параметров. Наконец, получена трехмерная модель оптимизации геометрической анатомической структуры коленного сустава человека.

    Структура методологии 3D-моделирования на основе КТ и двух наборов изображений различных последовательностей МРТ показана на рис. 1. Основное содержание этого раздела подробно описано в следующих пяти подразделах. В первом подразделе собраны данные КТ и двух наборов изображений МРТ. Во втором подразделе предлагаются усовершенствованные методы сегментации, которые используются для разделения костей и мягких тканей на изображениях КТ или МРТ. Трехмерная модель костей, трехмерная модель менисков и скелета и трехмерная модель суставных хрящей реконструируются соответственно в третьем подразделе.В четвертом подразделе описаны методы регистрации реконструированных трехмерных геометрических моделей. Пятый подраздел направлен на получение 3D-оптимизационной модели коленного сустава человека.

    Рисунок 1.

    Основа методологии 3D-моделирования на основе КТ и двух наборов изображений различных последовательностей МРТ.

    2.1 Сбор данных изображений КТ и МРТ

    Для обеспечения достоверности и точности структуры коленного сустава вводится живой субъект для получения изображений КТ и двух наборов изображений МРТ.Выбирается здоровый взрослый мужчина (возраст: 31 год, рост: 170 см, вес: 68 кг) без травм колена в анамнезе, и его правое колено сканируется в кабинете КТ и МРТ больницы Сиань Хунхуэй. Филиал Сианьского университета Цзяотун. Во время КТ и МРТ испытуемый лежит на кушетке в положении лежа на спине, ноги идут вперед, а левое и правое колено естественным образом выпрямляются, слегка сближаются и остаются неподвижными. Когда выполняется МРТ-сканирование правого колена, его необходимо зафиксировать, заправив в катушку губчатую прокладку, а на голову обследуемого надевается антивибрационная гарнитура.После сканирования изображения КТ и МРТ сохраняются на больничном компьютере в формате цифровых изображений и связи в медицине (DICOM), а затем сохраняются на диске DVD-R.

    Это исследование одобрено Комитетом по этике Сианьской больницы Хунхуэй, и от субъекта получено информированное согласие. Для получения более четких и контрастных изображений КТ или МРТ используется тонкослойное сканирование. Правое колено сканируется в аксиальной (поперечной) плоскости на 64-рядном 128-слойном спиральном КТ-аппарате Ingenuity (Royal Philips, Нидерланды) с толщиной среза 1 мм, шаг среза 0.8 мм, размер матрицы 512 × 512. Диапазон сканирования от PT до DF. Напряжение и ток сканирования составляют 120 кВ и 156 мА соответственно. Всего было получено 220 КТ-изображений.

    Сканирование того же правого колена в сагиттальной плоскости на панорамном открытом сверхпроводящем МРТ-сканере Verio 3,0 Тл (Siemens Aktien Gesellschaft, Германия). Диапазон сканирования от латерального до медиального правого колена. Частота дискретизации радиочастотного (РЧ) сигнала составляет 3 МГц. Для последовательности импульсов 2D SE T1WI приняты следующие параметры сканирования: толщина среза = 1.1 мм, шаг среза = 0 мм, размер матрицы = 384 × 348, время повторения (TR) = 2140 мс и время эха (TE) = 13 мс. Импульсная последовательность 3D SE T2WI FS со следующими параметрами: толщина среза = 0,6 мм, шаг среза = 0 мм, размер матрицы = 512 × 512, TR = 14,1 мс и TE = 5 мс. Всего было получено 80 изображений МРТ (2D SE T1WI) и 128 изображений МРТ (3D SE T2WI FS) соответственно. Основные параметры сканирования полученных КТ и двух наборов изображений с различными последовательностями МРТ перечислены в таблице 1.

