Прототип тотального эндопротеза тазобедренного сустава со связочным аппаратом

 

Прототип тотального эндопротеза тазобедренного сустава со связочным аппаратом

Архипов-Балтийский С.В.

Более столетия прошло с того момента, когда Delbet (1903) сообщил об первых имплантациях искусственной головки бедра из слоновой кости, открыв тем самым эру эндопротезирования тазобедренного сустава у человека (Абелева Г.М. и соавт., 1994). За этот период предложены сотни различных конструкций этого сустава с четкой тенденцией к увеличению количества имплантаций (Корнилов Н.В. и соавт., 1997). Согласно публикациям последних лет, во многих крупных клиниках России, данное хирургическое вмешательство стало рутинной операцией при неуклонном снижении количества осложнений. Несмотря на постоянное совершенствование конструкций эндопротезов, исследователи биомеханики опорно-двигательной системы после эндопротезирования отмечают отсутствие полного восстановления нормальных параметров ходьбы даже при удачном исходе операции (Эпштейн Г.Г. и соавт., 1993, Беленький В.Е., Куропаткин Г.В., 1994).

При любой методике эндопротезирования, вне зависимости от диагноза и типа искусственного сустава, необратимо повреждается связка головки бедренной кости, а также наружные связки, вплетенные в суставную сумку. По возможности наружные связки сшиваются после установки эндопротеза, однако в ряде случаев часть суставной сумки приходится иссекать с образованием дефекта. Вместе с тем известно, что связочный аппарат тазобедренного сустава имеет существенное значение для его нормального функционирования. Так, В.А. Неверов, В.А. Шильников (1993) считают, что связка головки бедренной кости играет важную роль в биомеханике тазобедренного сустава, что согласуется с нашей точкой зрения (Архипов-Балтийский С.В., 2004). По мнению ряда авторов, подвздошно-бедренная связка ограничивает разгибание в тазобедренном суставе (Кованов В.В., Травин А.А., 1963; Минеев К.П., 1995), и способна замыкать его в сагиттальной плоскости (Николаев Л.П., 1947). Седалищно-бедренная связка ограничивает внутреннюю ротацию (пронацию) в тазобедренном суставе (Иваницкий М.Ф., 1985), а лобково-бедренная связка – наружную ротацию (супинацию) (Ревенко Т.А., 1968). Отсюда можно заключить, что повреждение связок сустава до операции либо в процессе эндопротезирования неизбежно должно приводить к биомеханическим нарушениям.

Развивая свои идеи усовершенствования эндопротеза, описанная нами ранее трехмерная механическая модель тазобедренного сустава (Архипов-Балтийский С.В., 2005), была усовершенствована и максимально приближена к реальности (Рис.1). Ножка бедренной части модели с планкой, имитирующей большой вертел, закреплена на кольцевидном основании в позиции антеверзии 10° и приведении 10°, что характерно для бедра в одноопорном ортостатическом положении. В соответствии с диаметром головки выполнена металлическая модель вертлужной впадины, имевшая вид толстостенной сферической оболочки с цилиндрическим стержнем с отверстиями. Внутри ее выбрано фасонное углубление, напоминающее по форме ямку и вырезку вертлужной падины, а снаружи присоединена планка, имитирующая крыло подвздошной кости. Модели вертлужной впадины придан наклон кнаружи и вниз 48°. Модель содержала аналог связки головки бедра, в качестве, которого использован капроновый шнур. Одним концом он надежно соединялся с отверстием в центре фасонного углубления модели вертлужной впадины, а другим – с головкой бедренной части. Кроме этого, в конструкцию введены капроновые аналоги наружных связок: подвздошно-бедренной состоящей из двух частей, седалищно-бедренной, лобково-бедренной связок, круговой зоны, а также полиэтиленовый аналог вертлужной губы. Ориентация связок и локализация областей крепления воспроизводились с максимально возможной точностью. Обе части модели соединялись динамометром, пружина которого имитировала функцию отводящей группы мышц, а в узел трения вводилась смазочное масло – аналог синовии.

     

Рис. 1. Внешний вид усовершенствованной трехмерной механической модели тазобедренного сустава со связочным аппаратом и вертлужной губой. 

Как известно, общий центр масс располагается кзади, выше и кнутри от центра опорного тазобедренного сустава (Hall M.C., 1963). Для воспроизведения на модели реального положения общего центра масс, тазовая часть снабжена грузовой планкой, обращенной вверх и к центру кольцевидной опоры, а на ее конце закреплен кронштейн, обращенный назад. В качестве нагрузки использовались стандартные гири для скелетного вытяжения массой от 1 до 3 кг. В отдельных экспериментах они подвешивались непосредственно к грузовой планке, что имитировало действие нагрузки в одной фронтальной плоскости с центром шарнира модели. В других опытах гири закреплялись на конце кронштейна грузовой планки, что воспроизводило нормальное действие общего центра масс в одноопорном ортостатическом положении.

