Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные проблемы и состояние исследований в области эндопротезирования тазобедренных суставов . 13
1.1. Реабилитационные возможности и проблемы эндопротезирования тазобедренных суставов 13
1.2. Основные причины асептического расшатывания бесцементного эндопротеза 20
1.2.1. Частота асептического расшатывания эндопротезов 20
1.2.2. Причины асептического расшатывания эндопротезов 23
1.2.3. Узел подвижности 30
1.3. Пути повышения стабильности ножки эндопротеза 35
1.3.1. Обеспечение вторичной фиксации 35
1.3.2. Принципы конструирования ножек эндопротезов 40
1.4. Методы оценки результатов эндопротезирования 45
1.4.1. Клиническое обследование 46
1.4.2. Рентгенологическое обследование 46
\ 1.4.3. Биомеханические методы обследования 47
1.4.4. Электромиографический метод обследования 47
1.4.5. Клинико-функциональная оценка результатов тотального эндопротезирования тазобедренного сустава 48
1.4.6. Критерии оценки ограничения жизнедеятельности после эндопротезирования..53
1.5. Выводы 53
Глава 2. Анализ биомеханических условий функционирования аппарата движения человека до и после эндопротезирования 57
2.1. Нормальный тазобедренный сустав 57
2.1.1. Исследование нормального тазобедренного сустава 58
2.2. Функционирование нормального тазобедренного сустава 61
2.3. Влияние операционной технологии на результаты эндопротезирования 70
2.3.1. Техника стандартного бесцементного эндопротезирования 70
2.3.2. Эндопротезирование с применением костного цемента 73
2.4. Производственно-технологические аспекты изготовления компонентов эндопротеза 75
2.4.1. Основные технологические методы производства ножек эндопротезов тазобедренного сустава 77
2.4.2. Производственно-технологические возможности изготовления узла трения 78
2.5. Выводы 81
Глава 3. Биомеханическая концепция диагностики функционального состояния биотехнической системы «эндопротез-кость» 82
3.1. Биомеханика и системная организация аппарата движения 82
3.2. Оценка роли иерархических уровней в результатах эндопротезирования 87
3.3. Биомеханическая концепция диагностики функционального состояния БТС-ЭПК 98
3.3.1 Классификация БТС-ЭПК 98
3.3.2. Роль функционального стереотипа в задачах диагностики функционального
состояния БТС-ЭПК 103
3.3.3. Теоретические основы диагностики функционального состояния БТС-ЭПК
с позиций механики 106
3.4. Имитационная биомеханическая модель аппарата движения 109
3.5. Выводы 124
Глава 4. Имитационное моделирование биотехнической системы «эндопротезкость» для решения проблем асептического расшатывания компонентов эндопротеза 125
4.1. Двумерные конечно-элементные модели БТС-ЭПК 126
4.2. Конечно-элементное исследование пространственного напряженного-деформированного состояния БТС-ЭПК 130
4.3. Выводы 140
Глава 5. Разработка принципов синтеза биотехнической системы «эндопротез-кость», обеспечивающих стимуляцию адаптационных процессов в аппарате движения человека после эндопротезирования 141
5.1. Расчетно-конструкторские причины асептического расшатывания бедренных
компонентов серийно выпускаемых эндопротезов тазобедренного сустава 141
5.1.1. Механические исследования ножек эндопротезов тазобедренного сустава 142
5.1.2. Физико-механическая неадекватность параметров несущих элементов конструкции эндопротеза характеристикам проксимального отдела бедренной кости 5.1.3. Биофиксация имплантата 151
5.1.4. Анализ конструктивных решений сплошных (цельнолитых) металлических ножек промышленно выпускаемых эндопротезов тазобедренного сустава 152
5.1.5. Результаты анализа причин асептического расшатывания бедренных компонентов эндопротезов тазобедренного сустава 155
5.2. Принципы синтеза БТС-ЭПК, обеспечивающих стимуляцию адаптационных процессов в аппарате движения после эндопротезирования 156
5.3. Анатомо-физиологические критерии выбора материалов для создания изоэластичной ножки эндопротеза адаптивной БТС-ЭПК 167
5.4. Узел подвижности эндопротеза 168
5.4.1. Принципы синтеза узла подвижности адаптивной БТС-ЭПК 169
5.5. Свойства материалов с памятью формы и основные направления их применения в имплантологии 173
t 5.5.1. Использование сплавов с памятью формы в конструкциях эндопротезов тазобедренного сустава 180
5.5.2. Эндопротезирование тазобедренного сустава стандартными конструкциями с использованием сплавов с памятью формы в качестве вспомогательных элементов 181
5.6. Выводы 184
Глава 6. Мониторинг функционального состояния биотехнической системы «эндопротез-кость» стабилографическими методами 185
6.1 Теоретические основы стабилографического исследования 185
6.2. Методика и результаты исследования статической составляющей двигательного стереотипа 197
6.3. Обсуждение результатов и практические рекомендации 202
Заключение 207
Приложения 209
Литература
- Частота асептического расшатывания эндопротезов
- Функционирование нормального тазобедренного сустава
- Биомеханическая концепция диагностики функционального состояния БТС-ЭПК
- Механические исследования ножек эндопротезов тазобедренного сустава
Введение к работе
Актуальность проблемы. Тазобедренный сустав - важнейший сустав для опоры и передвижения человека в пространстве. Патология тазобедренного сустава влечет за собой ухудшение функционирования всего опорно-двигательного аппарата, в первую очередь, позвоночника. Инвалидность при тяжелых дегенеративно-дистрофических поражениях тазобедренного сустава различной этиологии превышает 60% (Корнилов Н. В. с соавт., 1997), причем не менее трети больных нуждаются в эндопротезировании (Jorring, 1980). Ежегодно в мире выполняется более 450 тыс. таких операций.
