Sdružené pohyby kloubů dolní končetiny a reverze posunu kondylů femuru při zatížení

Nové studie o funkci kolenního kloubu při zatížení ukázaly rozdíly v kinematice oproti klasickým popisům pohybu v otevřeném řetězci. Rozdíl je zřejmě dán působením brzdných a elastických sil. Při flexi kolene po dopadu paty dochází k posunu kondylů femuru vpřed po tibiálním plató. Více se přitom posunuje mediální kondyl, takže zůstává spojení flexe v koleni s vnitřní rotací bérce, resp. zevní rotací femuru.

Klíčová slova:
sdružené pohyby, kinematika kolene, uzavřené kinematické řetězce

ÚVOD

Koleno je největší kloub lidského těla a bývá někdy také označováno jako nejsložitější, i když z funkčního hlediska tento přívlastek náleží spíše dolnímu zánártnímu kloubu. V každém případě je koleno nejčastějším místem výskytu osteoartrózy. To je dáno především jeho trvalým zatížením při každodenních aktivitách, jako jsou chůze či běh, i přetížením při obezitě a sportu a některých pracovních činnostech. Dalšími důležitými faktory jsou traumata a opakovaná mikrotraumata při chronickém přetížení. Významně přispívá také specifická stavba a funkce kolenního kloubu i sdružené pohyby s ostatními klouby dolní končetiny, především klouby nohy, a to při zatížení, tedy v uzavřeném kinematickém řetězci (CKC). Právě příklady sdružených pohybů a nové poznatky o funkci kolenního kloubu jsou obsahem následujícího textu.

SDRUŽENÉ POHYBY V KLOUBECH DOLNÍ KONČETINY

Ke sdružení pohybů dochází jak v rámci jednoho kloubu (viz níže popsané sdružení flexe a vnitřní rotace v kolenním kloubu), tak i mezi více klouby. Sdružené pohyby v kloubech dolní končetiny jsou typické nejen pro chůzi, ale dochází k nim i ve stoji, např. při rotacích trupu. Není nijak překvapující, že v uzavřeném kinematickém řetězci je pohyb v jednom kloubu spojen s pohyby v kloubech ostatních. Klasické modely jsou ale velmi zjednodušené a obvykle popisují sdružené pohyby pouze v jedné rovině, obvykle sagitální. Např. flexe v kolenním kloubu je ve stoji sdružena s dorzální flexí v kloubu hlezenním i kloubu kyčelním, protože je nutné udržet průmět těžiště do oporné báze. Pohyby ale obvykle probíhají současně ve všech třech hlavních rovinách.

Klasickým biomechanickým příkladem je sdružení pohybů v kloubech dolní končetiny na začátku fáze opory. Po dopadu paty dochází ke sdružení pronace kalkaneu v rovině frontální s addukcí talu a vnitřní rotací bérce v rovině transverzální a flexí v kolenním kloubu v rovině sagitální (obr. 1) (11). K tomu navíc přistupuje dorzální flexe nohy v kloubu hlezenním v rovině sagitální a abdukce bérce v rovině frontální, resp. valgotizace kolenního kloubu a další změny. V případě supinace kalkaneu dochází k odpovídajícím, resp. opačným, změnám postavení výše uvedených segmentů. Příkladem je období střední opory (obr. 2).

Typickým klinickým obrazem sdružených pohybů dolní končetiny je tzv. hyperpronační syndrom. Prvotní příčinou může být konkrétní funkční typ nohy, který během fáze opory krokového cyklu vyžaduje zvýšenou pronaci zánoží k zajištění plného kontaktu zánoží, a především předonoží, s povrchem. Hyperpronace v subtalárním kloubu je spojena s výraznější vnitřní rotací bérce, semiflexí kolene, vnitřní rotací femuru, anteverzí pánve a hyperlordózou bederní páteře (8), která zásadně ovlivňuje celkovou posturu. Důsledkem je řetězení funkčních, později i strukturálních, poruch v příslušných kloubech, okolních měkkých tkáních a příslušných svalech (10). Vedle výše popsaného disto-proximálního řetězení poruchy funkce dolní končetiny existuje i řetězení opačné, tedy proximo-distální. Příkladem může být strukturální či funkční porucha postavení pánve či funkce kyčelního kloubu, která vyvolá odpovídající změny v distálních etážích dolní končetiny, současně se změnami držení trupu, resp. celkové postury.