Первоначально изучены свойства трехмерной механической модели без связочного аппарата. Далее исследована функция только связки головки бедренной кости в отсутствии прочих элементов. Затем конструкция поэтапно усложнялась путем введения в нее аналогов наружных связок тазобедренного сустава, вертлужной губы, аналога отводящей группы мышц и синовии. Изучалось изменение объема подвижности в шарнире модели, наличие и направление спонтанных движений, величина усилия, развиваемая аналогом отводящей группы мышц, направление действия результирующей силы.

Установлено, что аналог связки головки бедренной кости препятствует вывиху головки, ограничивает приведение и фронтальный люфт в шарнире, замыкает его во фронтальной плоскости, преобразуя модель в рычаг второго рода. При этом результирующая нагрузка воздействует на головку снизу, а аналог отводящей группы мышц разгружается. В позиции максимального приведения аналог связки головки бедренной кости обуславливает появление горизонтальной силы, прижимающей модель вертлужной впадины к головке, и вызывает автоматическое отведение при ротации. Из крайнего положения супинации и пронации тазовая часть под нагрузкой весом тела спонтанно устанавливается в среднем положении в горизонтальной плоскости, что было обозначено нами как эффект автостабилизации. Отмечено, что при наличии аналога связки головки бедренной кости воспроизведение сгибания обуславливает увеличение максимально возможного приведения.

На модели выяснено, что изолированная поперечная часть подвздошно-бедренной связки ограничивает приведение. Нисходящая часть подвздошно-бедренной связки ограничивает разгибание и способна замыкать тазобедренный сустав в сагиттальной плоскости даже без участия мышц. Седалищно-бедренная связка, прежде всего, ограничивает пронацию, а лобково-бедренная связка – супинацию в тазобедренном суставе. Круговая зона, кроме объединения наружных связок в единый комплекс, может участвовать в ограничении приведения. Вертлужная губа в норме герметизирует ацетабулярную часть сустава и является упруго-эластическим препятствием к смещению головки бедренной кости кнаружи. Отводящая группа мышц обеспечивает активное отведение, способна ограничивать приведение и препятствует латеральному смещению головки бедренной кости. Синовиальная жидкость однозначно снижает трение и, по-видимому, является жидким демпфирующим элементом в суставе. Соответственно, экспериментально показано, что каждый из анатомических элементов тазобедренного сустава выполняет важную механическую функцию. Изменение размеров или удаление любого из них неизбежно должно приводить к нарушению биомеханики.

В заключительных экспериментах исследованы свойства трехмерной механической модели тазобедренного сустава с полным набором аналогов его составных частей. Аналоги связок ограничивали все вращательные движения и фронтальный люфт в шарнире. Контакта края модели вертлужной впадины и шейки бедренной части модели никогда не наблюдалось, что характерно и для нормального тазобедренного сустава. В средней позиции в сагиттальной плоскости приведение ограничивалось аналогом отводящей группы мышц. На модели тазобедренного сустава имитировано одноопорное ортостатическое положение. Воспроизведение действия нагрузки в одной фронтальной плоскости с центром шарнира модели показало, что аналог отводящей группы мышц напрягается, уменьшая степень натяжения аналога связки головки бедренной кости. Это наглядно доказывает факт возможной разгрузки отводящей группы мышц за счет натяжения связки головки бедренной кости.

При тех же условиях, но в отсутствии аналога связки головки бедренной кости нагрузка, регистрируемая динамометром, была существенно больше. Пружина динамометра противодействовала нагрузке, расположенной по другую сторону от центра узла подвижности модели. Величина приведения в шарнире увеличивалась, сама модель функционировала как аналог рычага первого рода, а результирующая сила воздействовала на головку модели сверху, нагружая верхние сектора пары трения.

Для свободного ненапряженного одноопорного ортостатического положения – «слабый» тип стойки по В.Е. Беленькому (1962), характерен наклон таза в неопорную сторону приведение бедра и разгибание в тазобедренном суставе. Отмечено, что основные черты подобной стойки автоматически воспроизводятся при расположении общего центра массы тела кзади, выше и кнутри от центра шарнира путем подвешивания гири к кронштейну грузовой планки тазовой части модели.

