К основному контенту

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

Комментарии

Популярные статьи

Эксперименты на рычажной модели

  Эксперименты на рычажной модели тазобедренного сустава Согласно современным представлениям, тазобедренный сустав , articulatio coxae , в одноопорной ортостатической позе функционирует как аналог рычага первого рода, что зачастую для наглядности иллюстрируется изображением рычажных весов ( Pauwels F ., 1973). С целью дальнейшего изучения биомеханики нижней конечности мы изготовили упрощенную рычажную модель тазобедренного сустава (Рис. 1).   Рис. 1. Рычажная модель тазобедренного сустава (вид с поворотом в 3/4); обозначения: 1 – основание, 2 – грузовая мачта, 3 – кронштейн грузовой мачты, 4 – рычаг, 5 – нагрузка, 6 – динамометр, 7 – серьга динамометра. Рычажная модель тазобедренного сустава выполнена из металлических планок. Она имела горизонтальное основание. К нему прикреплялась грузовая мачта, в верхней точке которой имелся кронштейн. К средней части грузовой мачты присоединялся на горизонтальной оси рычаг, который имел возможность свободного вращения во фронтальной плоскости.

927-942Arabic Bible

  Фрагмент книги Берешит (Вначале) в переводе на арабский, который произвел Саадия Гаон (927-942). В тексте на арабском языке содержатся упоминания о ligamentum capitis femoris ( LCF ) животного и человека. Краткий комментарий смотри ниже. Перевод на английский доступен по ссылке: 927-942Arabic Bible . Цитата. [ a ra] التكوين 32:32 ( источник : 1653WaltonB, p. 145) Современные редакции: لذلك لا يأكل بنو اسرائيل عرق النّسا الذي على حقّ الفخذ الى هذا اليوم . لانه ضرب حقّ فخذ يعقوب على عرق النّسا ( источник : arabicbible.com ) لِذَلِكَ لا يَاكُلُ بَنُو اسْرَائِيلَ عِرْقَ النَّسَا الَّذِي عَلَى حُقِّ الْفَخِْذِ الَى هَذَا الْيَوْمِ لانَّهُ ضَرَبَ حُقَّ فَخْذِ يَعْقُوبَ عَلَى عِرْقِ النَّسَا (источник: copticchurch . net ) Перевод [ Rus ] Бытие 32:32 Точное переложение на русский язык в настоящее время недоступно нашему проекту. Выявлен перевод ключевого термина, обозначающего LCF : النّسا   ~ седалищный ( подробнее см. комментарий). Sa ʻ adia   ben   Joseph .  Pentateuch . 1600 , с

Новости в сети интернет (2004 год)

  Новости в сети интернет Архипов-Балтийский С.В. Содержание 1. Переворот в механике тазобедренного сустава 2. Обозначено новое научное направление 3. Установлена неизвестная ранее закономерность 4. Уточнение ключевых определений биологии 5. Новая трактовка значения сна 6. Уточнена функция связки головки бедра   1. Переворот в механике тазобедренного сустава Установлено, что в ортостатическом положении с опорой на одну ногу, а также в середине одноопорного периода шага, тазобедренный сустав функционирует как рычаг второго рода. Это обеспечивается за счет натяжения связки головки бедра, ограничивающей приведение бедра и наклон таза в неопорную сторону. Благодаря связке головки бедра происходит замыкание тазобедренного сустава во фронтальной плоскости. При этом основная нагрузка приходится на нижние сектора головки бедренной кости и вертлужной впадины. До сих пор считалось, что в одноопорном ортостатическом положении тазобедренный сустав функционирует как рычаг первого рода. Таз удержива

922-722bcElohist

  Фрагмент книги Берешит (Бытие) утраченного библейского источника Элохист, начертанного палеоеврейским письмом. Вариант древнейшего описания повреждения ligamentum capitis femoris ( LCF ) и причины хромоты возрастом 922-722 гг. до совр. эры. Краткий комментарий смотри ниже. Перевод на английский доступен по ссылке: 922-722 bcElohist . Цитата . [ Paleo-Hebrew ] Elohist . Bereshit 32:32-33 (источник: 5784 Moshe   Ben   Amram , стр. 41; правка наша ) Перевод [ Rus ] Элохист. Берешит 32:32-33 И засияло ему солнце, когда он проходил Пынуэйл; а он хромал на бедро свое. Поэтому не едят сыны Исраэйлевы сухой жилы, которая из сустава бедра, до нынешнего дня , потому что коснулся тот сустава бедра Яакова в жилу сухую. (наша правка-реконструкция версии 1978БроерМ_ЙосифонД, Берешит 32:32-33; сохранен текст 922-722 гг. до совр. эры, принадлежащий утраченному библейскому источнику «Элохист») Moshe Ben Amram. Pentateuch in Paleo-Hebrew, 5784. Внешние ссылки Moshe Ben Amram. Pentateuch in Pal

Моделирование одноопорной ортостатической позы при коксартрозе с горизонтальным положением таза

