Клинико-экспериментальное обоснование эндопротеза тазобедренного сустава с аналогом связки головки бедренной кости

 

Клинико-экспериментальное обоснование эндопротеза тазобедренного сустава с аналогом связки головки бедренной кости

Архипов С.В. 

Аннотация

Выполнено клинико-экспериментальное обоснование эндопротеза тазобедренного сустава (ТБС) с аналогом связки головки бедренной кости. На плоскостной и трехмерной модели исследована его биомеханика. Уточнена функция связки головки бедренной кости и ее взаимодействие с отводящей группой мышц во фронтальной плоскости. Использованная в экспериментах трехмерная модель может явиться прототипом эндопротеза ТБС нового.

Введение

Основой эндопротезирования ТБС является ясное понимание его биомеханики. Существенный вклад в ее осмысление привнесли исследования F. Pauwels и R. Bombelli, [1, 2], а применительно к эндопротезированию ТБС – работы J. Charnley [3]. К настоящему времени создано значительное количество вариантов эндопротеза ТБС. Несмотря на это, проблемы вывиха и износа пары трения остаются актуальными [4, 5].

По мнению большинства исследователей, в одноопорном ортостатическом положении (ООП) эндопротез ТБС функционирует как аналог рычага первого рода. Действие веса тела уравновешивается усилием отводящей группы мышц. При этом результирующая сила действует на головку эндопротеза сверху и составляет приблизительно четырехкратный вес тела [3]. В современных эндопротезах ТБС, выпускающихся промышленно, не предусмотрено введение аналога связки головки бедренной кости (СГБК). Вместе с тем известно, что присутствующая в нормальном ТБС СГБК ограничивает приведение бедра [6], играет важную роль в биомеханике ТБС и препятствует вывиху [7]. Стремление уменьшить частоту вывиха головки эндопротеза послужило основанием для отдельных исследователей вводить в конструкцию эндопротеза ТБС аналог СГБК [7, 8]. Однако, как показал анализ литературы, функция СГБК до конца не изучена, а теория биомеханики эндопротеза ТБС с ее аналогом не разработана.

Цель исследования

Уточнить функцию СГБК, ее взаимодействие с отводящей группой мышц, разработать и обосновать концептуальную модель эндопротеза ТБС с аналогом СГБК, рассмотреть его биомеханику в ООП.

Материал и методы

Клинически обследовано 104 мужчины в возрасте от 18 до 24 лет (в среднем 18.9 лет) без признаков патологии ТБС. Изучены особенности напряженного ООП («сильный» тип стойки) и ненапряженного ООП («слабый» тип стойки) [9]. Измерена величина угла приведения в ненапряженном ООП, а также величина угла приведения в положении лежа на животе с пассивным замыканием ТБС во фронтальной и сагиттальной плоскости связочным аппаратом без участия мышц.

Для уточнения функции СГБК и отводящей группы мышц выполнена плоскостная механическая модель ТБС, содержащая аналоги указанных структур. На жесткий картон раздельно скопированы с рентгенограммы, а затем вырезаны: таз и проксимальная часть бедренной кости. В качестве аналога СГБК использована капроновая нить, соединявшая центр изображения ямки головки бедренной кости с точкой в нижнем отделе изображения ямки вертлужной впадины. В качестве аналога отводящей группы мышц использован тонкий резиновый шнур диаметром 1 мм. Один его конец соединялся с верхним краем изображения крыла подвздошной кости, а другой – с большим вертелом бедренной части. Моделированы условия равновесия таза во фронтальной плоскости при ООП. Изучены объем возможных движений и локализация зон нагрузки в отсутствии аналога СГБК и отводящей группы мышц и при их наличии в различных сочетаниях.