Под действием нагрузки в узле подвижности наблюдалось спонтанное разгибание, приведение и умеренная супинация. Аналог отводящей группы мышц оказывался полностью разгруженным вне зависимости от величины использованного груза. Разгибание ограничивалось нисходящей частью аналога подвздошно-бедренной связки, а приведение – натяжением аналога связки головки бедренной кости. Шарнир модели замыкался одновременно во фронтальной и сагиттальной плоскости аналогами вышеозначенных связок. В горизонтальной плоскости тазовая часть стабилизировалась за счет взаимодействия натянутого аналога подвздошно-бедренной связки и аналога связки головки бедренной кости. В описанной позиции аналог связки головки бедренной кости был отклонен в сагиттальной и фронтальной плоскости. Его стремление к вертикальности под действием нагрузки обеспечивало прижатие одной поверхности пары трения к другой. Соответственно, без участия аналога отводящей группы мышц тазовая часть модели стабилизировалась одновременно в трех плоскостях и имела высокую степень устойчивости, несмотря на то, что точка приложения нагрузки находилась выше центра шарнира.

После воспроизведения на модели отведения, а также сгибания тазовая часть спонтанно возвращалась в исходную позицию. При супинации или пронации в узле подвижности наблюдалось автоматическое отведение. Из крайних положений ротации под действием груза наблюдался эффект спонтанного вращения тазовой части модели в горизонтальной плоскости с установкой ее в первоначальном положении. Поступательное смещение тазовой части модели медиально с предельным разобщением шарнира обуславливало появление силы, стремящейся переместить ее назад в латеральном направлении. Данные явления были обусловлены исключительно взаимодействием сил реакции аналогов связок и действием нагрузки. Участия аналога отводящей группы мышц в выявленных спонтанных движениях и стабилизации тазовой части модели не наблюдалось. Благодаря натяжению аналога связки головки бедренной кости, модель во фронтальной плоскости функционировала как рычаг второго рода, а результирующая нагрузка воздействовала на нижние сектора пары трения.

Анализируя результаты экспериментов на трехмерной механической модели тазобедренного сустава со связочным аппаратом, установлено, что высокая устойчивость в одноопорном ортостатическом положения с расслабленной отводящей группой мышц («слабый» тип стойки) обеспечивается функционированием связочного аппарата. Нисходящая часть подвздошно-бедренной связки замыкает тазобедренный сустав в сагиттальной плоскости, препятствуя запрокидыванию таза назад. Связка головки бедренной кости замыкает тазобедренный сустав во фронтальной плоскости, не позволяя неопорной половине таза избыточно опускаться вниз. Взаимодействие двух указанных связок и веса тела стабилизирует таз в горизонтальной плоскости. Напряжение же отводящей группы мышц способно разгрузить связку головки бедренной кости, а сокращение прямой головки квадрицепса бедра – нисходящую часть подвздошно-бедренной связки. И наоборот, полное натяжение указанных связок разгружает контролирующие их мышцы.

Выявленный эффект авторотации позволяет предположить, что перемещение таза вперед в горизонтальной плоскости в начале одноопорного периода шага в значительной степени обусловлено натяжением связок. При размеренной ходьбе мышцы лишь управляют этим процессом, а по мере необходимости придают ему большую или меньшую скорость.

В начальном периоде шага тазобедренный сустав функционирует как аналог рычага первого рода. До его замыкания во фронтальной плоскости, натянутой связкой головки бедра, стабилизация таза обеспечивается отводящей группой мышц, а результирующая нагрузка воздействует на верхний сектор головки бедренной кости. После достижения предельного приведения и натяжения связки головки бедренной кости сустав преобразуется в рычаг второго рода. При этом результирующая нагрузка перемещается на нижний сектор головки бедра.

Соответственно, ликвидация при эндопротезировании тазобедренного сустава связки головки бедренной кости предопределяет нагрузку только верхних секторов пары трения во все периоды шага. Это приводит к ускоренному истиранию хрящевого покрова верхнего сектора полулунной поверхности при субтотальном эндопротезировании или верхнего сектора полиэтиленового вкладыша при тотальном замещении тазобедренного сустава. Введение в конструкцию искусственного тазобедренного сустава элемента аналога связки головки бедра, позволит замедлить скорость износа узла подвижности. Его функционирование при ходьбе

, уменьшит мышечное усилие пронаторов, обеспечивая авторотацию таза в горизонтальной плоскости, а в одноопорном ортостатическом положении и в средине одноопорного периода шага разгрузит отводящую группу мышц.

Экспериментальные данные свидетельствуют и о важности подвздошно-бедренной связки. В связи с этим более предпочтительны подходы к тазобедренному суставу без ее повреждения, а после вынужденного пересечения обязателен ее шов. В случаях невозможности восстановить подвздошно-бедренную связку одним из вариантов может быть введение в конструкцию эндопротеза – элемента ее аналога. Это позволит уменьшить нагрузку на переднюю группу мышц в ортостатическом положении и ходьбе, замыкая тазобедренный сустав в сагиттальной плоскости, обеспечит в содружестве с аналогом связки головки бедра стабилизацию таза в горизонтальной плоскости в одноопорном ортостатическом положении. При повреждении или существенном изменении других наружных связок тазобедренного сустава, с нашей точки зрения, так же показано их восстановление путем введения соответствующих элементов аналогов в конструкцию искусственного сустава.

