Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Введение

Способность к захвату наблюдается у многих видов животных, но наиболее развита у человека и характеризуется качеством противодействия, позволяющим ладони кисти приспосабливаться к форме предмета, что обусловлено архитектурой пясти [1]. Пясть у человека образована пятью короткими трубчатыми костями, расположенными относительно друг друга по дуге. Соотношение длин пястных костей у человека соответствует метакарпальной формуле большинства приматов (II>III>IV>V>I), однако у человека IV и V пястные кости в процессе онтогенеза несколько отстают в развитии, что усиливает радиализацию кисти [2]. В зависимости от пропорциональных соотношений морфометрических показателей пястных костей выделяют три типа кисти: длинные и узкие (stenocheiric), короткие и широкие (eurycheiric), промежуточные (mеsochеiric) [3].

В настоящее время для оценки формы пясти используются антропометрия, а также морфометрия по данным рентгенографии [4]. Однако классическая антропометрия имеет ряд недостатков из-за разного индекса мягких тканей у мужчин и женщин, а также погрешностей измерений [5]. В текущий период оценка формы пясти по данным рентгенографии базируется на анализе пропорциональных соотношений между длиной и шириной этого отдела кисти. Изменения формы пясти являются недооцененными из-за концептуальных трудностей в количественной оценке такого абстрактного понятия, как форма. Попытки описать форму пясти на основе данных, полученных с помощью классических морфометрических методов, носят косвенный характер – отсутствует анализ формы как таковой. Классическая антропометрия, базирующаяся на линейных измерениях, не позволяет объективно оценить пространственные морфологические изменения и геометрию изучаемого объекта [6]. С учетом анатомической изменчивости пясти, наблюдавшейся в предыдущих исследованиях, возникает вопрос о целесообразности более детального анализа вариаций формы данного отдела кисти с использованием методов, основанных на геометрической морфометрии, в которой информация получена из декартовых координат ориентиров, расположенных в определенных точках изучаемого объекта [7]. Определение этих ориентиров позволяет провести тщательную количественную оценку морфологических изменений и четко визуализировать различия между сложными формами, которые в противном случае было бы трудно отличить [8].

Цель исследования – изучить изменчивость формы пясти у человека в зависимости от морфологического типа кисти с использованием геометрических морфометрических методов.

Материал и методы исследования. Методология, используемая в этом исследовании, – это двумерная геометрическая морфометрия, которая определяется как статистический анализ размера и формы объекта в виртуальном пространстве [9].

Объектом исследования являлись цифровые DICOM-изображения рентгенограмм правых кистей 50 мужчин (средний возраст 46,3±1,1 года) и 50 женщины (средний возраст 49,2±0,9 года) из архива отделения лучевой диагностики ГУЗ «Ульяновский областной клинический центр специализированных видов медицинской помощи им. Заслуженного врача России Е.М. Чучкалова». Критерии включения в исследование: отсутствие травматических изменений, аномалий развития и костно-суставной патологии. Исследование одобрено локальным этическим комитетом Университета РЕАВИЗ (протокол № 2/21 от 21.06.2021 г.). В зависимости от соотношения длин указательного (2d) и безымянного (4d) пальцев кисти были классифицированы на ульнарные (U, 2d<4d), радиальные (R, 2d>4d) и неопределенные (N, 2d=4d) [10]. Для снижения вероятности ошибки все процедуры выполнены одним исследователем. Цифровые изображения рентгенограмм были отредактированы таким образом, чтобы середины пястно-фаланговых суставов среднего пальца на каждом изображении совпадали. При помощи экранного дигитайзера TpsDig2 v. 2.3 в декартовой системе координат на каждом цифровом изображении рентгенограммы кисти были идентифицированы 8 ориентиров и получены их двумерные координаты (рис 1.) [11].

Рис. 1. Расположение (а) и визуализация конфигурации (б) ориентиров

Анализ форм пястей был проведен с использованием MorphoJ 1.07a [12]. Декартовы координаты ориентиров конфигураций пястей были подвергнуты обобщенному Прокрустову выравниванию для удаления любых элементов, не относящихся к форме (положение, ориентация и масштаб), и оптимального выравнивания в пространстве. Для визуализации многомерных различий формы пясти относительно средней конфигурации в двумерном пространстве проведен анализ главных компонент (principal components analysis, PCA) на основе ковариационной матрицы прокрустовых координат путем получения оценок главных компонент (PC), а также для демонстрации экстремальных конфигураций форм (масштабный коэффициент=0,1 прокрустовых единиц). Оценка различий форм пястей между заранее определенными тремя группами кистей различных морфологических типов, основанная на расстояниях Mahalanobis (мера расстояния между векторами случайных величин), выполнена с использованием канонического вариационного анализа (canonical variate analysis, CVA). Для оценки аллометрии (зависимость формы от размера) применена многомерная регрессия, где в качестве независимой переменной размера использован центроидный размер (centroid size, CS – квадратный корень суммы квадратов расстояний всех точек фигуры от ее центроида или геометрического центра), в качестве зависимой переменной формы использованы прокрустовы координаты [13].

