Биомеханическое обоснование использования вертлужного компонента при эндопротезировании тазобедренного сустава

Эндопротезирование в последние десятилетия стало широко распространенным методом лечения повреждений тазобедренного сустава. Необходимость в этом методе оперативного лечения неуклонно растет, поскольку с увеличением средней продолжительности жизни и ростом числа людей пожилого возраста растет и количество заболеваний опорно-двигательного аппарата (Н.В. ' Загородний, 1998). Дегенеративно-дистрофическими заболеваниями суставов страдают в основном лица пожилого и старческого возраста, однако они регистрируются и у молодых людей: 0.1% в возрасте до 19 лет, 0.2% - до 29 лет, 3.5% - до 39 (В.П. Москалев, Н. В. Корнилов, 2001). Среди остеоартрозов различной локализации коксартроз занимает лидирующее положение — около 74.2% (К.И. Шапиро, 1979). Очевидным на сегодняшний день является тот факт, что эндопротезирование — является самым эффективным способом лечения коксартроза любой этиологии. Однако в эндопротезировании есть много проблем и задач, требующих решения. Одной из них является асептическая нестабильность компонентов эндопротеза и ее профилактика. Выживаемость вертлужного компонента особенно актуальна из-за трудностей его установки, связанная с анатомией поврежденного тазобедренного сустава. Деформации вертлужной впадины могут сильно отличаться в зависимости от формы коксартроза: гиперпластического, диспластического, протрузионного. Соответственно подбор вертлужного компонента, метода его фиксации, пары трения играет большую роль в выживаемости эндопротеза. Вопрос нестабильности компонентов эндопротеза остро встает даже при применении современных эндопротезов. Серьезной проблемой при реэндопротезировании становится дефицит костной ткани в области вертлужной впадины. Увеличение срока выживаемости и профилактика лизиса больших объемов костной ткани в области вертлужной впадины при первичном эндопротезировании является на сегодняшний день актуальнейшей задачей, особенно у молодых пациентов.

В зарубежной литературе ведутся острые дебаты по поводу метода фиксации вертлужного компонента. Очень разноречивы показания к использованию цементной и бесцементной фиксации (М. Lind et al., 2002). Мировой опыт использования цементных техник гораздо богаче, нежели бесцементных. Однако бесцементная фиксация вертлужного компонента зарекомендовала себя достаточно надежно, чтобы претендовать на значительное расширение1 показаний к ее использованию. За несколько десятков лет методы фиксации чашки прошли несколько эволюционных ступеней. Современные бесцементные чашки, имеющие специальные покрытия для остеоинтеграции, и метод фиксации «press-fit» претендуют на то, что бы быть использованными как при протрузии вертлужной впадины так и при выраженном остеопорозе. В свою очередь сторонники цементного эндопротезирования заявляют о высоком проценте асептической нестабильности бесцементного вертлужного компонента в сроки до 3-х лет (Stockl В. Et al., 1999). Противоречивыми являются также данные регистров разных стран. Например, данные норвежского регистра говорят об одинаковом процентном соотношении выживаемости цементных и бесцементных чашек, однако шведский регистр дает данные в пользу цементной фиксации вертлужного компонента (Toni A. et al., 2002; Leif I., 2000). f.

1 Цель работы: Разработать концептуальный подход к выбору, установке и послеоперационной оценке ацетабулярного компонента, основанный на клинико-рентгенологических и биомеханических данных системы имплантант-кость.

Для достижения данной цели нами были поставлены следующие задачи:

1. Провести математическое моделирование вертлужной впадины с, I установленной цементной и бесцементной чашкойметодом конечных элементов и проанализировать результаты их функционирования.

2. Проанализировать поведение бесцементных чашек при протрузионном варианте развития артроза вертлужной впадины.

3. Провести сравнительный анализ ближайших и среднесрочных результатов, применения трехрадиусной бесцементной чашки отечественного-производства.

4. Изучить клинико-рентгенологические, ближайшие, среднесрочные и отдаленные результаты цементного эндопротезирования вертлужной впадины тазобедренного сустава.

Научная новизна.

