Wpływ anatomicznie podzielnej struktury materiału na moduł sprężystości pęczków głównych

W celu ustalenia różnic w wartościach modułu sprężystości dla pęczków, przeprowadzono jednoczynnikową analizę wariancji. Test Levene’a wykazał brak homogeniczności wariancji. Analiza wykazała, że różnice w module sprężystości między grupami są istotne F(2,147) = 6,20;

p = 0,003. W związku z tym, że wariancje były niejednorodne, dla testów post hoc wykorzystano

test Gamesa-Howella. Szczegółowa analiza wyników wykazała, że wartości modułu sprężystości są większe dla pęczków z grupy GM niż dla tych z SOL (p = 0,003). Między pęczkami GL i GM (p = 0,294) oraz GL i SOL (p = 0,080) różnice są statystycznie nieistotne. Średnie i odchylenia standardowe dla grup prezentuje Rys. 14. Uzyskane wartości modułów dla poszczególnych grup pęczków głównych w żadne sposób nie są także zależne od wyboru kończyny – analiza wariancji wykazała brak istotnych różnic pomiędzy średnią modułu sprężystości ścięgna z nogi prawej i lewej dla każdej z grup (SOL: p = 0,766; GL: p = 0,740; GM: p = 0,202).

Różnice właściwości mechanicznych pomiędzy pęczkami głównymi ludzkiego ścięgna Achillesa, nie były tematem żadnych opublikowanych do tej pory badań naukowych. W literaturze znaleźć można jednak kilka przesłanek, które w sposób pośredni uzasadniają słuszność podjęcia tego tematu. Arnout et al. w swoich badaniach nad wielokrotnym mrożeniem ścięgien [98] używał m.in. ludzkiego ścięgna Achillesa, które do celów eksperymentalnych podzielił wzdłuż na część przyśrodkową i boczną. Wyniki badań wskazują, że każda z tych części charakteryzowała się innymi właściwościami mechanicznymi (sztywnością, granicznym naprężeniem i odkształceniem)

57

zarówno w grupie kontrolnej jak i testowej, choć nie podano czy różnice te były istotne statystycznie (analizy dotyczyły porównań międzygrupowych, a nie wewnątrzgrupowych). Pomimo faktu, że testowane przez Arnout et al. boczne i przyśrodkowe części ścięgna Achillesa nie odpowiadały konkretnym pęczkom głównym, wyniki jego badań sugerują niejednorodność właściwości materiałowych i ich potencjalną zależność od rozpatrywanego obszaru ścięgna.

Rys. 14. Różnice średnich modułów sprężystości w zakresie 3 – 6% odkształcenia dla pęczków głównych ścięgna Achillesa. (*) oznacza istotność statystyczną na poziomie α=0.05.

Kolejną przesłanką wskazującą na możliwe zróżnicowane właściwości mechaniczne pęczków głównych są badania prowadzone przez Matson et al. [116]. W badaniach tych stwierdzono, że właściwości materiałowe (w tym moduł sprężystości) sąsiadujących ze sobą ścięgien, które przyczepiają się do różnych mięśni w obrębie tej samej kończyny, różnią się nawet dwukrotnie pomiędzy sobą. Badane właściwości materiałowe tych ścięgien zostały zdefiniowane jako ‘współzależne’, co wg autorów pracy może wyjaśniać niektóre odpowiedzi adaptacyjne obserwowane w badaniach plastyczności ścięgien. Pomimo faktu, że badania Matson et al. były

SOL GL GM 0 1 2 3 4 5 6 Pęczek główny Moduł s pręż ystoś ci [ MPa]

*

58

prowadzone na tkankach zwierzęcych, wnioski płynące z tego eksperymentu pogłębiają sugestię wynikającą z analizy badań Arnout et al. o niejednorodności właściwości materiałowych w różnych obszarach ścięgna Achillesa i prowadzą do wniosku, że obszary te należy rozróżniać zgodnie z pochodzeniem mięśniowym ścięgien.

Podczas ruchu człowieka ścięgno Achillesa jest obciążane w sposób asymetryczny, a tkanka podlega niejednorodnym deformacjom. W literaturze znaleźć można dowody, świadczące o tym, że podczas chodu, przedni (głęboki) obszar ścięgna Achillesa narażony jest na większe przemieszczenia ale mniejsze wydłużenia niż jego tylna (powierzchowna) część [117]. Ścięgno Achillesa doświadcza także większych przemieszczeń w przednim obszarze podczas pasywnego ruchu kostki [118] oraz pasywnego i ekscentrycznego obciążania mięśni łydki [26]. Asymetryczne naprężenia indukowane w ścięgnie na skutek niejednorodnego obciążenia jego struktur wewnętrznych mogą być jednym z potencjalnych czynników postawania i rozwoju uszkodzeń ludzkiego ścięgna Achillesa. Zgodnie z pracą autorstwa Bojsen-Møller et al. [119] niejednorodności naprężeń i odkształceń w ścięgnie mogą wynikać z trzech czynników:

