О механике эндопротеза тазобедренного сустава

О механике эндопротеза тазобедренного сустава

Архипов-Балтийский С.В.

Современная медицина и ортопедия, в частности, одной из своих главных целей имеют улучшение качества жизни человека. Особенно важен данный вопрос в отношении неизлечимых или хронических заболеваний, а также тех нозологических форм, патогенез которых окончательно не выяснен. В отношении их повышение качества жизни становится особенно актуальным. Одним из подобных заболеваний по праву считается коксартроз.

На сегодняшний день общепринятым стандартом эффективного лечения уже развившегося коксартроза является эндопротезирование. За более чем вековую историю эндопротезирования разработаны многие десятки конструкций искусственных тазобедренных суставов и способов их имплантации (Абелева Г.М. и соавт., 1994). Эндопротезы способны избавить человека от суставных болей, улучшают объем движений, способность к самообслуживанию и общению, возвращают пациента в привычный ранее ритм жизни. Положительные стороны эндопротезирования хорошо известны, однако данный способ лечения не лишен осложнений, а эффект его не всегда долгосрочный (Корнилов Н.В. и соавт., 1997). Одним из осложнений эндопротезировании является вывих головки тотального эндопротеза, который, по данным отдельных авторов, достигает 3.1% (Климов А.В. и соавт., 2004). Не меньшую опасность представляет повреждение и истирание полиэтиленового вкладыша (Berry D.J. et al, 1994), что отмечается преимущественно в его верхнем секторе. Одна из причин - технические недостатки конструкций эндопротезов, их существенное отличие от естественных суставов. С этим связано и то, что даже после успешного эндопротезирования механика опорно-двигательной системы и тазобедренного сустава восстанавливается не в полной мере. Практически у всех пациентов наблюдается хромота, асимметрия походки и некоторые нарушения статики (Эпштейн Г.Г. и соавт., 1993). Как показали электромиографические исследования, после эндопротезирования в области тазобедренного сустава наблюдается перегрузка мышц, их активность возрастает в 1.5 раза (Витензон А.С. и соавт., 2004). Означенное сказывается на физической и социальной активности человека, отражаясь на качестве его жизни (Корнилов Н.В. и соавт., 1997). По нашему мнению, улучшение конструкции эндопротеза может снизить риск возможных осложнений, повысить эффективность операций по замене суставов и, соответственно, улучшить качество жизни пациентов, перенесших подобные вмешательства.

Важными составными частями тазобедренного сустава являются не только сочленяющиеся суставные концы костей, но и капсульно-связочный аппарат, восстановление которого пока не получило широкого распространения. Одним из первых, кто предложил воссоздавать связочный аппарат тазобедренного сустава при его субтотальном протезировании, был Г.Е. Дудко (1989). Автор использовал аналог связки головки бедра для уменьшения вероятности вывиха эндопротеза. Идея данного исследователя по введению в конструкцию эндопротеза аналога связки головки бедра была нами развита (Архипов С.В., 1994; 1996) и проверена в эксперименте.

С целью экспериментального обоснования использования аналога связки головки бедра в эндопротезе нами создана трехмерная модель тазобедренного сустава. Основой бедренной части модели стал однополюсной эндопротез тазобедренного сустава конструкции Thompson. Его ножка с планкой, имитирующей большой вертел, установлена вертикально и закреплена на кольцевидном основании. 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 впадины, а снаружи присоединена планка, имитирующая крыло подвздошной кости. Главной особенностью данной трехмерной модели тазобедренного сустава явилось включение в конструкцию аналога связки головки бедра, в качестве которого использован крученый капроновый шнур. Одним концом он надежно соединялся с отверстием в центре фасонного углубления модели вертлужной впадины, а другим – с головкой бедренной части модели.

В первой серии экспериментов на головку бедренной части модели устанавливалась модель вертлужной впадины, которые не соединялись аналогом связки головки бедра. При этом отмечено, что модель была не стабильна, а тазовая часть стремилась опрокинуться, воспроизводя спонтанный вывих эндопротеза. Для стабилизации системы крайние отверстия планок бедренной и вертлужной части соединялись динамометром (безмен пружинный циферблатный, БПЦ-10-01). Пружина динамометра, по нашей мысли, имитировала действие отводящей группы мышц тазобедренного сустава и удерживала тазовую часть модели от опрокидывания. Для моделирования действия веса тела в одноопорном ортостатическом положении к крайнему отверстию цилиндрического стержня модели вертлужной впадины подвешивался груз массой 2 кг. После прекращения возникшего движения производилось считывание показаний прибора, которые в среднем составили 4 кг.