1. Разработана и научно обоснована концепция установки различных типов вертлужного компонента эндопротеза тазобедренного сустава с учетом анатомии и биомеханики вертлужной впадины.

2. Применено математическое моделирование вертлужной впадины при цементной и бесцементной фиксации вертлужных компонентов эндопротеза методом конечных элементов для анализа действующих сил на ацетабулярный компонент.

I f.

Положения, выносимые на защиту.

1. Бесцементный вертлужный компонент с фиксацией «press-fit» может быть использован при протрузионном варианте развития коксартроза.

2. Бесцементная трехрадиусная чашка оригинальнойконструкции отечественного производства для эндопротезирования вертлужной впадины превосходит по своей биомеханике многие чашки отечественного и зарубежного производства и может быть рекомендована к широкому применению.

3. Одним из главных условий обеспечения полноценной равномерной цементной мантии является присутствие прессуризационного приспособления на вертлужном компоненте.

4. Математическая модель вертлужной впадины с установленной чашкой цементной и бесцементной фиксации позволяет прогнозировать и> анализировать выживаемость вертлужного компонента.

Практическое значение работы.

Совместными усилиями разработчиков эндопротезных систем, программистов, инженеров-материаловедов и ортопедов разработана математическая модель вертлужной впадины с установленными цементной и бесцементной чашками.

Проведенные исследования и полученные результаты позволяют расширить показания к применению бесцементного вертлужного • компонента и использованию его при протрузионных коксартрозах.

Доказана высокая эффективность применения трехрадиусной бесцементной чашки отечественного производства в лечебной практике и ее высокая выживаемость, что позволяет рекомендовать ее к широкому применению. Клинико-рентгенологический анализ, показывающий преимущество чашки с фланцами в экваториальной зоне, позволяет рекомендовать отечественным производителям начать разработку подобного вертлужного компонента.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 7 работ, из них 1 в ведущем рецензируемом научном журнале.

Материалы диссертации доложены на:

1. Научно-практическая конференция травматологов-ортопедов Республики Узбекистан с участием зарубежных специалистов «Остеоиндуктивные подходы в травматологии и ортопедии». Доклад: «Использование остеоматрикса в травматологии и ортопедии». Ташкент. 14 октября 2005 г.

2. VI-ая научно-практическая конференция «Передовые технологии диагностики и лечения в травматологии, ортопедии и спортивной медицине». Доклад: «Применение биопластического материала при ревизионном эндопротезировании вертлужного компонента». Москва. 1−2 июня 2006 г.

3. Научно-практическая конференция «Французский парадокс»: Ревизия — быть или не быть" Применение биопластического материала «Остеоматрикс» при ревизионном эндопротезировании тазобедренного сустава. Пущино. 17−18 марта 2007 г.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа изложена на 156 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка использованной литературы.

Выводы:

1. Анализ математического моделирования вертлужной впадины методом конечных элементов с установленной чашкой цементной фиксации показал, что основные напряжения в кости приходятся на верхнюю часть вертлужной впадины (сурсил), преимущественно в зоне 1 по DeLee Charnley. При аналогичном исследовании вертлужной впадины с установленной чашкой бесцементной фиксации определяется, что напряжения в кости в основном приходятся на экваториальную зону.

2. При протрузионных вариантах развития артроза вертлужной впадины установка чашки бесцементной фиксации по типу «press-fit» может быть рекомендована в случае протрузионного коксартроза 1−3 ст. при условии сохранности крыши, передней и задней стенок вертлужной впадины. 2−3 степени протрузии требуют применения различной Ж костной пластики.

3. Результаты математических расчетов надежности первичной фиксации трехрадиусного вертлужного компонента эндопротеза тазобедренного сустава бесцементной фиксации по типу «press-fit» отечественного производства, а также хорошие клинические и рентгенологические среднесрочные результаты (98% выживаемости в сроки наблюдения 22−56 мес.) дают нам основание прогнозировать длительную выживаемость данного типа вертлужного компонента.