Результаты исследования и их обсуждение. На первые две главные компоненты (PC) приходится более половины вариаций формы (PC1=38,8%, PC2=16,1%) пясти. Вдоль оси первой главной компоненты (PC1) форма пясти расширяется (PC1-) или сужается (P1+). Вдоль оси второй главной компоненты (РС2) форма пясти укорачивается (РС-) или удлиняется (РС+). Для кистей ульнарного (U) типа характерна широкая и короткая форма пясти, близкая к квадратной, для кистей радиального (R) типа характерна узкая и удлиненная форма пясти, близкая к трапециевидной (рис. 2).

Рис. 2. Изменения формы пясти относительно первой (РС1) и второй (РС2) главной компоненты (доверительные эллипсы 95% вариабельности; PC1(+/–) и PC 2 (+/–) соответственно)

Детальный анализ относительных деформаций демонстрирует, что форма пясти обусловлена сочетанной и разнонаправленной трансформацией, связанной с двумя группами ориентиров: 2, 4, 5, 7 и 1, 3, 6, 8. Локальная трансформация в проксимодистальном направлении связана с ориентирами 2, 4 и 5, 7, что обусловливает неафинную, или неоднородную, деформацию формы пясти в зависимости от морфологического типа кисти (PC1-↔PC1+). Глобальная трансформация связана со всеми ориентирами, что обусловливает афинную, или однородную, деформацию формы: короткая и широкая или вытянутая и узкая пясть. Установлено, что локальной трансформации в радиоульнарном направлении, связанной с ориентирами 2, 4, 6, 8, наблюдается обратная по направлению трансформация, связанная с ориентирами 1, 3, 5, 8 (рис. 3).

Рис. 3. Локальные изменения формы пясти в пространстве относительно средней конфигурации вдоль осей PC1 и PC2 (PC1(+/–) и PC 2 (+/–) соответственно) в зависимости от смещения векторов положения ориентиров на трансформационных решетках

 

Результаты CVA демонстрируют, что 79,7% различий между формами пясти в зависимости от морфологического типа кисти объясняются первыми двумя каноническими переменными (Canonical variate) (рис. 4).Независимо от пола более выраженные различия установлены между формами пястей кистей ульнарного и радиального (U/R) типов (расстояние Mahalanobis=2,9476–3,0027, р<0,05). В меньшей степени различаются формы пястей кистей радиального и неопределенного (R/N), а также ульнарного и неопределенного (U/N) типов как у мужчин (расстояние Mahalanobis=1,8215–2,8817, р<0,05), так и у женщин (расстояние Mahalanobis=2,028–2,6375, р<0,05).

Рис. 4. Различия между формами пясти в зависимости от морфологического типа кисти (доверительные эллипсы 95% вариабельности)

Многомерная регрессия показала 9,4% и 9,3% аллометрии пясти у мужчин и женщин соответственно со значительным значением перестановки (р<0,05) (рис. 5).

Рис. 5 Регрессия оценок относительных изменений по CS пясти (график, обобщающий взаимосвязь между изменением размера и формы) (доверительные эллипсы 95% вариабельности)

Полученные в настоящем исследовании данные указывают на то, что изменчивость формы пясти у человека обусловлена тремя типами трансформаций: глобальные однородные (аффинные) изменения формы, одинаково влияющие на всю пясть; локальные неоднородные (неаффинные) изменения формы, общие для всей пясти; которые характерны для определенной группы пястных костей. Наиболее важным моментом является преобладание наблюдаемой вариабельности формы пясти, связанной с морфологическим типом кисти, что обусловлено неафинными (локальными) трансформациями в радиоульнарном направлении, которые одновременно сочетаются с афинными (глобальными) трансформациями в проксимодистальном направлении. Вариабельность формы, связанной с аффинным компонентом, представлена изменением (деформационным изменением) соотношения между проксимодистальным и радиоульнарным размерами. Степень вариабельности, охватываемая аффинным компонентом, свидетельствует о том, что пясть кисти человека представляет собой структурно однородную систему, в которой положение, размер и форма каждой кости структурно взаимосвязаны со всеми остальными [1]. В отличие от аффинных трансформаций, объясняющих подавляющее большинство изменений формы в контексте широкая или узкая пясть, неаффинные трансформации характеризуются одновременным, но неравномерным изменением положения нескольких ориентиров в различных направлениях. Это согласуется с теорией о трансформации кисти, связанной с локомоторной адаптацией и преобладанием функции захвата [14]. Как у мужчин, так и у женщин форма пясти слабо зависит от размеров последней, что обусловлено морфогенетическими взаимодействиями в области апикального эктодермального гребня (apical ectodermal ridge) зачатка будущей кисти – положение, дифференцировка, развитие и равномерный рост пястных костей [15].

Заключение. Данное исследование показывает, что форма пясти у человека в значительной степени связана с морфологическим типом кисти, при этом форма пясти слабо зависит от ее размера. Это первое исследование с использованием геометрической морфометрии для оценки соответствия между формой пясти и типологическими особенностями кисти. Применение геометрической морфометрии является рациональным аналитическим подходом, открывающим новые перспективы для проверки гипотез, связанных с изменчивостью формы пясти в зависимости от биологических и социальных факторов.