Výše popsané sdružení pohybů není vždy jednoznačné a pokaždé stejnou měrou vyjádřené. Je to dáno především faktem, že kloubní plochy jsou vždy více či méně nekongruentní a kloubní tkáně, především ty měkké, mají určitou míru elasticity. Významnou roli hraje i interindividuální variabilita v průběhu a postavení kloubních os (7, 9). Vzájemnému poměru vnitřní rotace bérce s pronací a kalkaneu 1:1 teoreticky odpovídá postavení kloubní osy subtalárního kloubu, která svírá 45° jak s rovinou pronace, tedy rovinou frontální, tak i s rovinou vnitřní rotace, tedy rovinou transverzální (obr. 3). Existují ale poměrně velké individuální odchylky a v rámci běžných typů nohy může tato osa svírat s transverzální rovinou úhel 20,5° - 68,5°. Přitom platí pravidlo, že čím menší úhel svírá osa s danou rovinou, tím menší je rozsah pohybu kolem této osy v dané rovině. Čím více se tedy bude osa blížit např. rovině frontální, tím menší bude rozsah pohybu kalkaneu v této rovině, tedy pronace. Poměr vnitřní rotace bérce a pronace kalkaneu se přesune ve prospěch vnitřní rotace bérce. Chybějící část pronace v kalkaneu je nahrazena jeho addukcí v transverzální rovině, s níž bude osa rotace svírat úhel více se blížící možnému maximu, což je 90°. Pokud se bude osa naopak blížit rovině transverzální, bude situace opačná.

Považujeme za nutné připomenout, že i když je pronace kalkaneu při zatížení spojena s jeho addukcí v rovině transverzální (3), tak v rovině frontální je spojena s valgotizací paty, tedy s abdukcí. Jde o jeden z typických terminologických problémů v oblasti nohy, jejichž příčinou je vývojově daný pronatorní zkrut a dorziflexe distální části dolní končetiny (11). Ostatně kalkaneus při pronaci, která provází zatížení, addukuje méně než talus (3), takže při zachování anatomického způsobu popisu pohybu, tedy pohybu distálního segmentu vůči proximálnímu, kalkaneus relativně abdukuje i v rovině transverzální.

KLASICKÁ KINEZIOLOGIE KOLENNÍHO KLOUBU

Kolenní kloub sestává ze skloubení patelofemorálního a tibiofemorálního, které má část mediální a laterální. Osteoartróza se vyskytuje jak ve skloubení patelofemorálním, tak i tibiofemorálním, a to především v mediální části. Z hlediska sdružených pohybů je zajímavější skloubení tibiofemorální, kterému se budeme dále věnovat.

Kineziologie kolenního kloubu je částečně popsána v učebnicích anatomie (1, 2) a vyčerpávajícím způsobem ji popisuje Kapanjdi (3). Právě Kapandjiho práce, kterou vřele doporučujeme všem zájemcům o hlubší poznání této problematiky, je hlavním zdrojem informací v následujícím popisu klasické kineziologie kolenního kloubu.

Tibiofemorální skloubení je v sagitálním průřezu nekongruentní v obou jeho částech (obr. 4). Kondyly femuru jsou konkávní ve frontální i sagitální rovině. V sagitální rovině se jejich zakřivení výrazně mění - nejvýraznější je v zadní části a dále v části přední, která je ale součástí skloubení patelofemorálního. Ve střední části je sagitální konvexita zakřivena podstatně méně, resp. má větší poloměr. Sagitální zakřivení mediálního kondylu je ve všech částech výraznější, největší rozdíl je právě ve střední části. Naopak křivka kloubní plochy laterálního kondylu je delší. Na laterálním kondylu je také největší rozdíl mezi zakřivením střední a zadní části, tedy i největší rozdíl v okamžité kongruenci s tibiálním plató. Vzájemná nekongruence kloubních ploch je zmírňována vmezeřenými menisky (3). Sagitální zakřivení tibiálního plató je v mediální části ploše konkávní, zatímco v laterální části ploše konvexní. Tento popis laterální části je v rozporu s anatomickými učenicemi i s tím, co vidíme na anatomických preparátech tibie, u nichž není žádná konvexita laterálního plató zřetelná. Kapandji (3) ale připomíná, že tyto preparáty jsou částečně deformovány preparačními postupy a odvolává se na pozorování při sekci čerstvého materiálu.