    Таблица 1

    Основные параметры сканирования полученных изображений КТ и двух наборов изображений с различными последовательностями МРТ Sequence U (KV) I (MS) TR (MS) TR (MS) TR (MS) TE (MS) TE (MS) толщина ломтика (мм) Сречение среза Pixel Всего CT – 120 156 – – 1 0.8 512 × 512 220 МРТ 2D SE T1WI – – 2140 13 1,1 1,1 384 × 348 80 МРТ 3D SE T2WI FS – – – 14.1 5 0.6 0.6 512 × 512 128 128

    2.2 Сегментация изображения и реконструкция 3D-модели

    220 КТ, 80 МРТ (2D SE T1WI) и 128 МРТ (3D SE T2WI FS) изображений формата DICOM импортируются в Mimics 16.0 соответственно. В программном обеспечении КТ и два набора изображений МРТ преобразуются в соответствующие бинарные изображения на основе метода автоматической пороговой сегментации. По сравнению с мягкими тканями КТ-изображения имеют лучшую четкость и контрастность для костной ткани. Поскольку значения серого для костей и мягких тканей сильно различаются, их можно быстро и эффективно сегментировать с помощью порогового метода. Результат автоматической сегментации показывает, что контурные пиксели костной структуры в маске недостаточно полны (пропущено очень мало пикселей).Для получения полных пикселей контура выбирается пороговый диапазон костной ткани, и выражение имеет следующий вид:

    (1)
    MC⁢T⁢(X,Y)={00⩽GC⁢T⁢(X,Y)⩽T𝑀𝑖𝑛1T𝑀𝑖𝑛⩽GC⁢T⁢(X,Y)⩽T𝑀𝑎𝑥

    , где MC⁢T⁢(X,Y) обозначает бинарную маску, сгенерированную путем сегментации изображений КТ, GC⁢T⁢(X,Y) – значение серого изображения среза КТ в координатах X и Y, T𝑀𝑖𝑛 – минимальный порог, T𝑀𝑎𝑥 — максимальный порог, 1 представляет полученные пиксели на КТ-изображениях.

    Минимальное пороговое значение можно отрегулировать вручную в соответствии с текущей кривой распределения оттенков серого, а адекватное пороговое значение выбирается путем наблюдения за пикселями контура. Маска может быть дополнительно отредактирована вручную для получения точных контурных пикселей костной ткани. На основе знакомства с костной структурой можно нарисовать отсутствующие пиксели контура, а избыточные пиксели можно стереть тремя видами, включая поперечный вид, фронтальный вид и сагиттальный вид. Однако пиксели маски также включают в себя плавающие пиксели и контурные пиксели таблицы исследования.

    Выращивание области используется для сегментации маски, включая полные и точные контурные пиксели тканей, плавающие пиксели и другие пиксели. Он может не только разделять несоединенные между собой ткани на независимые части и извлекать их, но и удалять лишние пиксели. Для костной структуры на КТ-изображениях плавающие пиксели и контурные пиксели диагностического стола удаляются с помощью наращивания области, а контурные пиксели субструктур костной ткани также сегментируются для создания новой маски для интересующей области.Следовательно, за счет ручного выбора соответствующего минимального порога и редактирования маски, а также в сочетании с методом выращивания области получаются точные контурные пиксели требуемой костной структуры коленного сустава человека.

    МРТ (2D SE T1WI) и МРТ (3D SE T2WI FS) имеют высокое разрешение и четкость для менисков и суставных хрящей соответственно. Тем не менее контрастность мягких тканей в анатомическом строении коленного сустава низкая. Поэтому перед сегментацией изображений МРТ сначала выполняется предварительная обработка для улучшения контраста.Результат автоматической сегментации показывает, что пиксели в маске включают не только ткани мениска, но и другие ткани и избыточность. Однако пиксели ткани мениска серьезно отсутствуют. Для улучшения контурных пикселей структуры мениска на изображениях МРТ (2D SE T1WI) выбран пороговый диапазон мягких тканей, и выражение выглядит следующим образом:

    (2)
    M𝑀𝑅𝐼⁢(X,Y)={00⩽G𝑀𝑅𝐼⁢(X,Y)⩽TL⁢ или ⁢G𝑀𝑅𝐼⁢(X,Y)>Th2TL⩽G𝑀𝑅𝐼⁢(X,Y)⩽TH

    , где M𝑀𝑅𝐼⁢(X,Y) обозначает бинарную маску, сгенерированную путем сегментации изображений МРТ (2D SE T1WI), G𝑀𝑅𝐼⁢(X,Y) — значение серого изображения среза МРТ в координатах X и Y, TL — нижний порог , TH — это высокий порог, 1 представляет полученные пиксели на изображениях МРТ (2D SE T1WI).