4. Применение вертлужного компонента цементной фиксации с фланцами в экваториальной зоне, предназначенных для уплотнения цементной мантии на основании клинико-рентгенологических данных показало, что толщина цементной мантии в 90,32% случаев больше 2 мм, что является благоприятным условием для длительного функционирования эндопротеза вертлужной впадины. Применение чашек цементной фиксации без фланцев обеспечивает толщину цементной мантии более 2 мм только в 15,30% случаев. В этой связи предпочтительнее использование вертлужного компонента эндопротеза тазобедренного сустава цементной фиксации с приспособлением для уплотнения цементной мантии.

Практические рекомендации работы.

1. Установка чашки бесцементной фиксации по типу «press-fit» может быть применена при протрузионных вариантах развития артроза вертлужной впадины при условии сохранности крыши, переднейи задней стенок вертлужной впадины. 2−3 степени протрузии требуют применения различной костной пластики.

2. Использование оригинального трехрадиусного вертлужного компонента эндопротеза тазобедренного сустава бесцементной фиксации по типу «press-fit» отечественного производства (Имплант-МТ) должно быть активно внедрено в практику, поскольку теоретически, экспериментально и клинически доказало свою длительную выживаемость.

3. Чашки цементной фиксации с фланцами в экваториальной зоне показали свое явное преимущество над полусферическими аналогами в формировании равномерной цементной мантии более-2 мм. Это остро требует разработки и начало производства отечественного вертлужного компонента с приспособлениями для уплотнения цемента и формирования оптимальной цементной мантии при эндопротезировании вертлужной впадины тазобедренного сустава.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Лечение повреждений и заболеваний тазобедренного сустава является современной актуальной социально-медицинской проблемой (Корнилов Н. В. с соавт., 1993; Шапошников Ю. Г., 1993). Поражение тазобедренного сустава приводит человека к инвалидности и потере самообслуживания (Шапиро К. И., 1983). Очевидным на сегодняшний день является то, что необходимость в тотальном эндопротезировании тазобедренного сустава неуклонно растет, поскольку с увеличением средней продолжительности жизни и ростом числа людей пожилого возраста растет и количество заболеваний опорно-двигательного аппарата (Н.В. Загородний, 1998). Однако в эндопротезировании есть много проблем и задач, требующих решения. Одной из них является выживаемость вертлужного компонента. Деформации вертлужной впадины могут сильно отличаться в зависимости от формы коксартроза: гиперпластического, диспластического, протру з ионного.

Очень разноречивы показания к использованию цементной и бесцементной фиксации (М. Lind et al., 2002). Мировой опыт использования цементных техник гораздо богаче, нежели бесцементных. Однако современные бесцементные чашки со специальными покрытиями для остеоинтеграции, и метод фиксации «press-fit» небезосновательно претендуют на то, что бы быть использованными как при протрузии вертлужной впадины так и при выраженном остеопорозе. Даже не смотря на то, что сторонники цементного эндопротезирования говорят о большой вероятности асептической нестабильности бесцементного вертлужного компонента в отдаленном периоде (Stockl В. Et al., 1999; Toni A. et al., 2002; Leif I., 2000).

Наша работа посвящена анализу клинического материала и изучению среднесрочных и отдаленных результатов эндопротезирования больных с коксартрозами различной этиологии.

В период с 2001 по 2007 гг. нами наблюдалось 411 пациентов (437 клинических случаев) в возрасте от 16 до 82 лет (средний возраст 62 года), из них 214 женщины и 197 мужчин, оперированных на базах кафедры в ортопедических отделениях ГКБ № 31 и ГКБ № 13 г. Москвы. ,.

Мы рассматривали только те патологий тазобедренного сустава, где было показана установка цементных (129 клинических случаев) или бесцементных чашек (287 клинических случаев). Мы так же использовали материал 21 клинического случаях установленным укрепляющим кольцом в качестве контрольной группы для изучения поведения различных вертлужных компонентов при протрузионном варианте развития коксартроза. Среди случаев цементного эндопротезирования вертлужного компонента мы наблюдали пациентов с чашками простой сферической формы и с чашками, в конструкции которых предусматривалось какое-либо устройство, способствующее прессуаризации цемента во время установки, а так же с приспособлениями для равномерного распределения цементной мантии. Соответственно они были разделены на две, группы. Первая — чашки Мюллера различных фирм производителей (Sulzer, Имплант-МТ, Pliis-Opthopedics, Zimmer) и вторая — чашки Charnley с фланцами (DePuy).

