С конца 1960-х и до начала 1990-х гг., когда велась основная работа по созданию оригинальных конструкций эндопротезов коленного сустава, считалось, что кинематически коленный сустав представляет собой четырехзвенный шарнирный механизм.
Предполагалось, что этот механизм вызывал перекатывание обоих мыщелков бедренной кости по поверхности большеберцовой кости (назад — при сгибании ноги в коленном суставе и вперед — при разгибании). Поскольку это считалось нормальной особенностью сгибания и разгибания, большеберцовые компоненты имели некоторую свободу в ПЗ-направлении, что позволяло осуществлять перекатывание назад и вперед.
В основе концепции четырехзвенного шарнирного механизма лежит работа Зуппингера (Zuppinger). Эта концепция часто появлялась в широко используемых учебниках и, вероятно, именно поэтому она глубоко укоренилась в умах ортопедов.
В 1941 г. Брантиган (Brantigan) и Вошелл (Voshell) высказали мнение, что медиальный мыщелок бедренной кости выполняет функцию оси вращения коленного сустава. Они основали свой вывод на наблюдении, согласно которому при сгибании голени медиальный мениск практически не смещается в ПЗ-направлении, а латеральный мениск движется назад. Начиная с конца 1990-х гг. многие исследователи пытались подтвердить правоту Брантигана и Вошелла с помощью МРТ и других методик.
В результате было показано, что в диапазоне от 0 до 120° медиальный мыщелок практически не смещается в ПЗ-направлении, тогда как величина смещения латерального мыщелка бедренной кости составляет приблизительно 20 мм. В диапазоне от 120° до полного сгибания наблюдаются другие особенности кинематики.
Формы сочленяющихся поверхностей. Формы поверхностей и характер их сочленения в сагиттальной и фронтальной плоскостях были описаны с помощью МРТ и подтверждены методами диссекции и криосекции, 3D-оцифровки и КТ. Приведенное ниже описание форм сочленяющихся костей основано на этих данных.
Формы поверхностей в сагиттальной плоскости имеют отношение к сгибанию и разгибанию: когда округлые поверхности бедренной кости контактируют с большеберцовой костью, можно считать, что вокруг их центров происходит чистое сгибание.
а) Медиальный тибиофеморальный отдел. В сагиттальной плоскости суставную поверхность медиального мыщелка бедренной кости можно рассматривать как форму, округлую сзади (сгибательная фасетка, ее центр) (рис. 1), при этом средний радиус составляет приблизительно 22 мм, а хорда окружности стягивает дугу в 110°.
Рисунок 1. Сагиттальные срезы, проведенные через центры медиального (а) и латерального (b) отделов
Наиболее задняя часть мыщелка (угол дуги приблизительно 24°) имеет меньший радиус, однако она контактирует только с задним рогом мениска (в крайнем положении сгибания) и никогда — с большеберцовой костью; таким образом, этот участок не входит в состав собственно бедренно-большеберцового сочленения (фасетка заднего рога). Спереди находится вторая поверхность, разгибательная фасетка (ее центр), которую можно описать как дугу с углом 50° для второй окружности большего радиуса (32 мм).
Медиальная поверхность большеберцовой кости (на срезе, проходящем через центр) выглядит плоской в заднем отделе и сохраняет горизонтальность на протяжении приблизительно 25 мм (сгибательная фасетка). Задние 15 мм этой поверхности всегда контактируют с задним рогом мениска (фасетка заднего рога). Спереди поверхность наклоняется вверх и вперед под углом 1 Г (разгибательная фасетка), контактирует с передней поверхностью бедренной кости при разгибании.
б) Латеральный тибиофеморальный отдел. Латеральный мыщелок бедренной кости также имеет округлую форму сзади (сгибательная фасетка) (рис. 1), его радиус составляет 21 мм, а хорда окружности стягивает дугу в 114°. Спереди находится разгибательная фасетка. Она значительно короче по сравнению с разгибательной фасеткой медиального мыщелка и поэтому ее трудно различить. Наиболее задняя часть мыщелка (фасетка заднего рога) контактирует только с задним рогом мениска и никогда — с большеберцовой костью.