    Необходимо вручную настроить начальный нижний порог и верхний порог на основе текущей кривой распределения оттенков серого соответственно. Одновременно достигается подходящий пороговый диапазон путем наблюдения за изменением пикселей контура мениска в реальном времени. Для дальнейшего получения полных и точных контурных пикселей менисков и устранения других избыточных пикселей сгенерированные пиксели в маске можно редактировать вручную тремя видами. Пикселей других тканей и избыточности можно удалить как можно больше для каждого слоя, обрезав маску.Затем можно нарисовать недостающие пиксели менисков, а остальные избыточные пиксели стереть. Точно так же рост области используется для сегментации контурных пикселей менисков, и создается новая маска для интересующей области. На основе предварительной обработки, путем ручного выбора надлежащего порогового диапазона и редактирования маски, а также в сочетании с методом роста области, в конечном итоге получаются точные контурные пиксели мениска для структуры коленного сустава. Изображения МРТ (3D SE T2WI FS) сегментируются с использованием аналогичных методов обработки изображений МРТ (2D SE T1WI), также могут быть получены полные и точные контурные пиксели суставных хрящей.

    В соответствии с описанным выше методом сегментации изображений КТ и МРТ получаются точные контурные пиксели DF, PT, менисков и суставных хрящей. Точно так же контурные пиксели DF и PT также получают на основе МРТ (2D SE T1WI). Пена и др. [47] изучали аналогичный метод сегментации. Точность их ручной сегментации составляет 0,3 мм. Однако используется толщина среза 1,5 мм, и разные мягкие ткани сегментируются из одних и тех же изображений последовательности МРТ. Таким образом, в данной работе гарантируется точность сегментации необходимых костных и мягких тканей.Связанные параметры и соответствующие структуры реконструкции изображений КТ и двух наборов изображений различных последовательностей МРТ перечислены в Таблице 2. изображения плоскости сканирования Порог диапазон Контрастные структуры Автоматическая Ручная CT Осевая 1250-3016 1181-3016 0-3016 дистальный бедро, и проксимальный Tibia MRI 2D SE T1WI SAGITTAL 324-1249 0-355 0-683 MEDIAL MENICHUS и боковых мениск 9138 1250–3327 672–3327 0–500 Дистальный отдел бедренной кости и проксимальный отдел IMAL голень МРТ 3D SE T2WI FS Сагиттальный 324-723 129-688 0-331 бедренных суставной хрящ, медиальная большеберцовой суставной хрящ, и суставной хрящ латеральной большеберцовой кости

    После обработки КТ и двух наборов изображений МРТ создается 9 масок.Все маски рассчитываются в 3D оптимального качества, и реконструируется соответствующая 3D геометрическая модель. Поверхность двух наборов 3D-моделей костей все еще довольно шероховатая, и на ней есть небольшие отверстия и острые элементы, которые можно исправить с помощью обработки обертывания. Поскольку поверхность 3D-модели мениска и модели суставного хряща все еще шероховатая, их дополнительно обрабатывают путем сглаживания.

    Регистрация 2.33D модели

    3D модель костей, 3D модель менисков и скелета и 3D модель суставных хрящей реконструируются в разных системах координат, поэтому их необходимо собрать воедино посредством соотношения преобразования пространства.После двух регистраций реконструированных 3D геометрических моделей получается искомая модель коленного сустава. Ниже описан процесс регистрации 3D-модели.

    Реконструированная 3D-модель костей на основе КТ-изображений экспортируется в формате кода американского стандарта кода для обмена информацией (ASCII) файла стандартного языка треугольников (STL) и сохраняется на компьютере. Модель импортируется в реконструированную трехмерную модель мениска и скелета. В качестве эталонной модели берется 3D-модель скелета, а 3D-модель костей перемещается путем перемещения и вращения.Пространственное положение и ориентация DF и PT в 3D-модели костей постоянно изменяются, чтобы использовать их для регистрации с соответствующей 3D-моделью скелета путем изменения положения соответственно. После ручной регистрации 3D-модель скелета может быть скрыта, и получается новая 3D-модель костей и менисков правого коленного сустава человека, включая DF, PT, MM и LM.