1) Anatomicznej budowy ścięgna Achillesa, a w szczególności jego podziału na trzy wzajemnie skręcone ze sobą pęczki główne (SOL, GM i GL) przyczepiające się do różnych mięśni wchodzących w kompleks mięśnia trójgłowego łydki. Pęczek SOL pochodzi od mięśnia płaszczkowatego, który zajmuje aż 73% fizjologicznego przekroju poprzecznego całego mięśnia trójgłowego. Znacznie mniej procentowej powierzchni przekroju tego kompleksu zajmują głowy przyśrodkowa (GM – 20%) i boczna (GL – 7%) mięśnia brzuchatego [120]. Pod względem objętości mięśniowej SOL obejmuje 55% mięśnia trójgłowego, GM 30% i GL 15% objętości [121]. Nie istnieją jednak aktualnie doniesienia jaki jest dokładny współczynnik proporcji pomiędzy przekrojami poprzecznymi fizjologicznie wydzielonych mięśni trójgłowych łydki, a przekrojami przyczepiających się do nich pęczków głównych. Intuicyjnie założyć można, że tak znaczne różnice w polach przekrojów i objętości poszczególnych mięśni mogą różnicować wartości pól przekrojów poszczególnych pęczków głównych ścięgna Achillesa.

2) Odmiennej aktywacji głów wchodzących w skład mięśnia trójgłowego łydki, do których przyczepiają się pęczki główne ścięgna Achillesa. Poszczególne mięśnie (płaszczkowaty

59

oraz dwie głowy mięśnia brzuchatego łydki) aktywowane są przez system nerwowy w sposób niezależny od siebie. Zjawisko niejednakowej aktywacji mięśni będących częścią większego kompleksu mięśniowego zostało także potwierdzone przez Moritani et al. [122], w badaniach dowodzących istnienia określonych wzorców aktywacji elektromiograficznej w mięśniu trójgłowym łydki. Selektywność aktywacji mięśni łydki, obok zbyt niskiej rozdzielczości obrazowania, jest także wg Finni et al. [123] jedną z przyczyn uniemożliwiającą ocenę właściwości mechanicznych indywidualnych pęczków głównych ludzkiego ścięgna Achillesa w warunkach in vivo.

3) Właściwości materiałowych i strukturalnych tkanki. Każda jednostka mięśniowo – ścięgnista jest rozważana zazwyczaj jako układ o jednolitych właściwościach materiałowych. Biorąc jednak pod uwagę, że mięsień trójgłowy łydki posiada trzy głowy, łączące z kością piętową poprzez trzy odpowiadające im pęczki główne ścięgna Achillesa, trzeba jednak rozważyć, że jakakolwiek zmiana właściwości mechanicznych i materiałowych zachodząca w obrębie jednego z pęczków może rzutować na właściwości mechaniczne i materiałowe, a tym samym na funkcjonalność całego ścięgna Achillesa (tj. zdolność do magazynowania i uwalniania energii, przenoszenia obciążeń czy tłumienia) [119]. Założenie Bojsen-Møller et al., że różnice we właściwościach materiałowych pomiędzy poszczególnymi pęczkami głównymi mogą być czynnikiem indukującym obszary niejednorodności w ścięgnie Achillesa zostało także potwierdzone w 2018r. przez Clark et al. [124].

Wyniki badań autorki, które jako pierwsze opisują różnice pomiędzy średnimi wartościami modułów sprężystości pęczków głównych ludzkiego ścięgna Achillesa testowanego w warunkach

ex vivo, dowodzą istotnej statystycznie różnicy (p = 0,003) w module sprężystości pomiędzy

pęczkami pochodzącymi od mięśnia płaszczkowatego (SOL) i przyśrodkowej głowy mięśnia brzuchatego łydki (GM). Obserwowane są również różnice pomiędzy średnimi modułami sprężystości w parach GM i GL oraz SOL i GL (Rys. 14) choć nie są one istotne statystyczne. Analizując jednak wartości prawdopodobieństwa uzyskane w analizie wariancji dla tych par (GL i GM – p = 0,294; GL i SOL – p = 0,080) dostrzec można, że średnie wartości modułów dla pęczków pochodzących od dwóch głów tego samego mięśnia (GL i GM) wykazują znacznie mniejsze zróżnicowanie niż pomiędzy pęczkami pochodzącymi od różnych mięśni (SOL i GL).

