Desenvolvimento de um programa de análise de imagens radiológicas de membros inferiores com osteoartrite de joelho a partir de parâmetros biomecânicos funcionais

Abstract

A osteoartrite (OA) de joelho é uma doença multifatorial que acomete pessoas a partir da terceira década de vida, mas com maior incidência em idosos. Sua classificação é feita baseado em parâmetros clínicos e qualitativos durante uma intervenção médica. Nos casos mais avançados, a cirurgia de artroplastia de joelho envolve não apenas a substituição da articulação por uma prótese, mas também o realinhamento dos segmentos do membro inferior. Nesse caso há a necessidade de uma abordagem mais quantitativa na busca do reposicionamento desta articulação em relação ao eixo de suporte da carga corporal (ESCC). O objetivo deste estudo foi desenvolver uma metodologia de análise que possibilitasse quantificar uma série de parâmetros estruturais e funcionais a partir de imagens da raios-X em sujeitos saudáveis, assintomáticos para OA e em sujeitos com diagnóstico de OA de joelho. Este estudo utilizou-se da classificação adotada por Dejour (1991) para a classificação dos sujeitos em grupos com diferentes graus de OA. A amostra foi constituída de sujeitos de 25 a 80 anos com níveis de grau 1, grau 2 e grau 3 de OA. Além da classificação nos graus, os sujeitos foram separados pela presença ou não de dor em assintomáticos (OA sem dor) e sintomáticos (OA com dor). Imagens de raios-X foram obtidas do membro inferior dos sujeitos. Previamente à obtenção das imagens, um sistema de calibração foi construído com o objetivo de identificar possíveis erros de medidas e corrigi-los. Além disso, o sistema de calibração também foi utilizado na definição exata da metodologia a ser utilizada na obtenção dos exames radiográficos a fim de que a quantificação dos parâmetros estruturais e funcionais de cada membro inferior não apresentasse fatores intervenientes que pudessem mascarar os resultados obtidos de cada imagem digital, possibilitando também a comparação entre os indivíduos. Após a identificação dos fatores de correção das imagens digitais, um programa foi desenvolvido na plataforma Matlab para a identificação das variáveis geométricas dos membros inferiores. Além disso, também foi desenvolvida uma rotina matemática que permitiu calcular, por meio da de decomposição de vetores de força, as cargas que atravessavam cada articulação do joelho. Com estas informações foi possível comparar as variáveis geométricas dos membros inferiores entre os diferentes níveis de OA e também observar por meio de três modelos matemáticos qual a influência destas variáveis no mínimo espaço intra-articular medial (MEIAM), na força no compartimento medial (FCM) e nas estruturas contra-laterais a este compartimento, como o ligamento colateral lateral e trato iliotibial, neste trabalho denominados de força P. Os principais resultados obtidos no presente estudo foram: (1) o desenvolvimento de uma metodologia de calibração de imagens digitais capaz de reduzir os efeitos da ampliação da imagem, corrigindo os valores ampliados aproximando-os dos valores reais; (2) Foi observado que o desalinhamento dos membros inferiores avaliado pelo ângulo que representa a relação entre o quadril, joelho e tornozelo (QJT) tem influência na OA de joelho, assim como o ângulo entre os platôs condilares do fêmur e da tíbia (PC). Visto que quanto maior estes ângulos, menor o mínimo espaço intra - articular medial (MEIAM) e maior os graus de OA. 3) Quando avaliado as variáveis geométricas dos membros inferiores em um teste de regressão linear múltipla, para saber a influência na força do compartimento medial (FCM), na força do ligamento colateral lateral e tracto iliotibial (força P) e no MEIAM, o QJT teve maior poder explicativo tanto para as cargas como o MEIA, confirmando a teoria mecânica. Entretanto o ângulo do colo do fêmur (ACF), apesar de uma baixa participação (6%) que mostrou um grau de importância significativo nos modelos de carga do compartimento e do MEIAM. Assim, embora nós saibamos que os segmentos inferiors ajustam-se mecanicamente em relação a carga, foi observado que o desalinhamento dos membros inferiores é um fator de risco mais importante entre todas as variáveis para o desenvolvimento da OA.

Knee osteoarthritis (OA) is a multifactorial disease that affects people from the third decade of life, but with higher incidence in the elderly. Its classification is based on clinical and qualitative parameters during a medical intervention. In more advanced cases of OA, knee arthroplasty involves not only joint replacement with prosthesis, but also the realignment of the lower limb segments. In this case, there is a need for a more quantitative approach in the pursuit of the joint repositioning in relation to the load bearing axis (LBA). The aim of this study was to develop a methodology that would enable the quantification of a number of structural and functional parameters, using X-ray images, in healthy subjects, asymptomatic for OA and subjects diagnosed with knee OA. This study used the classification adopted by Dejour (1991) to classify the subjects into groups with different degrees of OA. The sample consisted of subjects between 25 and 80 years old, classified with levels 1, 2 and 3 of OA. Besides this classification, subjects were separated by the presence or absence of pain into asymptomatic (OA without pain) and symptomatic (OA with pain). Radiographic images of the lower limb were obtained of the subjects. Prior to obtaining the images, a calibration system was built to identify possible measurement errors and correct them. In addition, the calibration system was also used to define the exact methodology to be used to obtain the images, so that the quantification of structural and functional parameters of each lower limb did not present intervening factors that might mask the results, allowing also the comparison between individuals. After identifying the correction factors of the digital images, a Matlab routine was developed to identify the geometric variables of the lower limbs. In addition, this routine also allowed the calculation, through the decomposition of force vectors, of the loads that cross each knee joint. With this information, it was possible to compare the geometric variables of the lower limbs between different levels of OA and also observe, by means of three mathematical models, the influence of these variables on the medial intra-articular minimum space, on the force in the medial compartment (FMC) and on the contra-lateral structures in this compartment, such as the lateral collateral ligament and the iliotibial tract, called, in this work, P force. The main results of this study were: (1) the development of a calibration methodology for digital images capable of reducing the effects of image magnification, adjusting the values closer to real values; (2) the observation that the misalignment of the lower extremities, evaluated by the angle that represents the relationship between hip, knee and ankle (HKA), has an influence on knee OA, as well as the angle between the condyle plateaus of the femur and the tibia. The larger this angle is, smaller is the medial intra-articular minimum space, and higher are the levels of OA; (3) when evaluating the geometric variables of the lower limbs in a multiple linear regression test, to identify the influence of these variables on the force of the medial compartment (FMC), on the force of the lateral collateral ligament and the iliotibial tract (indicated here as P force) and on the MIAMS it was possible to observe that the HKA showed larger explanatory power for the loads as the MIAMS, confirming the mechanical theory. However, for the angle of the femoral neck (AFN), despite a lower power to explain the dependant variables (only 6%), it still showed a significant importance in the load compartment models and MIAMS. Thus, although we know that the segments adapt or mechanically adjust in response to load, it seems that the lower limb segments alignment is the most important factor amongst all variables as a risk factor for the development of knee OA.