    Реконструированные 3D-модель FAC, 3D-модель MTAC и 3D-модель LTAC в кодовом формате ASCII файла STL импортируются в 3D-модель костей и менисков соответственно.В качестве эталонной модели берется 3D-модель костей, а FAC собирается с DF и PT путем автоматической глобальной регистрации. В сочетании с ручной регистрацией получается 3D-модель костей и FAC. Аналогичным образом MTAC и LTAC регистрируются соответственно с медиальным мыщелком большеберцовой кости и латеральным мыщелком большеберцовой кости. После регистрации трехмерной модели суставных хрящей создается новая трехмерная геометрическая анатомическая структурная модель правого коленного сустава человека, включающая основные структуры костей и мягких тканей.

    2.4Оптимизация трехмерной модели коленного сустава

    Трехмерные геометрические модели коленного сустава на самом деле представляют собой поверхностные сетчатые модели, состоящие из множества треугольников. Существуют некоторые проблемы с треугольниками 3D-моделей сетки, такие как большое количество, разные размеры, плохое качество сетки и т. д. Чтобы улучшить качество и скорость расчета биомеханического моделирования в будущем, созданная модель оптимизируется путем настройки соответствующих параметров. . Целью оптимизации 3D-модели является уменьшение количества треугольников, улучшение качества сетки и однородность размеров.На примере 3D-модели ММ ниже описан основной процесс оптимизации.

    Во-первых, качество сетки и количество треугольников проверяются путем установки параметров качества и гистограммы. Во-вторых, для удаления острых краев модель обрабатывается сглаживанием (если выбранная 3D-модель является моделью сглаживания, сглаживание можно не выполнять). В-третьих, геометрическая ошибка устанавливается равной 0,1, что используется для уменьшения количества треугольников в сетке. В-четвертых, для улучшения качества сетки треугольников порог качества формы, максимальная геометрическая ошибка, максимальная длина ребра треугольника и количество итераций устанавливаются равными 0.4, 0,5, 5 и 4 соответственно. В-пятых, при условии обеспечения качества треугольников количество треугольников уменьшается до тех пор, пока оно не перестанет изменяться. Наконец, создается объемная сетка модели. Остальные 3D-модели оптимизируются с использованием аналогичных процедур соответственно. Можно построить трехмерную модель оптимизации геометрической анатомической структуры.

    3.Результаты.2. Трехмерная модель костей после оклейки показана на рис. 3.

    Рис. 2.

    Реконструированная трехмерная модель костей на основе КТ-изображений.

    Рисунок 3.

    Трехмерная модель костей после наложения.

    Рис. 4.

    Реконструированная 3D-модель мениска на основе изображений МРТ (2D SE T1WI).

    3.23D модель мениска и скелета

    Во-первых, 3D модель мениска, включая MM и LM, реконструируется на основе полученных 80 изображений МРТ (2D SE T1WI).На рис. 4 показана реконструированная трехмерная модель мениска. 5.

    Рис. 5.

    3D-модель мениска после сглаживания.

    Рисунок 6.

    Реконструированная 3D-модель скелета на основе изображений МРТ (2D SE T1WI).

    Рисунок 7.

    3D-модель скелета после упаковки.

    Во-вторых, трехмерная модель скелета, включая DF и PT, также реконструируется на основе полученных 80 изображений МРТ (2D SE T1WI).На рис. 6 показана реконструированная трехмерная модель скелета. Трехмерная модель скелета после обертывания показана на рис. 7.

    Получена трехмерная геометрическая анатомическая структурная модель правого коленного сустава человека, включая DF, PT, MM и LM. Реконструированная 3D-модель менисков и скелета на основе изображений МРТ (2D SE T1WI) показана на рис. 8.

    Рис. 8.

    Окончательная реконструированная 3D-модель менисков и скелета на основе изображений МРТ (2D SE T1WI).