Из металла выполнена трехмерная концептуальная модель эндопротеза ТБС с аналогом СГБК и отводящей группы мышц. Основой бедренной части стал однополюсной эндопротез ТБС конструкции Томпсона, закрепленный на кольцевидном основании и снабженный планкой, имитирующей большой вертел. В соответствии с диаметром головки выполнена модель вертлужной впадины. Внутри ее выбрано фасонное углубление, напоминающее по форме ямку и вырезку вертлужной впадины. Снаружи присоединена планка, имитирующая крыло подвздошной кости, и планка для подвешивания нагрузки. В качестве аналога СГБК использован капроновый шнур, соединявшийся с центром фасонного углубления модели вертлужной впадины и с головкой бедренной части. Отводящая группа мышц имитирована динамометром, а в узел трения вводилось смазочное масло.

Свойства модели изучены при отсутствии аналога СГБК и отводящей группы мышц, а также при их наличии в различных сочетаниях. В отдельных экспериментах изменялась длина аналога отводящей группы мышц, что воспроизводило различную степень напряжения мышцы. Уточнены возможные движения в шарнире модели, их объем и элементы ограничители. Моделированы условия равновесия таза во фронтальной плоскости при ненапряженном и напряженном типе ООП с эндопротезом, содержащим аналог СГБК.

Результаты и обсуждение

Анализ данных, полученных при клиническом обследовании, позволил выявить, что наиболее комфортным и достаточно устойчивым является ненапряженное ООП. Для него характерно приведение, разгибание и супинация в ТБС, а также наклон таза вниз во фронтальной плоскости при минимальном мышечном напряжении. Угол максимального приведения в ТБС составил 18.51±2.29°, медиана и мода 19°. В положении лежа на животе при замыкании ТБС в сагиттальной плоскости без участия мышц угол приведения был равен 19.09±2.52°, а медиана и мода – 19°. Средние значения угла приведения в ненапряженном ООП и лежа практически неразличимы (t=0.21), а коэффициент корреляции 0.90 при уровне достоверности P<0.001. Эти данные свидетельствуют, что в ненапряженном ООП наблюдается замыкание ТБС во фронтальной плоскости, прежде всего связочным аппаратом с минимальным участием мышц.

В экспериментах на моделях установлено, что в норме СГБК препятствует вывиху, ограничивает приведение в ТБС. Латеральное и краниальное смещение головки бедренной кости (ГБК) участвует в ограничении отведения, пронации, супинации и смещения ГБК кнаружи. Натягиваясь посредством приведения, СГБК замыкает (стопорит) ТБС во фронтальной плоскости и прижимает ГБК к вертлужной впадине. Без участия отводящей группы мышц нагруженной оказывается нижняя полусфера ГБК. Установлено, что отводящая группа мышц ограничивает приведение в ТБС. Ее изолированное напряжение увеличивает отведение и обуславливает сжатие суставных поверхностей в кранио-медиальном отделе ТБС.

Анализ экспериментальных данных показал, что в ООП без напряжения отводящей группы мышц ТБС во фронтальной плоскости преобразуется в аналог рычага второго рода. При условии, что плечо веса тела в три раза больше плеча силы реакции СГБК, последняя будет приблизительно равна утроенному весу тела, а величина результирующей силы, действующей на ГБК снизу, – удвоенному весу тела. Данная ситуация наблюдается в нормальном ТБС и в эндопротезе с аналогом СГБК в конце одноопорного периода шага и при повреждении отводящей группы мышц.

В напряженном ООП без натяжения СГБК ТБС во фронтальной плоскости стопорится отводящей группой мышц и ее антагонистами представляет собой аналог рычага первого рода, а нагруженной оказываются верхняя полусфера ГБК. Если принять, что плечо веса тела в три раза больше плеча отводящей группой мышц, величина ее усилия будет эквивалентна утроенному весу тела, а величина результирующей силы, действующей на ГБК сверху, окажется равной учетверенному весу тела. Данная нагрузка в норме действует в период перехода от двухопорного ортостатического положения к ненапряженному типу ООП, а также в начале одноопорного периода шага, и постоянно в протезированном ТБС.