Во второй серии экспериментов капроновый шнур – аналог связки головки бедра одним концом соединялся с центральным отверстием вертлужной частью модели, а другим – с головкой бедренной части модели. Длина его части, расположенная в фасонной выточке, выбиралась таким образом, чтобы при полном соприкосновении трущихся поверхностей и максимальном наклоне вертлужной части вниз (имитация приведения и наклона таза в неопорную сторону), отверстие в головке располагалось около верхнего края фасонной выточки, а шнур при этом не ущемлялся. Было замечено, что добавление к модели элемента аналога связки головки бедра исключало возможность полного разобщения головки модели и модели вертлужной впадины. При имитации максимально возможного приведения в модели узел ее подвижности оказывался замкнут натянутым аналогом связки головки бедра, что обеспечивало повышенную стабильность во фронтальной плоскости и без подключения динамометра. Устойчивость модели в сагиттальной плоскости достигалось расположением ее тазовой части строго во фронтальной плоскости, что нивелировало действие сил, выводивших ее из равновесия. Так же, как и в первой серии экспериментов, бедренная и вертлужная части модели соединялись динамометром. После этого к цилиндрическому стержню тазовой части модели подвешивался груз массой 2 кг. Указанное моделировало условия равновесия в тазобедренном суставе при одноопорном ортостатическом положении, но уже с аналогом связки головки бедра. Отмечено, что динамометр не участвовал в поддержании равновесия тазовой части, а стрелка измерительного устройства не отклонялась.

Анализируя результаты первой серии экспериментов, можно утверждать, что в отсутствии аналога связки головки бедра имеется высокая вероятность вывиха эндопротеза. Она несколько снижается при участии отводящей группы мышц, благодаря которой головка эндопротеза прижимается к вкладышу вертлужного компонента. Кроме этого, удалось наглядно продемонстрировать саму возможность сохранения равновесия в одноопорном ортостатическом положении при участии только отводящей группы мышц.

Согласно современным представлениям, при опоре на одну нижнюю конечность, тазобедренный сустав, находящийся в покое, является примером равновесия рычага первого рода. Таз опирается на головку бедренной кости, а его горизонтальное положение уравновешивается во фронтальной плоскости моментами силы отводящих мышц и силы тяжести (Pauwels F., 1965). По R. Bombelli (1993) на головку бедренной кости сверху воздействует результирующая сил: веса тела и мышц. При этом основная нагрузка приходится на верхний сферический сектор головки бедренной кости. Соотношение плеч сил, действующих на тазобедренный сустав в одноопорном ортостатическом положении, составляет 1:3 (Hall M.C., 1963). Соответственно, при стоянии на одной ноге на тазобедренный сустав воздействует результирующая сила, эквивалентная приблизительно учетверенному весу тела. Именно она и обеспечивает наблюдаемый повышенный износ верхнего сектора вкладыша вертлужного компонента тотального эндопротеза тазобедренного сустава.

Вторая серия экспериментов продемонстрировала, что введение аналога связки головки бедра в конструкцию эндопротеза практически исключает вывих головки, который оказывается возможным только после повреждения искусственной связки. Кроме этого, благодаря натяжению аналога связки головки бедра подвижный узел эндопротеза замыкался во фронтальной плоскости при имитации приведения в тазобедренном суставе, что наблюдается в норме в одноопорном периоде шага. Соответственно, при наличии аналога связки головки бедра в эндопротезе тазобедренного сустава в момент максимального приведения бедра во фронтальной плоскости отводящая группа мышц разгружается, а таз удерживается от опрокидывания в неопорную сторону только силой реакции искусственной связки. Благодаря натяжению связки головки бедра тазобедренный сустав преобразуется в аналог рычага второго рода, так как уравновешивающие его силы располагаются по одну сторону от центра вращения. При этом оказывается, что в одноопорном ортостатическом положении и одноопорном периоде шага нагрузка перераспределяется с верхнего сектора головки бедренной кости на нижний. Расчеты показывают, что если длина плеча силы реакции связки головки бедра относится к длине плеча веса тела как 1:3, то нагрузка на нижний полюс головки составляет только удвоенный вес тела:

F3 = F2 - F1 = 3F1 - F1 = 2F1,

где F1 – вес тела, F2 – сила реакции аналога связки головки бедра, F3 – результирующая сила, воздействующая на головку эндопротеза.