Recentní studie autorů Koo a Andriacchi (4), založená na metodě nukleární magnetické rezonance (NMR), potvrdila konvexitu kloubní plochy laterálního kondylu tibie v sagitálním průřezu. Studie také potvrdila, že výše popsaná nekongruence se týká jen sagitální roviny, protože ve frontální rovině jsou kloubní plochy femuru a tibie naopak poměrně dobře kongruentní. Oba kondyly femuru jsou v této rovině konvexní a obě části tibiálního plató naopak konkávní, i když na laterální straně je rozdíl v zakřivení kloubních partnerů výraznější než na straně mediální.

Základními (hlavními) pohyby v kolenním kloubu jsou flexe a extenze v sagitální rovině. Během pohybu z extenze do flexe se v klasickém modelu (3) pohybují kondyly femuru vzad po tibiálním plató. Rotace kondylů při flexi je spojena s valivým pohybem ve směru rotace, tedy dozadu. Současně ale dochází ke smykovému pohybu ve směru opačném, tedy dopředu, takže výsledný posun kondylů vzad je menší, než by odpovídalo rozsahu rotace. Díky tomu může flexe proběhnout v plném rozsahu (3). Flexe a extenze v rovině sagitální jsou doprovázeny vnitřní či zevní rotací femuru, resp. opačnou rotací bérce, v rovině transverzální. Kapandjiho vysvětlení sdružení flexe s vnitřní rotací bérce vychází z rozdílného zakřivení mediálního a laterálního kondylu a z dvojí sagitální konvexity v laterální části kloubu. Laterální kondyl femuru proto více roluje dozadu při pohybu z extenze do flexe a femur se tak zároveň stáčí zevně proti tibiálnímu plató, resp. tibie dovnitř proti kondylům femuru. Kinematika vzájemného pohybu obou segmentů je přitom dána jak tvarem kloubních ploch, tak i umístění úponů vazů, především zkřížených, a jejich napětím.

ZMĚNA POMĚRU VALIVÉ A SMYKOVÉ SLOŽKY POHYBU PŘI ZATÍŽENÍ

Pohyby nejsou vyvolány či omezeny pouze svalovou kontrakcí a jejich trajektorie není dána pouze tvarem kloubních ploch a napětím vazů či dalších měkkých tkání. Významné jsou také vnější síly, především síla tíhová, které mimo jiné uzavírá dolní končetinu do uzavřeného kinematického řetězce. Při chůzi je také důležitý efekt setrvačných sil. Způsob popisu pohybů v uzavřeném řetězci se může lišit od těch v řetězci otevřeném na základě změny punctum fixum - punctum mobile. Mnohem důležitější je skutečná změna vzájemného pohybu segmentů. Např. výše popsaný klasický průběh flexe v kolenním kloubu dle Kapandjiho (3) spočívá v rolování kondylů femuru po tibiálním plató dozadu, částečně vyrovnávaném skluzem vpřed, zatímco extenze je spojena s jejich rolováním dopředu a skluzem vzad. Více se přitom vždy posunuje laterální kondyl, což má za následek zevní rotaci femuru (resp. vnitřní rotaci bérce) při flexi a opačnou rotaci při extenzi. I když to Kapandji výslovně neuvádí, je velmi pravděpodobné, že vzhledem k možnostem tehdejší zobrazovací techniky šlo o pohyby v otevřeném kinematickém řetězci.