В ненапряженном ООП, при котором одновременно натянута СГБК и напряжена отводящая группа мышц, ТБС представляет собой аналог рычага первого рода. Если принять, что плечо веса тела приблизительно равно плечу усилия отводящей группы мышц, ГБК оказывается нагруженной равномерно результирующей силой, направленной изнутри кнаружи, составляющей приблизительно удвоенный вес тела. Тогда величина нагрузки верхней и нижней полусферы ГБК составляет приблизительно один вес тела. Ненапряженный тип ООП является оптимальным в плане нагрузки на мышечно-связочный аппарат и суставные поверхности. Он чаще присутствует в ООП и наблюдается в середине одноопорного периода шага в нормальном ТБС, а также с эндопротезом, содержащим аналог СГБК.

Заключение

Таким образом, СГБК ограничивает приведение, латеральное и краниальное смещение ГБК, способна стопорить ТБС во фронтальной плоскости преобразуя его в аналог рычага второго рода, вывих без ее повреждения невозможен. Отводящая группа мышц ограничивает приведение в ТБС, в содружестве с антагонистами способна стопорить его во фронтальной плоскости в произвольном положении, обуславливает сжатие суставных поверхностей в кранио-медиальном отделе, а ее напряжение уменьшает натяжение СГБК. В ООП, когда шарнир эндопротеза ТБС стопорится во фронтальной плоскости только за счет аналога СГБК, результирующая нагрузка воздействует на головку снизу и равна приблизительно удвоенному весу тела. При напряженном типе ООП без натяжения аналога СГБК шарнир эндопротеза ТБС стопорится во фронтальной плоскости за счет напряжения отводящей группы мышц, а результирующая нагрузка воздействует на головку сверху и равна приблизительно учетверенному весу тела. В ненапряженном ООП с сочетанием напряжения отводящей группы мышц и натяжения аналога СГБК нагрузка, эквивалентная удвоенной массе тела, равномерно распределяется по контактным поверхностям верхней и нижней полусферы шарнира эндопротеза.

Введение в конструкцию эндопротеза ТБС элемента аналога СГБК позволит уменьшить скорость износа пары трения, снизит нагрузку на отводящую группу мышц, повысит устойчивость ООП, предотвратит возможный вывих в шарнире. Использованная нами трехмерная модель может явиться прототипом эндопротеза ТБС нового поколения.

Список литературы

Pauwels F. Biomechanics of the locomotor apparatus. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-verlag; 1980; 518 p.

Bombelli R. Structure and function in normal and abnormal hip: how to rescue mechanically jeopardized hip. Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag; 1993; 221 p.

Charnley J. Low friction arthroplasty of the hip. Berlin, Heidelberg, New York: Springer verlag; 1979; 376 p.

Алиев Г.А., Кормилицин О.П., Плоткин Е.В., Шукейло Ю.А. Биомеханика в реабилитологии (травматология и ортопедия). СПб: Политехника; 2002; 159 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.

Орлецкий А.К., Малахова С.О., Морозов А.К., Огарев Е.В. Артроскопическая хирургия тазобедренного сустава. М: 2004; 104 с.

Неверов В.А., Шильников В.А. Способ формирования искусственной связки головки бедра при эндопротезировании. Вестн. хирург. 1993; 7-12: 81-83.

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

Беленький В.Е. Некоторые вопросы биомеханики тазобедренного сустава. Дисс.… канд. мед. наук. М; 1962.

Resume 

S.V.Arсhipov

Clinical-experimental substantiation of an endoprosthesis of a hip with analogue of ligamentum capitis femoris 

The clinical-experimental substantiation of endoprosthesis of the hip with analogue of ligamentum capitis femoris is executed. On 2-D and 3-D model its biomechanics is researched. Function of ligamentum capitis femoris and its interaction with abductor muscles is specified. The three-dimensional model used in experiments can be the prototype of the new endoprosthesis of the hip.

Автор:

Архипов С.В.

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 СВ. Клинико-экспериментальное обоснование эндопротеза тазобедренного сустава с аналогом связки головки бедренной кости. Нижегородский мед. журн. (приложение) 2006:346-8.

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. 

СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

 Фиксаторы и эндопротезы