60

Wartość prawdopodobieństwa p w przypadku pary pęczków głównych GL i SOL (p = 0,080) jest niewiele wyższa niż przyjęty poziom istotności α=0.05 co świadczy, że różnica pomiędzy średnimi modułami tych pęczków znajduje się blisko granicy istotności. W porównaniu do pary GL i SOL, w przypadku pary pęczków głównych GM i GL wartość prawdopodobieństwa p jest o wiele wyższa (p = 0,294) i nie pozwala na stwierdzenie istotnych różnic pomiędzy modułami tych pęczków na przyjętym poziomie istotności α=0.05. Brak zróżnicowania pomiędzy właściwościami materiałowymi pęczków GM i GL z pewnością może mieć związek z faktem, iż przyczepiają się one do różnych głów, ale pozostających w obrębie tego samego mięśnia.

Wyniki badań Autorki pozostają w zgodzie z pracą opublikowaną przez Finni et al. [123], dowodzącą istotnych różnic w mechanice naprężeń i odkształceń poszczególnych pęczków głównych szczurzego ścięgna Achillesa, które mogą także pośrednio świadczyć o zróżnicowanych właściwościach materiałowych tych pęczków. Wyniki badań Finni et al. udowodniły, że pomiędzy pęczkami SOL i GL występują istotne różnice uzyskiwanych przemieszczeń oraz odkształceń tych pęczków przy indywidualnej lub wspólnej stymulacji poszczególnych głów mięśnia trójgłowego łydki. Z uwagi na fakt, że każda, zarówno indywidualna jak i grupowa, kombinacja aktywacji poszczególnych głów mięśniowych łydki generowała przemieszczenia zarówno w pęczku SOL jak i GL, autorzy badania sugerują, że pęczki główne, nie zachowują się w sposób całkowicie niezależny. Autorzy pracy nie negują przy tym faktu istnienia zjawiska wzajemnego ślizgania się pęczków między sobą [125] lecz w oparciu o wyniki swoich badań dowodzą, że zjawisko to nie zapewnia całkowitej niezależności działania żadnego z pęczków głównych.

Analizując szczegółowe dane uzyskane przez zespół Finni et al. [123] dostrzec można, że przy indywidualnej stymulacji mięśnia płaszczkowatego (pęczek SOL) uzyskiwane w nim przemieszczenia oraz odkształcenia są istotnie statystycznie wyższe niż w pęczku LG, natomiast przy jednoczesnej stymulacji wszystkich głów mięśniowych, odkształcenie pęczka SOL było dwukrotnie większe w porównaniu do pęczka GL. Różnica ta, przy założeniu jednakowej wartości naprężeń, powinna skutkować niższą sztywnością pęczka SOL w porównaniu do GL. Biorąc jednak pod uwagę większy przekrój poprzeczny szczurzego pęczka GL w porównaniu do pęczka SOL, autorzy pracy wnioskują, że moduł sprężystości tych pęczków powinien pozostać na zbliżonym poziomie. W przypadku badań Autorki analiza wariancji wykazała brak istotnie

61

statystycznych różnic pomiędzy średnią wartością przekroju poprzecznego pęczków głównych ludzkiego ścięgna Achillesa (F(2,147) = 0,402; p = 0,670). Średnie wartości pól przekrojów poszczególnych pęczków głównych dla poszczególnych kończyn (prawa/lewa), również nie wykazały istotnie statystycznych różnic na poziomie α=0.05 (SOL: p = 0,307; GL: p = 0,476; GM: p = 0,790). Przyjmując zatem, zgodnie z dowodami przedstawionymi przez Finni et al., zależność dwukrotnie większego odkształcenie pęczka SOL względem pęczka GL przy jednocześnie nie różniących się istotnie przekrojach poprzecznych tych pęczków, wartość modułu sprężystości dla pęczka SOL powinna być niższa niż dla pęczka GL. Biorąc pod uwagę, wykazany przez Autorkę brak istotnych różnic we właściwościach materiałowych pomiędzy pęczkami GM i GL, wnioskować można, że obserwacje Finni et al. (po uwzględnieniu różnic w geometrii pomiędzy ścięgnem ludzkim i zwierzęcym), uzasadniają obserwowany przez Autorkę zmniejszony moduł sprężystości pęczka głównego SOL w porównaniu do pęczków pochodzących z mięśnia brzuchatego łydki. Wyniki Autorki pozostają także w zgodzie z obserwacjami z badań nad niejednorodnością deformacji w ludzkim ścięgnie Achillesa [26], [117], [118], gdzie udowodniono, że w przedniej części ścięgna (tam gdzie znajduje się pęczek SOL) stwierdzono większe wydłużenia i odkształcenia niż w części tylnej (gdzie znajdują się pęczki GM i GL).