Таким образом, приведенные экспериментальны данные и расчеты свидетельствуют, что введение в конструкцию тотального эндопротеза элемента аналога связки головки бедра позволит исключить вероятность вывиха головки из вертлужного компонента. В одноопорном ортостатическом положении и одноопорном периоде шага подвижный узел подобного эндопротеза будет замыкаться силой реакции аналога связки головки бедра, увеличит стабильность одноопорных положений, разгрузит отводящую группу мышц, а значит, уменьшит энергозатраты при ходьбе. Замыкание подвижного узла эндопротеза посредством элемента аналога связки головки бедра будет также способствовать снижению скорости истирания полиэтиленового вкладыша в верхнем его отделе. Все указанное позволит увеличить срок службы эндопротеза, уменьшит вероятность послеоперационных осложнений, приблизит механику ходьбы к норме, а в конечном итоге повысить качество жизни пациентов, перенесших тотальное протезирование тазобедренного сустава.

Список использованной литературы:

Абелева Г.М., Башуров З.К., Машков В.М. К истории развития эндопротезирования тазобедренного сустава за рубежом // Травматол., ортопед. России. - 1994. - №5. - С. 133-151.

Архипов С.В. Однополюсной эндопротез тазобедренного сустава конструкции С.В. Архипова // Заявка на изобретение №94038343/14 (038228) от 11.10.1994.

Архипов С.В. Тотальный протез тазобедренного сустава // Заявка на изобретение №96110296/14 (016120) от 23.05.1996.

Витензон А.С. и соавт. Электромиографические аспекты исследования больных после эндопротезирования тазобедренного сустава. / А.С. Витензон, К.А. Петрушанская, Г.П.Г риценко и др. // Биомеханика – 2004, VII всероссийская конференция по биомеханике / Тезисы докладов. – Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2004. - Том 2.  – С. 34-36.

Дудко Г.Е. Формирование связки головки бедренной кости при эндопротезировании // Ортопед., травматол. - 1989. - №12. - С. 57-58.

Климов А.В., Неверов В.А., Шильников В.А., Байбородов А.Б. Хирургические причины ранних вывихов эндопротеза тазобедренного сустава // Международный конгресс «Современные технологии в травматологии, ортопедии: ошибки и осложнения – профилактика, лечение» / Тезисы докладов. – Москва, 2004. – С. 55.

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.

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.

Berry D.J. et al Catastrophic failure of the polyethylene liner of uncemented acetabular component / D.J. Berry, C.I. Barnes, R.L. Scott et al // J. Bone Joint Surg. (Br) – 1994. - 76-B. – p.575-578.

Bombelli R. Structure and function in normal and abnormal hip: how to rescue mechanically jeopardized hip. – 3-rd. ed., rev. and enl. p. - Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag, 1993. - 221 p.

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

Pauwels F. Gesammelte Abhandlung zur funktionellen Anatomie des Bewegungsapparates – Berlin, Heidelberg, New York: Springer-verlag, 1965. – 543 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, биомеханика, эксперимент, ligamentum capitis femoris, связка головки бедра, круглая связка

Цитирование:

Архипов-Балтийский СВ. О механике эндопротеза тазобедренного сустава. Эндопротезирование в России. Выпуск I. Всероссийский монотематический сборник научных статей. Казань; Санкт-Петербург: АБАК, 2005:6-10.

Примечания:

Публикаций посвященная экспериментальному обоснованию создания эндопротеза тазобедренного сустава с аналогом ligamentum capitis femoris, с целью восстановления нормальной биомеханики ходьбы. 

СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Фиксаторы и эндопротезы