    Рис. 9.

    Реконструированная 3D-модель MTAC на основе изображений МРТ (3D SE T2WI FS).

    Рисунок 10.

    Реконструированная 3D-модель LTAC на основе изображений МРТ (3D SE T2WI FS).

    Рис. 11.

    Реконструированная 3D-модель ПЭК на основе изображений МРТ (3D SE T2WI FS).

    Рисунок 12.

    3D-модель MTAC после сглаживания.

    Рисунок 13.

    3D-модель LTAC после сглаживания.

    Рисунок 14.

    3D-модель ПКИ после сглаживания.

    3.33D-модель суставных хрящей

    Реконструированная 3D-модель MTAC, 3D-модель LTAC и 3D-модель FAC показаны на рисунках 9–11 соответственно.Соответствующие модели сглаживания показаны на рисунках 12–14.

    3.43D модель коленного сустава

    После ручной регистрации 3D модели костей создается новая 3D модель костей и менисков. На рис. 15 показана новая трехмерная модель костей и менисков. После автоматической глобальной регистрации и ручной регистрации реконструированная 3D-модель суставных хрящей строится новая 3D-модель геометрической анатомической структуры. На рисунке 16 показана новая трехмерная геометрическая анатомическая модель правого коленного сустава человека.

    Рисунок 15.

    Новая трехмерная модель костей и менисков.

    Рисунок 16.

    Новая трехмерная геометрическая анатомическая модель правого коленного сустава человека.

    Взяв, к примеру, реконструированную 3D-модель мениска, размеры мениска измеряются с помощью программного обеспечения Mimics 16.0. Это окружность латерального мениска (LMC), ширина латерального мениска (LMW), ширина тела латерального мениска (LMBW), длина латерального мениска (LML), окружность медиального мениска (MMC), ширина медиального мениска (MMW), ширина тела медиального мениска ( MMBW) и длину медиального мениска (MML) соответственно.Основные размерные параметры менисков представлены на рис. 17. Измеренные значения размерных параметров медиального и латерального мениска приведены в таблице 3.

    Таблица 3

    Измеренные значения размерных параметров медиального и латерального менисков

    Параметры измерений Значение (мм)
    LMC 91.15 91.15
    LMW 34.24
    LMBW 11.78
    LML 34.99
    MMC 101.04
    MMW 29.83
    MMBW 9,65
    ММЛ 40.53
    Рисунок 17.

    Основные размерные параметры менисков.

    Рисунок 18.

    Трехмерная сетчатая модель ММ до оптимизации.

    По сравнению с исследованием McDermott et al.[58], согласно значениям измеренных параметров в таблице 3, результаты демонстрируют, что реконструированная 3D-модель мениска на основе изображений МРТ (2D SE T1WI) является достоверной и точной.

    3.53D модель оптимизации коленного сустава

    MM взята в качестве примера для иллюстрации в этой статье, модель сетки до и после оптимизации каждого компонента в построенной 3D модели коленного сустава не приводится по отдельности. 3D-сетчатые модели ММ до и после оптимизации показаны на рис. 18 и 19.

    Количество треугольников каждого компонента в процессе оптимизации трехмерной модели коленного сустава указано в таблице 4. После оптимизации создается новая трехмерная модель оптимизации геометрической анатомической структуры правого коленного сустава человека. На рисунке 20 показана трехмерная модель оптимизации мениска. На рисунке 21 показана новая трехмерная модель оптимизации геометрической анатомической структуры правого коленного сустава человека.

    Таблица 4

    Количество треугольников каждого компонента во время процесса оптимизации 3D-коленного сустава 3D

    9D 3D модель
    начальные треугольники треугольники после сокращения треугольников после выхода Final Trangles
    DF 59406 8046 5452 4412
    PT 47684 7596 4764 3730
    ММ 7090 3806 2084 1066
    LM 7870 3796 2134 1042
    MTAC 11926 3226 1778 868
    LTAC 13836 3536 1940 908
    ФАС 65146 6826 901 38 6158 3914
    Рис 19.

    3D-сетчатая модель ММ после оптимизации.