Мы так же наблюдали поведение трехрадиусных бесцементных чашек отечественного производства фирмы «Имплант-МТ». В качестве контрольной группы были взяты трехрадиусные бесцементные чашки фирмы «Zimmer». Так как обе чашки имеют сходство в том, что они фиксируются по принципу «press-fit», вкладыши этих чашек сделаны из полиэтилена, а диаметр головок и в том и в другом случае составлял 28 мм.

Мы наблюдали поведение чашек цементной и бесцементной фиксации, установленных при следующий вариантах повреждения вертлужной впадины:

1. ВВ с выраженной гиперплазией костной ткани. Такой вид повреждения развивается чаще при гиперпластическом коксартрозе и характеризуется утолщенным дном и выраженными остеофитами. Количество наблюдаемых клинических случаев — 177 (40,5%).

2. ВВ с минимальными повреждениями. Данный вариант наблюдается при таких заболеваниях тазобедренного сустава как АНГБК, последствия травм (ЛСШБК и перелом шейки бедренной кости). В этих случаях деформация вертлужной впадины иногда и не развивается, поскольку в повреждение больше вовлечены головка и шейка бедренной кости. В эту группу былитакже включены те клинические случаи, где коксартроз рентгенологически характеризовался только лишь сужением суставной щели и остеофитами минимальных размеров. Количество наблюдаемых клинических случаев —152 (34,8%).

3. ВВ с протрузией дна. Такие впадины характеризуется тем, что дно истончено, остеофиты не выражены. Количество наблюдаемых клинических случаев — 65 (14,8%).

4. Диспластическая ВВ с характерной уплощенностью, дефектом стенок и крыши вертлужной" впадины. Количество наблюдаемых клинических случаев — 43 (9,9%).

Практически всех пациентов до операции беспокоил болевой синдром, вынуждающий постоянно применять анальгетики и пользоваться при ходьбе тростью или костылями. Дефицит объема движений в пораженном суставе составлял от 20 до 80%. Оценку функции тазобедренного сустава проводили по шкале Харриса. Результаты подсчета баллов по шкале Харриса до операции были плохими: менее 51,9±11,6 у 397 пациентов (96,6%): Однако у 14 (3,4%) больных до операции болевой синдром был незначителен, что при подсчете составило более 70 баллов (73,3±2,3). Основными жалобами таких пациентов было ограничение движений в тазобедренном суставе и укорочение нижней конечности.

Комплексный подход и тщательный анализ данных при помощи анамнестического, клинического, лабораторного, функционального и рентгенологического методов исследования дал нам достаточный объем информации дои послеоперационного периода каждого пациента. Анализ данных после операции перечисленными выше методами позволил выявить ряд закономерностей, необходимых для данной работы.

Совместно с Инженерно-медицинским центром «МАТИ-Медтех» «МАТИ» — Российского государственного технологического университета им. К. Э. Циолковского нами был проведен эксперимент в виде математического моделирования ВВ при установленном цементном и бесцементном вертлужном компоненте. Построенная нами математическая модель биомеханической системы отвечает следующим требованиям: обеспечивает высокое подобие объемной анатомической формы и размеров реальной системыучитывает гетерогенность структуры системы и ее компонентов, физико-механические свойства костных структур, костного цемента, материалов имплантата, характер и параметры взаимодействия на контактных поверхностях компонентовимитирует реальный характер функциональных нагрузок.

На сегодняшний день наиболее эффективным и, пожалуй, единственным численным методом решения подобных, биомеханических задач с учетом гетерогенного строения и сложного характера нагружения является метод конечных элементов (МКЭ). Он позволяет получать результаты на любой стадии процесса нагружения и основан на аппроксимации непрерывной искомой функции множеством кусочных взаимосвязанных подфункций, каждая из которых действует в пределах конечного элемента (Ильин А.А. и др. 2005).

