Polvinivelen laskennallinen mallintaminen on viime vuosikymmenenä osoittautunut hyvin lupaavaksi menetelmäksi tukemaan perinteisiä kliinisiä ja kokeellisia menetelmiä. Toistaiseksi se on kuitenkin hyvin vaativaa ja aikaa vievää, eikä edellisistä syistä johtuen sovellu vielä täysin kliiniseen käyttöön. Näiden rajoitteiden rikkomiseksi on kehitetty yksinkertaistettuja esitystapoja esimerkiksi polven nivelruston ja luun mallintamiseksi. Polven ligamentit ovat säiemäistä tukikudosta, joiden pääasiallisena tehtävänä on vakauttaa nivelen toimintaa. Samalla ne myös estävät liikkeitä, jotka voisivat mahdollisesti vaurioittaa nivelen muita kudoksia kuten nivelrustoa.
Itä-Suomen yliopiston Nivelruston ja luun biofysiikan -tutkimusryhmän työ osoittaa, että polven ligamenttien tarkka ja tehokas laskennallinen mallintaminen on mahdollista myös yksinkertaisimmilla ligamenttien esitystavoilla, kun ligamenttiin kohdistuva kuormitus suuntautuu pääasiassa ligamentin pituussuuntaan. Tällainen tilanne esiintyy muun muassa kävelyn aikana.
Polvinivelrikon ennaltaehkäiseminen on potilaalle ja yhteiskunnalle todennäköisesti kustannustehokkain vaihtoehto
Polvinivelvammat ovat hyvin yleisiä erityisesti nuorten ja aktiivisten ihmisten keskuudessa. Nämä vammat paranevat harvoin hyvin ja johtavat usein polven nivelrikkoon, johon ei tällä hetkellä ole olemassa tehokasta hoitomuotoa. Näistä syistä johtuen nivelrikon ennaltaehkäisy olisi kaikkein kustannustehokkain vaihtoehto sekä potilaalle että yhteiskunnalle. Tehokkaan ennaltaehkäisyn mahdollistamiseksi polvinivelen biomekaanisen vasteen tunteminen olisi hyvin tärkeää, mutta yksityiskohtaisen tiedon saaminen pelkästään kliinisten ja kokeellisten menetelmien avulla on hyvin haastavaa, ellei tietyissä tapauksissa jopa mahdotonta.
Kehittyneitä laskennallisia menetelmiä voidaan käyttää tulevaisuudessa nopeaan ja tehokkaaseen henkilökohtaiseen diagnoosiin ja ennaltaehkäisyyn
Tutkimuksessa yhdistettiin laskennallinen mallinnus, polvinivelen magneettikuvaus ja segmentointi, sekä kuvatun henkilön liikeanalyysi realistisen polvinivelmallin kehittämiseksi. Näin muodostettua polvinivelmallia muokattiin muuttamalla polvinivelen ligamenttien monimutkaista ja yksityiskohtaista esitystapaa asteittain kohti hyvin yksinkertaista, jousiin pohjautuvaa, ligamenttien esitystapaa. Jokaisessa esitystavassa mallin polven liike pohjautui liikeanalyysiin. Samalla arvioitiin sekä ligamenttien esitystavan vaikutusta nivelmallin liikkeeseen, että polven nivelruston kokemiin vasteisiin.
Riittävän yksinkertainen esitystapa yksinkertaistaisi kliinisissä tarkoituksissa käytettävää mallin tuotantoa, pienentäen laskennallisia vaatimuksia ja työvoimaa, jota tarvitaan yksilöllisten polviominaisuuksien tuottamiseen. Luotettavat ja yksinkertaistetut mallit voisivat tarjota nopean diagnostiikan kliinisten toimenpiteiden parantamiseksi potilailla, joilla on polvinivelvaivoja.
Tutkimus viittaa siihen, että ligamenttien kollageenisäikeistä johtuva puristus- ja jännitys vasteen epälineaarisuus vaikuttaa olennaisesti polvinivelen liikkeeseen ja voimiin, sekä nivelruston kokemiin vasteisiin kävelyliikkeen aikana, kun taas kollageenisäikeettömän osan sekä nesteen roolit ovat hyvin pieniä. Lisäksi tutkimuksessa havaittiin, että tietyissä kävelynliikkeen vaiheissa myös yksinkertaisemmat ligamenttien esitystavat polvimallit pystyivät jäljittelemään monimutkaista ja yksityiskohtaista esitystapaa, kun yksinkertaisempien esitystapojen materiaaliparametrit pystytään valitsemaan tarkasti. Nämä havainnot ovat hyvin merkityksellisiä, kun biomekaanisia nivelmalleja pyritään hyödyntämään uusien polven nivelsiteiden vammoihin liittyvien hoitomuotojen tutkimisessa.
Tutkimus on saanut rahoitusta EU:n Horisontti 2020 -tutkimus- ja innovaatio-ohjelmasta (Marie Sklodowska-Curie -tutkimusrahoitus nro 713645).
Tutkimus “The effect of constitutive representations and structural constituents of ligaments on knee joint mechanics” on julkaistu Scientific reports -lehdessä ja on luettavissa osoitteessa https://www.nature.com/articles/s41598-018-20739-w
Lisätietoja: Nuorempi tutkija Gustavo Orozco, p. 050 348 5018, gustavo.orozco (a) uef.fi