Самая передняя часть суставной поверхности относительно плоская, при полном разгибании голени она контактирует с передним рогом мениска и передним краем суставной поверхности большеберцовой кости (фасетка переднего рога). Центральная часть латеральной поверхности большеберцовой кости относительно плоская и имеет длину 24 мм (суставная фасетка большеберцовой кости). В переднем и заднем отделах суставная поверхность изгибается книзу и контактирует с рогами мениска при разгибании и сгибании (фасетка переднего рога, фасетка заднего рога), воспринимаясь при этом как выпуклая.
в) Коллатеральные связки. Коллатеральные связки различаются по своему прикреплению к бедренной кости. Место прикрепления медиальной коллатеральной связки к медиальному надмыщелку совпадает с проекцией центра разгибательной фасетки. Медиально вначале возникает контакт между разгибательными фасетками бедренной и большеберцовой костей, бедренная кость вращается вокруг центра разгибательной фасетки и, следовательно, вокруг места прикрепления медиальной коллатеральной связки (рис. 2).
Рисунок 2. Анатомический препарат коленного сустава: вид с медиальной стороны в положении разгибания (а) и сгибания под углом 30° (b). Показано место прикрепления медиальной коллатеральной связки. EFC — центр разгибательной фасетке; FFC — центр сгибательной фасетки
При сгибании под углом приблизительно 30° контакт смещается на разгибательные фасетки, а бедренная кость начинает вращаться вокруг центра сгибательной фасетки (рис. 2). С этого момента место прикрепления медиальной коллатеральной связки начинает вращаться вокруг центра сгибательной фасетки. Латеральная коллатеральная связка (ЛКС) прикрепляется к латеральному надмыщелку бедренной кости. Место прикрепления Л КС совпадает с центром сгибательной фасетки бедра, то есть с точкой входа чрезмыщелковой оси. При полном разгибании в коленном суставе ЛКС натянута.
При сгибании голени латеральный мыщелок бедренной кости смещается кзади. Когда угол сгибания в коленном суставе достигает приблизительно 90°, ЛКС занимает более вертикальное положение и становится менее натянутой. При сгибании до 120° мыщелок бедренной кости перекатывается по задней округлой поверхности большеберцовой кости и опускается, еще больше расслабляя ЛКС. Таким образом, различия между коллатеральными связками заключаются в том, что медиальная коллатеральная связка (по крайней мере, ее передний поверхностный пучок) при сгибании остается натянутой, а ЛКС ослабевает.
г) Относительное движение мыщелков. В этом обзоре движение в коленном суставе рассматривается в контексте всей нижней конечности. Движение в коленном суставе (с точки зрения вращений, перемещений и осей) можно рассматривать как положения сочленяющихся поверхностей или как движения мыщелков. В этом разделе рассматриваются движения мыщелков. Движение в коленном суставе можно разделить на три функциональные дуги: конечная фаза разгибания, дуга активного сгибания и дуга пассивного сгибания.
д) Конечная фаза разгибания. Ее началом является предел пассивного разгибания, который составляет приблизительно от 5° сгибания до 5° переразгибания. Эта дуга имеет особенности: контактирующие поверхности отличаются от таковых в дуге активного сгибания; считается, что между вращением вокруг продольной оси и сгибанием существует почти обязательная связь. Во всех случаях отмечается тенденция к внутренней ротации бедренной кости. По данным МРТ, ротация, когда она происходит, связана с тем, что латеральный мыщелок бедренной кости продолжает двигаться вперед, в отличие от медиального мыщелка.
Для того чтобы обеспечить полное разгибание, медиальный мыщелок бедренной кости накатывается на наклоненный вверх мыщелок большеберцовой кости (рис. 3), а латеральный мыщелок перекатывается вперед по плоской поверхности большеберцовой кости (рис. 3). По завершении вращения оба мыщелка фиксируются в ПЗ-направлении, что, очевидно, способствует стабилизации коленного сустава.