Для исследования процессов нагружения биологических объектов пока не созданы специализированные программные средства, поэтому для анализа мы применили универсальную компьютерную программу ANSYS, Она позволяет создавать линейные, поверхностные и объемные твердотельные объекты, задавать типы конечных элементов, физико-механические свойства материалов, сетку конечных элементов, уравнения связи и ограничения.

Наши расчеты проводились исходя из того, что взаимного смещения компонентов не происходит, а совместимость деформации достигается за счет упругой деформации поверхностных слоев материалов компонентов. Такая ситуация моделируется заданием бесконечно больших коэффициентов трения указанных пар, что реализуется «связыванием» узлов сетки конечных элементов соседних компонентов. Взаимодействие пары «головка — чаша» характеризуется коэффициентом трения, который был определен Гаврюшенко Н. С. 2000 и равен 0,03.

В случае цементного эндопротезирования вертлужной впадины мы сделали акцент на изучении нагрузок в цементной мантии, поскольку она менее прочна, чем костная ткань. При этом напряжения распределяются примерно одинаково в костном ложе и в цементной мантии. В случае бесцементного эндопротезирования вертлужной впадины мы изучали нагрузки, возникающие в обработанном ложе. Это объясняется тем, что картина распределения нагрузок перед и после прохождения через металлическую чашку абсолютно разная. В таком случае наиболее интересно для анализа то, что происходит на границе «имплант-кость». А так как металлическая чашка имеет много больший запас прочности, то распределение нагрузок в разработанном ложе имеет важное значение для данного анализа.

Очевидно, что цементный метод фиксации вертлужного компонента является физиологичным для тех видов артроза вертлужной впадины, где не произошло значимого смещения центра ротации, которое случается при протрузии или дисплазии вертлужной впадины. Однако, при умеренной протрузии и при сохранных стенках и крыши вертлужной впадины приемлема установка бесцементного вертлужного компонента. С другой стороны в случае умеренной недостаточности костной массы по экватору разработанного ложа может быть поводом для установки цементного ацетабулярного компонента или даже укрепляющего кольца и противопоказанием для бесцементного.

В нашей работе было уделено внимание определению показаний применения бесцементного вертлужного компонента с фиксацией пресс-фит.

Наш эксперимент в виде математического моделирования посредством МКЭ показал, что радиальные и тангенциальные нагрузки в вертлужной впадине после бесцементного эндопротезирования с фиксацией пресс-фит распределяются таким образом, что их максимальные значения фиксируются по экватору чашки. В области же дна ВВ нагрузки на костную ткань практически не определяются. Это дало нам возможность предположить, что бесцементный ацетабулярный компонент не может усиливать протрузию после его установки. Благоприятным для установки вертлужного компонента так же является, тот факт, что стенки вертлужной впадины при данном виде коксартоза остаются достаточно массивными для полноценной пресс-фит фиксации.

Мы наблюдали 86 клинических случаев, где до операции протрузия головки бедренной кости была 2−3 степени по Загороднему. Всем этим пациентам было проведено тотальное эндопротезирвоание, из них в 15 случаев был установлен цементный, в 50-ти — бесцементный вертлужный компонент с фиксацией пресс-фит и в 21 случае было установлено кольцо Мюллера. Сроки наблюдения в той и в другой группе в среднем составили 32 мес. (22 мес. до 56 мес.). Средний возраст пациентов составил 56 лет (от 22 до 86). Каждому из наблюдаемых пациентов проводилась костная пластика дна вертлужной впадины аутоили ксенокостью.

При анализе рентгенограмм ни в той, ни в другой группе мы не обнаружили признаков > миграции вертлужного компонента с клиническими проявлениями. Однако в одном случае при цементной фиксации на 4-ом году наблюдения мы обнаружили линию просветления в зоне I по DeLee Chanley без клинических признаков нестабильности.

Особое внимание мы уделяли изменениям в зоне II по DeLee Chanley. Ни у • одного из пациентов в этой зоне не было изменения толщины внутреннего кортикального слоя на протяжении всего срока наблюдения, что говорит о том, что тенденции к протрузии нет. При осмотре пациентов клинически значимых признаков нарушения функции тазобедренного сустава у пациентов не выявлено.