    Рисунок 20.

    Трехмерная модель оптимизации менисков.

    Рисунок 21.

    Новая 3D-геометрическая анатомическая оптимизационная модель правого коленного сустава человека.

    4.Обсуждение

    Коленный сустав человека в основном состоит из костных и мягких тканей, и его пространственная структура очень сложна. С одной стороны, достаточно сложно реконструировать реалистичную и точную трехмерную модель геометрической анатомической структуры конкретного коленного сустава только с использованием одномодальных медицинских изображений, таких как КТ или МРТ.С другой стороны, для различных структур мягких тканей четкость изображения, генерируемого одной и той же последовательностью сканирования МРТ, не одинакова. Поэтому в этой статье представлена ​​методология 3D-моделирования, которая используется для реконструкции и оптимизации 3D-модели коленного сустава живого субъекта на основе КТ и двух наборов изображений различных последовательностей МРТ.

    В настоящее время толщина среза коленного сустава, обычно используемая при КТ или МРТ для клинической диагностики, составляет в основном от 3 до 5 мм. Для получения более четкого и контрастного КТ-изображения используется тонкослойное сканирование толщиной 1 мм.Цель состоит в том, чтобы улучшить пространственное разрешение изображений и уменьшить влияние эффекта частичного объема. Принимая во внимание, что четкость различных мягких тканей различна для изображений одной и той же последовательности МРТ, и четкость одних и тех же мягких тканей также различна для изображений разных последовательностей МРТ. Изображения МРТ (2D SE T1WI) и МРТ (3D SE T2WI FS) получают с помощью сканирующего устройства МРТ соответственно. Для улучшения качества изображения и соотношения сигнал-шум (SNR) используется напряженность магнитного поля 3,0 Тл и тонкослойное сканирование.Получение данных сканирования тонкого слоя является основой для успешного создания моделей мягких тканей, поэтому очень важно, как установить толщину среза. Слишком толстый сканирующий слой может создавать эффект частичного объема, что приводит к размытию изображения. Слишком тонкий сканирующий слой может снизить отношение сигнал-шум и качество изображения с высоким разрешением. Путем повторного сравнения толщина среза двух наборов последовательностей сканирования МРТ определена как 1,1 мм и 0,6 мм соответственно.

    Изображения МРТ (2D SE T1WI) лучше подходят для ткани мениска.Мениски располагаются между суставной поверхностью DF и суставной поверхностью PT. Они отображаются как слабый сигнал (черный) в корональной, поперечной и сагиттальной проекциях при нормальных обстоятельствах, большинство из которых хорошо видны. В сагиттальной проекции внимательно осматривают каждый слой от латерального до медиального правого коленного сустава. Этот процесс можно условно разделить на три этапа: первый этап показан как состояние ЛМ (от появления черного участка средней части тела до постепенного появления двух маленьких черных треугольников переднего и заднего рога, пока они все не исчезнут).Вторая стадия показана как отсутствие мениска (между MM и LM). Третья стадия показана как состояние ММ (от конечной стадии отсутствия мениска до постепенного появления двух маленьких черных треугольников переднего и заднего рога, а затем до появления черного участка средней части тела, пока они все не исчезнут).

    Реконструировать 3D-модель скелета на основе изображений МРТ (2D SE T1WI) можно по двум причинам: во-первых, для сравнения с реконструированной 3D-моделью костей на основе КТ-изображений, а во-вторых, в качестве эталонной модели для ручной регистрации.Сравнивая трехмерную геометрическую модель рис. 2 и 6, а также рис. 3 и 7, можно увидеть, что их геометрические контуры немного отличаются друг от друга. Показано, что реконструированная трехмерная модель костей коленного сустава человека по изображениям КТ является более точной, чем МРТ (2D SE T1WI). Хотя 3D-модель скелета на рис. 7 недостаточно точна, ее можно взять за эталонную в процессе регистрации 3D-модели. Как показано на рис. 15, 3D-модель костей и менисков с высокой точностью строится в глобальной системе координат.Результат показывает, что трехмерная модель скелета полностью заменена трехмерной моделью костей.