Рисунок 3. Сагиттальные срезы магнитно-резонансной томографии, проходящие через медиальный (а) и латеральный отделы (b) в положении переразгибания (пояснения см. в тексте). Сагиттальные срезы магнитно-резонансной томографии, проходящие через медиальный (c) и латеральный (d) отделы при сгибании до 140°
е) Дуга активного сгибания. В дуге активного сгибания медиальный мыщелок бедренной кости может рассматриваться как сфера, при вращении которой возникают (в разных сочетаниях) сгибание, вращение вокруг продольной оси и незначительное варусное отклонение (если образуется зазор с латеральной стороны). Медиальный мыщелок практически не смещается и, следовательно, напоминает несколько ограниченный шаровидный сустав. Латеральный мыщелок перекатывается, а также скользит в ПЗ-направлении.
Благодаря этому происходит продольное вращение вокруг оси, проходящей через центр медиальной сферы (центр сгибательной фасетки), и сгибание вокруг оси, пронизывающей два центра сгибательных фасеток (поскольку поверхности бедренной кости имеют округлую форму и контактируют с большеберцовой костью). Медиальный мыщелок бедренной кости смещается в ПЗ-направлении не более чем на 7,1 мм (вне зависимости от осевой нагрузки).
Латеральный мыщелок бедренной кости также вращается вокруг центра сгибательной фасетки, но, в отличие от медиального мыщелка, смещается кзади приблизительно на 15 мм за счет перекатывания и скольжения.
Как следствие, в диапазоне движений между 10 и 120° наблюдается тенденция к наружной ротации бедренной кости (и внутренней ротации большеберцовой кости) приблизительно на 30° вокруг медиальной оси (рис. 4). Во время приседания общий характер движения такой же, однако обратное движение латерального мыщелка бедренной кости может произойти раньше. Когда угол сгибания составляет 90°, большеберцовая кость может ротироваться на 20—30° вокруг продольной оси без сопутствующего сгибания.
Рисунок 4. Схема положения оси вращения при сгибании от —5 до 140°, наложенная на плато большеберцовой кости
ж) Дуга пассивного сгибания. Она начинается в переходной зоне (от 110 до 120°) и ограничена амплитудой пассивных движений исследуемого коленного сустава. Дуга полностью пассивна, мышцы бедра могут сгибать ногу в коленном суставе приблизительно до 120°, преодолевая силу тяжести. В диапазоне сгибания от 120 до 160° центр сгибательной фасетки медиального мыщелка бедренной кости смещается кзади приблизительно на 5 мм и поднимается вверх, к заднему рогу медиального мениска.
При сгибании до 160° задний рог мениска сдавливается в синовиальном углублении между кортикальным слоем бедренной кости и большеберцовой костью (см. рис. 3). Это ограничивает сгибание. Латеральный мыщелок бедренной кости также перекатывается назад, при этом задний рог латерального мениска движется вместе с мыщелком. Оба движутся вниз по изогнутому заднему краю плато большеберцовой кости (см. рис. 3).
Ни явления, наблюдаемые в диапазоне от 120 до 160°, ни анатомия при сгибании до 160° не могут быть следствием кинематики до 120°. Таким образом, гиперфлексия представляет собой отдельную дугу сгибания.
Анатомические и функциональные особенности этой дуги свидетельствуют о том, что было бы трудно сконструировать тотальный эндопротез коленного сустава, который обеспечил бы физиологическое движение в диапазоне от 0 до 160°.
Положения мгновенных осей вращения в диапазоне от полного разгибания до сгибания под углом 160°. Мыщелки бедренной кости имеют две дуги окружности (разгибательную и сгибательную фасетки), которые формируют суставные поверхности. Через центры этих фасеток (центр разгибательной фасетки и центр сгибательной фасетки) проходят мгновенные оси сгибания. ПЗ-направление осей измеряют как их вертикальное положение относительно заднего кортикального слоя большеберцовой кости.
С медиальной стороны движение в диапазоне от полного разгибания до 120° осуществляется за счет скольжения на 96%, что позволяет с достаточным приближением поместить оси вертикально в геометрический центр контактирующей фасетки бедренной кости (то есть, центр разгибательной или центр сгибательной фасетки).
Латерально, в диапазоне от полного разгибания до 120°, движение осуществляется за счет перекатывания приблизительно на 40%; это позволяет предположить, что ось лежит приблизительно на половине расстояния между центром и точкой контакта. В ПЗ-направлении точка входа оси будет находиться по вертикали ниже геометрического центра, то есть на линии, перпендикулярной контактной поверхности большеберцовой кости.