Novější sledování pohybů v uzavřeném kinematickém řetězci (6) ukázalo opak. Studie byla založená na kombinaci 3D modelu kolenního kloubu, vytvořeného na základě NMR vyšetření, a duální skiaskopie během chůze na běžícím pásu. Ukázalo se, že kondyly femuru se při flexi posouvají vpřed a při extenzi vzad. Na začátku oporné fáze dochází k flexi kolene během brzdění po dopadu paty, což je v grafu 1 spojeno s posunem kondylů femuru dopředu. Následuje pohyb do extenze spojený s posunem kondylů dozadu před dosažením střední opory. Současně se, na rozdíl od Kapandjiho klasického modelu, více posunuje vnitřní kondyl (graf 2). Zůstává tak zachováno sdružení flexe v kolenním kloubu s vnitřní rotací bérce, resp. zevní rotací femuru oproti bérci (graf 3). I nadále proto platí předpoklady pro sdružení flexe v kolenním kloubu s vnitřní rotací bérce, pronací v kloubu subtalárním a odemknutém kloubu Chopartova na začátku oporné fáze krokového cyklu (obr. 1) (11). Dalším zajímavým výsledkem výše uvedené studie je prokázání mírné hyperextenze kolene (průměrně 3,8°) v období střední opory (graf 3). To je v rozporu s klasickým modelem, založeným na videografické analýze, ve kterém během fáze opory se u zdravých osob neobjevuje ani plná extenze (9). Tento rozdíl je nejspíše dán rozdílnou metodou hodnocení, případně velmi malým výzkumným vzorkem novější studie (n=8).

S výše uvedenými výsledky je ve shodě i jiná recentní studie (5), založená na 3D videografické analýze oporné fáze s využitím zevních markerů připevněných na kůži femuru a tibie. Vyšetření 23 zdravých osob ukázalo, že u všech 46 kolen se sumarizované centrum rotace v transverzální rovině nacházelo laterálně, mimo kolenní kloub. Poloha okamžitého centra rotace se během pohybu neustále měnila a v necelých 25 % případů se nacházela po určitou dobu i mediálně, ale průměrná poloha byla 9 cm laterálně od centra tibiálního plató (SD 3,7; medián 8,7 cm). Po převážnou dobu trvání oporné fáze tedy vykonával větší dráhu mediální kondyl, což je opět v rozporu s klasickým Kapandjiho modelem. Po dopadu paty se kondyly femuru stáčely do zevní rotace.

V Kapandjiho klasickém modelu se kondyly femuru valí při flexi vzad a jejich posun je částečně kompenzován smykovým pohybem dopředu, nicméně výsledným pohybem je posun kondylů femuru vzad. Pokud novější studie ukazují, že při flexi dochází posunu kondylů femuru dopředu, musí to být dáno významným zvýšení smykové složky pohybu. Nemůže jít o obrácení valivého pohybu, protože ze své podstaty vždy směřuje ve směru rotace, tedy dozadu v případě flexe. Pohyb kondylů femuru vpřed při flexi kolene po dopadu paty je zřejmě způsoben setrvačností trupu a femuru, zatímco bérec je zabrzděn pevnějším spojením se zatíženou nohou. Opačný pohyb kondylů femuru při extenzi je zřejmě dán elastickým tahem měkkých tkání, především zkřížených vazů, protažených během posunu vpřed při flexi po dopadu.

ZÁVĚR

V žádném případě nelze tvrdit, že uzavření kinematického řetězce vede vždy k reverzi valivé a smykové složky pohybu v každém kloubu. Výše popsaný příklad byl zatím prokázán pouze u kolenního kloubu a v omezeném úhlovém rozsahu, který je využit během oporné fáze krokového cyklu. Nicméně tento příklad dobře dokumentuje skutečnost, že i zdánlivě jednoduché pohyby v kloubech jsou při bližším zkoumání podstatně složitější a je nutné brát v úvahu nejen anatomické faktory.

Zkoumání vzájemné provázanosti pohybů v kloubech a vlivu zevních sil na jejich průběh je nejen zajímavé, ale i důležité pro kineziologický rozbor či správnou interpretaci biomechanických dat. Platí to především pro sdružené pohyby v transverzotarzálním, subtalárním, hlezenním a kolenním kloubu.

Studie vznikla za podpory Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky při řešení výzkumného záměru „Pohybová aktivita a inaktivita obyvatel České republiky v kontextu behaviorálních změn” s identifikačním kódem: MSM6198959221.

MUDr. Ivan Vařeka, Ph.D.

Katedra fyzioterapie FTK UP

Tř. Míru 115

771 11 Olomouc

e-mail: ivan.vareka@seznam.cz