    В литературе была реконструирована точная трехмерная оптимизационная модель скелета левого коленного сустава человека, включая DF и PT на основе КТ-изображений [59]. В дальнейшем на этой основе 3D-модель мениска коленного сустава также дополнительно реконструируется программой Mimics 16.0. Реконструированная 3D-модель мениска на основе КТ-изображений показана на рис. 22. После обработки сглаживанием получается 3D-модель сглаживания мениска.На рис. 23 показана трехмерная модель мениска после сглаживания. Сравнивая 3D-модель мениска на рис. 4 и 22, рис. 5 и 23, совершенно очевидно, что реконструированная 3D-модель мениска на основе изображений МРТ (2D SE T1WI) является более точной, чем модель, основанная на КТ.

    Рисунок 22.

    Реконструированная 3D-модель мениска на основе изображений КТ.

    Рисунок 23.

    Трехмерная модель мениска после сглаживания.

    Для получения более четких изображений FAC, MTAC и LTAC один и тот же правый коленный сустав сканируется в разных последовательностях с использованием одного и того же аппарата МРТ.Последовательности включают в себя 3D двойное эхо-устойчивое состояние (DESS), 3D SE взвешенное изображение протонной плотности (PDWI) FS, 3D быструю съемку под малым углом (FLASH) FS, 3D SE T2WI FS и короткое восстановление инверсии T1 (STIR) FS. Установлено, что данные изображения МРТ 3D SE последовательности T2WI FS имеют лучший эффект при сравнении их друг с другом. В сагиттальной проекции можно наблюдать, что сигнал бедренного суставного хряща и большеберцового суставного хряща находится между средним сигналом (серый) и высоким сигналом (белый), и четко показаны большинство их геометрических контуров каждого слоя.Жидкость в коленном суставе показывает высокий уровень сигнала. Поскольку суставной хрящ бедренной кости и суставной хрящ голени находятся в тесном контакте друг с другом, сегментировать их не так просто. Однако на основе знания структуры суставного хряща можно получить точные контуры и отделить их друг от друга с помощью усовершенствованного метода сегментации изображений МРТ. Наконец, относительно точная трехмерная модель суставных хрящей реконструируется на основе изображений МРТ (3D SE T2WI FS).

    При рассмотрении реконструкции 3D-модели суставного хряща в структуре коленного сустава человека 3D-модель FAC, 3D-модель MTAC и 3D-модель LTAC соответственно реконструируются в соответствии с реальной ситуацией.Три модели импортируются в точную трехмерную модель костей и менисков. Сначала выполняется автоматическая глобальная регистрация, а затем выполняется ручная регистрация для внесения дополнительных незначительных корректировок. Реалистичная и точная трехмерная модель коленного сустава строится с использованием метода комбинирования автоматической глобальной регистрации и ручной регистрации.

    Из таблицы 4 видно, что количество треугольников каждого компонента в 3D-модели коленного сустава до и после оптимизации.Треугольники продолжают уменьшаться, пока не перестанут меняться. По сравнению с рисунками 18 и 19 видно, что качество модели сетки мениска улучшается после оптимизации. Модель оптимизации трехмерного коленного сустава человека на рис. 21 может четко и точно отражать ключевые характеристики, включая трехмерную анатомическую структуру коленного сустава и трехмерную геометрическую морфологию каждого компонента. Поскольку строение связок коленного сустава человека в данном исследовании не рассматривается, его трехмерная модель реконструкции пока не рассматривается.

    5. Заключение

    В этой статье построена новая трехмерная модель геометрической анатомии коленного сустава человека для конкретного объекта на основе КТ и двух наборов изображений различных последовательностей МРТ. Прежде всего, получение изображений КТ, МРТ (2D SE T1WI) и МРТ (3D SE T2WI FS) осуществляется с помощью выбранного правого коленного сустава человека от живого субъекта. Во-вторых, согласно соответствующим данным изображения, 3D-модели костей, 3D-модели мениска и скелета, 3D-модели суставных хрящей соответственно реконструируются с использованием автоматической и ручной пороговой сегментации, маски ручного редактирования, а также в сочетании с методом выращивания области.