В дуге пассивного сгибания (от 120 до 160°) оба мыщелка перекатываются назад, поэтому точки входа сгибательной оси находятся на задних краях суставных поверхностей медиального и латерального мыщелков бедренной кости.
з) Продольная ротация. Продольная ротация может сопутствовать сгибанию и происходить независимо от сгибания. Мы рассматриваем ротацию по отношению к большеберцовой кости или мыщелкам бедренной кости, а не по отношению к осям сгибания. Ось продольной ротации параллельна длинной оси большеберцовой кости. За ноль может быть принято ротационное положение мыщелков бедренной кости при сгибании 0°.
Кроме того, за ноль может быть принято ротационное положение мыщелков бедренной кости по отношению к фронтальной плоскости (альтернативный вариант). При разгибании до 120° медиальный мыщелок бедренной кости не двигается в ПЗ-направлении, а латеральный мыщелок смещается кзади на 18 мм.
На рис. 4 представлена схема соединений центров медиальной и латеральной сгибательных фасеток в диапазоне сгибания от —5 до 140°. Если считать, что большеберцовая кость неподвижна, угол наружной ротации бедра составляет 20°. Во время дуги конечной фазы разгибания происходит наружная ротация бедренной кости под углом приблизительно 7°. Считается, что существует практически обязательная связь между продольной ротацией и сгибанием. В дуге активного сгибания большеберцовая кость (бедренная кость) может ротироваться на 20—30° вокруг продольной оси без сопутствующего сгибания.
Таким образом, внутренняя ротация большеберцовой кости, которая обычно сопровождает сгибание, не является обязательной.
В дуге пассивного сгибания (от 120 до 160°) наблюдается небольшая внутренняя ротация бедренной кости, поскольку медиальный мыщелок бедренной кости смещается кзади приблизительно на 3 мм больше, чем латеральный.
и) Варусная и вальгусная ротация. При полном разгибании обе коллатеральные связки натянуты, и поэтому варусная и вальгусная ротация практически невозможна. При сгибании ноги в коленном суставе натяжение ЛКС ослабевает, при этом становится возможной не только продольная ротация вокруг медиальной оси, но и варусная ротация. На рис. 5 представлено изображение фронтального среза коленного сустава при сгибании под углом 90° в условиях варусной нагрузки, приложенной к большеберцовой кости.
Рисунок 5. Магнитно-резонансное томографическое изображение коленного сустава добровольца при сгибании под углом 90° в условиях варусной нагрузки. Поскольку латеральная коллатеральная связка не натянута, бедренная кость может отдаляться от большеберцовой кости с латеральной стороны
Латеральная суставная щель раскрывается в среднем на 6,7°.
Медиальная суставная щель в условиях вальгусной нагрузки раскрывается в среднем на 2,1 мм. Таким образом, наблюдается явная асимметрия между медиальным и латеральным сгибательными промежутками. Эта асимметрия может объясняться ненатянутостью ЛКС и формой сочленяющихся костей. Во фронтальной плоскости задняя часть медиального мыщелка бедренной кости также сферична; таким образом, варусная ротация происходит вокруг оси, проходящей через центр этой сферы.
У добровольцев выполнена оценка вальгусно-варусного движения при полном сгибании ноги в коленном суставе в условиях вальгусной и варусной нагрузки, приложенной к большеберцовой кости. При вальгусной нагрузке движения не определялись, однако при варусной нагрузке отмечалось расширение латеральной суставной щели до 10 мм.
Полученные результаты были ожидаемы, учитывая особенности натяжения коллатеральных связок.
Наконец, в дуге активного сгибания можно выделить три взаимно перпендикулярных оси движения (рис. 6). Они пересекаются около центра заднего отдела медиального мыщелка бедренной кости (то есть около центра сгибательной фасетки).
Рисунок 6. Модель коленного сустава, иллюстрирующая ориентацию трех осей движения в дуге активного сгибания: 1 — ось разгибания; 2 — ось продольной ротации; 3 — ось угловой (варусной и вальгусной) ротации. Оси пересекаются приблизительно в центре заднего отдела медиального мыщелка бедренной кости