    Моделирование одноопорной ортостатической позы при коксартрозе с горизонтальным положением таза [1] . Введение [2] . Моделирование одноопорной ортостатической позы при коксартрозе без наклона таза в сагиттальной плоскости [3] . Моделирование одноопорной ортостатической позы при коксартрозе с наклоном таза вперед [4] . Моделирование одноопорной ортостатической позы при коксартрозе с наклоном таза назад   [1] . Введение В настоящей серии экспериментальных исследований предпринято изучение взаимодействия связок и мышц тазобедренного сустава, articulatio coxae , при коксартрозе в одноопорной ортостатической позе с горизонтальным положением таза, pelvis . Для постановки опытов нами использована модифицированная модель тазобедренного сустава , которая содержала бедренную часть и объемную тазовую часть с прикрепленной к ней нагрузкой 1 кг. Последняя моделировала действие веса тела и присоединялась к крайнему отверстию грузового кронштейна, находящемуся на уров

Моделирование начала двухопорного периода шага при коксартрозе

  Моделирование начала двухопорного периода шага при коксартрозе [1] . Введение [2] . Моделирование начала второго двухопорного периода шага при коксартрозе [1] . Введение В настоящей серии экспериментов предпринято изучение взаимодействия связок и мышц тазобедренного сустава, articulatio coxae , в начале двухопорного периода шага при коксартрозе. Для постановки опытов нами использована  модифицированная механическая модель.  Конструкция содержала бедренную часть и объемную тазовую часть с прикрепленной к ней нагрузкой 1 кг. Последняя моделировала действие веса тела и присоединялась к крайнему отверстию грузового кронштейна, находящемуся на уровне изображения межпозвонкового диска L 5- S 1 позади плоскости объемной тазовой части. Точка расположения груза воспроизводила общий центр масс тела, локализующийся медиальнее, выше и позади от тазобедренного сустава, articulatio coxae .   Модель воспроизводила функцию трех основных групп мышц тазобедренного сустава, articul

8cent.bcHomer.

  Фрагмент поэмы Гомера Илиада ( Ὅμηρος . Ἰλιάς , ок. 8 в. до совр. эры). Поэт описывает открытый переломо-вывих бедра, который обычно сопровождается повреждением ligamentum capitis femoris ( LCF ). Наш краткий комментарий смотри ниже. Перевод на английский доступен по  ссылке: 8cent.bcHomer .  Цитируемый нами отрывок упоминается в трудах иных авторов: 177-180bGalen , 976-1115TheophilusProtospatharius , 1603IngrassiaeIP , 1724FabriciusJA , 1842GreenhillGA , 2020АрхиповСВ_ПролыгинаИВ . Цитата. [Grc] Ἰλιάς . E . 302-310. (источник: 1 8 9 0Homer ,  p .  9 1) Перевод Илиада. Песнь пятая. Подвиги Диомеда. 302-310. С криком ужасным. Но камень рукой захватил сын Тидеев, Страшную тягость , какой бы не подняли два человека Ныне живущих людей , — но размахивал им и один он; Камнем Энея таким поразил по бедру, где крутая Лядвея ходит в бедре по составу, зовомому чашкой: Чашку удар раздробил, разорвал и беде́рные жилы, Сорвал и кожу камень жестокий. Герой пораженный Пал на колено вперед; и, кол

5-6cent.Georgian Bible

  Фрагмент книги Рождение (Бытие) грузинской Библии ( 5-6 в. ). В тексте на старогрузинском языке содержатся упоминания о ligamentum capitis femoris ( LCF ) животного и человека. Краткий комментарий смотри ниже. Перевод на английский доступен по ссылке: 5-6cent.Georgian Bible . Цитата. [ Geo ( asomtavruli ) ] Ⴜიგნი პირველი Ⴃაბადებისაჲ 32:32 ამისთჳს არა ჭამიან ძეთა ისრაჱლისათა ძარღჳ იგი , რომელ დაუბუშა , რომელი არს ვრცელსა ბარკლისასა , ვიდრე დღენდელად დღედმდე , რამეთუ შეახო ვრცელსა ბარკლისა იაკობისსა , რომელ დაუბუშა . (источник: titus . fkidg 1. uni - frankfurt . de ) (источник: 1 989 წიგნნი   ძუელისა   აღთქუმისანი  [Акакий Шанидзе] , стр. 199-200) Перевод [ Rus ] Рождение 32:32 Переложение на русский язык в настоящее время недоступно нашему проекту. Выявлен перевод ключевого термина: ძარღჳ = ძარღვი = жила (1901ЧубиновДИ; подробнее см. комментарий). Внешние ссылки წიგნნი ძუელისა აღთქუმისანი 978 წლის ხელნაწერის მიხედვით: ტომი 1, ნაკვეთი 1: დაბადებისაჲ. გამოსლვათ

Моделирование асимметричной двухопорной ортостатической позы

  Моделирование асимметричной двухопорной ортостатической позы Различают два основных типа вертикальной позы с опорой на две нижние конечности: симметричная двухопорная ортостатическая поза и асимметричная двухопорная ортостатическая поза (Рис. 1). Рис. 1. Основные типы двухопорной ортостатической позы; слева – симметричная двухопорная ортостатическая поза, справа – асимметричная двухопорная ортостатическая поза. Симметричная двухопорная ортостатическая поза характеризуется горизонтальным положением таза,   pelvis , и равномерной нагрузкой на обе выпрямленные в коленных суставах,   articulatio   genum , нижние конечности. В асимметричной двухопорной ортостатической позе (асимметричный тип стояния или стойка «вольно»), одна из ног выпрямлена, а другая согнута в коленном суставе,   articulatio   genum , и тазобедренном суставе,   articulatio   coxae . При этом таз,   pelvis , располагается под углом к горизонту (Недригайлова О.В., 1967; Иваницкий М.Ф., 1985). Означенные типы вертикальной