Таким образом, учитывая результаты математического моделирования при помощи МКЭ, клинико-рентгенологические наблюдения и анализ интраоперационных ситуаций, мы пришли к выводу, что бесцементные чашки можно устанавливать при протрузионных коксартрозах 1−3 ст. по Загороднему Н. В. при условии сохранности крыши, передней и задней стенок ВВ.

Очевидно то, что первичная фиксация бесцементной чашки во многом определяется силой трения, которая возникает между костью и чашкой, удерживающая вертлужный компонент и степенью заклинивания вертлужного компонента в костном ложе.

Сила трения определяется шероховатостью поверхности чашки. Ею же определяется площадь соприкосновения кости и имплантата, а соответственно и степень дальнейшей остеоинтеграции. Пористая внешняя поверхность со средним размером открытых пор 100 — 500 мкм позволяет достичь максимальной силы трения между внешней поверхностью вертлужного компонента и костью (Левочкин А.А. 2003).

Опытным путем и на основании расчетов математического моделирования было установлено, что при посадке чашки в костное ложе, обработанное сферической фрезой, происходит упругая деформация кортикальной кости по краю вертлужной впадины и упруго-пластическая деформация спонгиозной кости по периметру чаши. Для наших механических расчетов мы взяли три варианта чашек: с одним, двумя и тремя радиусами. Радиальные сжимающие силы, возникающие при установке таких чашек, стремятся привести систему «чаша — кость» в состояние механического равновесия.

В первом случае, где мы имеем дело с однорадиусной чашкой, суммарный вектор радиальных сил стремиться вытолкнуть чашку из ВВ. В этом случае чашка может удержаться, только если силы трения, возникающей между шероховатой поверхностью чаши и костными структурами, окажется больше, чем показатели выталкивающих сил.

Следующий вариант чашки, который мы изучали — чашка с двумя радиусами, где расстояние от центра до экватора чашки (R2) больше, чем от центра до ее вершины (R1). Мы уменьшили расстояние R1, чтобы уменьшить силу упругости, которая возникает на вершине чашки и способствует ее выталкиванию. Таким образом, теоретически достигается более надежная фиксация, но, тем не менее, суммарный вектор сил по-прежнему направлен на выталкивание чашки, хотя и в меньшей степени (Левочкин А.А., 2003).

В содружестве с кафедрой материаловедения Московского авиационно-технологического института в 2003 году разработан и внедрен в повседневную клиническую практику отечественный вертлужный компонент бесцементной фиксациипо типу «Пресс-фит» (Патент DE 4 021 677С1, A61 °F 2/34). Его отличительной особенностью является 3-х радиусная форма, которая направлена на усиление первичной механической фиксации за счет снижения выталкивающих радиальных сил (Левочкин А.А., 2003, Ильин А. А. 2005).

R1 — центр окружности этого сферического сегмента чаши находится несколько ниже точки М. Это позволяет минимально упираться чашке в области ее верхушки в дно ВВ, что уменьшает силу упругости в этой зоне и минимизирует риск разрушения внутреннего кортикального слоя таза.

R2 — центр окружности этого сферического сегмента чаши находится в точке М. Это дает плотный контакт между чашкой и костью.

R3 — центр окружности этого сферического сегмента чаши находится несколько выше в точке S. Это позволяет направить вектор радиальных сжимающих сил во внутрь чашки, таким образом усилить заклинивающий эффект.

Теоретическое обоснование выживаемости данных чашек мы ч испытали на практике. Нами наблюдалось 124 клинических случая, оперированных с 2003 по 2007 гг. с бесцементной чашкой оригинальной конструкции. В качестве контрольной группы мы взяли пациентов с установленными чашками «Trilogy» фирмы Zimmer (США), установленных в то же период времени, в количестве 98 штук. Этот вид чашек были отобран в контрольную группу по двум причинам: они имеют бесцементную фиксацию «press-fit» и, согласно иностранной литературе, имеют отличные среднесрочные и отдаленные результаты выживаемости (Stiehl J.B. et al, 2001, Lewis R. et al, 2002). Средний срок наблюдения в обеих группах составил 28 мес. (5 — 92 мес.).