Воссоздание связочного аппарата при замещении тазобедренного сустава эндопротезом позволит увеличить стабильность ортостатических положений, улучшит биомеханику ходьбы, снизит ее энергоемкость, а также будет способствовать увеличению срока безотказного функционирования узла подвижности имплантированной конструкции. Прототипом подобного эндопротеза со связочным аппаратом может стать использованная нами в экспериментах трехмерная механическая модель тазобедренного сустава (подробнее см. авторский сайт «Морфомеханика» www. enet.ru /~archipov/).

Литература

Абелева Г.М., Башуров З.К., Машков В.М. К истории развития эндопротезирования тазобедренного сустава за рубежом // Травматол. и ортопед. России. – 1994. – №5. – С.133-155.

Архипов-Балтийский С.В. Новая механика тазобедренного сустава // Медэлектроника-2004. Средства медицинской электроники и новые медицинские технологии / Материалы Международной научно-технической конференции. – Мн.: БГУИР, 2004. – С.82-85.

Архипов-Балтийский С.В. О механике эндопротеза тазобедренного сустава // Эндопротезирование в России. – Вып.1. – Казань – СПб.:АБАК, 2005. – С.6-10.

Беленький В.Е. Некоторые вопросы биомеханики тазобедренного сустава. - Дисс. … канд. мед. наук. – М., 1962. – 249 с.

Беленький В.Е., Куропаткин Г.В. Что такое ходьба (диалог ортопеда и биомеханика) // Вестн. травматол. и ортопед. – 1994. – №4. – С.57-61.

Иваницкий М.Ф. Анатомия человека. – Изд. 4-е, исправ. – Т.1. - М.: Физкультура и спорт, 1965. - 520 с.

Кованов В.В., Травин А.А. Хирургическая анатомия нижних конечностей. – М.: 1963. - 567 с.

Корнилов Н.В., Войтович А.В., Машков В.М., Эпштейн Г.Г. Хирургическое лечение дегенеративно-дистрофических поражений тазобедренного сустава. – СПб.: «ЛИТО Синтез», 1997. – 292 с.

Минеев К.П. Операции на покровах тела и конечностях: Учеб. пособие. - Ульяновск: Симбирская книга, 1995. – 238 с.

Неверов В.А., Шильников В.А. Способ формирования искусственной связки головки бедра при эндопротезировании // Вестн. хирург. – 1993. – №7-12. – С.81-83.

Николаев Л.П. Руководство по биомеханике в применении к ортопедии, травматологии и протезированию. – Киев: Государственное медицинское издательство УССР, 1947. – 316с.

Ревенко Т.А. Хирургическое лечение нарушений опороспособности бедра. – Киев: Здоров’я, 1968. - 212 с.

Эпштейн Г.Г., Гринштейн Е.Я., Воронцов С.А., Белянин О.Л. Состояние статикодинамической функции после тотального эндопротезирования тазобедренного сустава // Материалы VI съезда травматологов-ортопедов СНГ. – Ярославль, 1993. – С.208-209.

Hall M.C. The locomotor system. Functional anatomy – Springfield: Charles C Thomas publisher, 1963. – 563 p.

Автор:

Архипов С.В. – С.В. Архипов-Балтийский это псевдоним, который использовался до начала 2006 года с целью более точной дифференцировки на научном поле.

Полесская центральная районная больница

238630, Россия, Калининградская область, г. Полесск, ул. Советская д.4, E-mail: archipovkgd@mail.ru,

Ключевые слова:

тазобедренный сустав, эндопротез, эксперимент, биомеханика, ligamentum capitis femoris, связка головки бедра, круглая связка

Цитирование:

Архипов-Балтийский СВ. Прототип тотального эндопротеза тазобедренного сустава со связочным аппаратом. Эндопротезирование в России. Выпуск II. Всероссийский монотематический сборник научных статей. Казань; Санкт-Петербург: Центр оперативной печати, 2006:7-14.

Примечания:

Публикация посвящена изучению прототипа эндопротеза тазобедренного сустава с аналогами наружных связок и ligamentum capitis femoris, уточнены особенности мышечно-связочного взаимодействия и распределения нагрузок в ортостатических позах и при ходьбе. Рассмотренная концепция эндопротезирования с реконструкцией связочного аппарата позволит уменьшить частоту вероятных осложнений. 

Сайт автора www. enet.ru / ~archipov «Морфомеханика» в настоящее время доступен в архиве [web.archive.org]

СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Фиксаторы и эндопротезы