Эндопротезирование тазобедренного сустава относится к числу высокоэффективных лечебно-реабилитационных технологий. Однако при имплантации искусственного сустава у части пациентов развиваются осложнения, наиболее грозным из которых является нестабильность эндопротеза. По мере увеличения сроков наблюдения результаты эндопротезирования ухудшаются даже при использовании самых современных конструкций. Это объясняется тем, что до настоящего времени не решена задача адаптации технических элементов > искусственного тазобедренного сустава, их совокупности и режима функционирования к состоянию сопряженных с ними систем и органов живого организма. Дальнейшее развитие и совершенствование технологий эндопротезирования невозможно на основе принципа слепого копирования, некритического воспроизведения живой природы в технических аналогах. Для решения этой задачи необходимо применение бионической методологии, ориентированной на использование метода функционального моделирования, базирующегося на требованиях изоморфизма технических систем их биологическим аналогам.
Систему «эндопротез-кость» следует отнести к классу биотехнических систем (БТС) - это особый класс больших систем, представляющих собой совокупность биологических и технических элементов, связанных между собой в едином контуре управления (В.М.Ахутин, 1981) и получивших в последнее время интенсивное развитие. Только с позиций синтеза биотехнических систем, возможно осуществить выбор режимов функционирования и конструктивные решения технических элементов эндопротеза таким образом, чтобы они максимально соответствовали морфологическим и психофизиологическим особенностям сопрягаемых с ними биологических элементов системы.
Задачи создания и использования биотехнических систем опираются, с одной стороны, на возможности современной техники и технологий, а с другой - на достаточно полное, глубокое знание строения и функций биосистемы, правильное понимание явлений, происходящих на стыке технических узлов и живого организма. Изучение данного взаимодействия требует применения системного подхода, методы которого заставляют учитывать процессы взаимодействия трех взаимосвязанных элементов, присутствующих в системе «эндопротез-кость» (ЭПК): биологического объекта, технических средств и методического обеспечения (Е.П.Попечителеві993).
Идеи синтеза БТС еще не проникли в сферу анализа опорно-двигательной системы человека, подвергшегося реабилитации с помощью технических средств - имплантатов. Это объясняется тем, что имеет место опережающее развитие технологий реконструктивно-восстановительной хирургии, обусловленное потребностями современного общества (техногенные катастрофы, последствия террористических актов и боевых действий, дорожный травматизм, экология, демографическая ситуация и т.д.), по сравнению с анализом её реабилитационных возможностей. Так, например, для технологий эндопротезирования отсутствуют адекватные модели, позволяющие описать поведение отдельных составляющих опорно-двигательной системы и процессов в целом, обусловленных внедрением в неё эндопротеза, не созданы необходимые программы и методическое обеспечение на основе принципов синтеза БТС и не разработаны методы объективного прогнозирования и оценивания течения восстановительного процесса и его отдаленных результатов. Одновременный анализ всех включенных в систему ЭПК элементов в их органическом сочетании позволяет рассчитывать на успешное использование биотехнической системы «эндопротез-кость» (БТС-ЭПК), направленное на повышение надежности и эффективности технологий эндопротезирования.
Предметом исследования настоящей работы является БТС-ЭПК, а так же методы математического преобразования и интерпретации информации, получаемой в результате биомеханических исследований опорно-двигательной системы человека, прооперированного по поводу эндопротезирования тазобедренного сустава для объективизации диагностики функционального состояния этой системы.
Объектом исследования является функционирование опорно-двигательного аппарата человека после эндопротезирования тазобедренного сустава и
7 физические процессы, сопровождающие функциональную компенсацию анатомо-функционального несоответствия искусственного тазобедренного сустава биологическому аналогу на уровне целостного организма^__^^ Цель работы. Разработка биомеханической /кокщепцм) диагностики^ и мониторинга функционального состояния и^параметров оптимизации биотехнической системы «эндопротез-кость», для совершенствования лечебно-реабилитационных технологий эндопротезирования тазобедренного сустава и методов медико-социальной экспертизы, а также синтез автоматизированной системы анализа состояния БТС-ЭПК и разработка рекомендаций по выбору реабилитационных средств и технологий.
В соответствии с поставленной целью в работе формулируются и решаются следующие основные задачи.
1. Сопоставление существующих методов диагностики осложнений при имплантации искусственного тазобедренного сустава с целью выявления метода, позволяющего в удобной для восприятия и достаточной для построения концептуальной модели ситуации, скорректировать алгоритм или режим совместного функционирования биологического или технического элементов, являющихся звеньями БТС-ЭПК.
2. Анализ изменения биомеханических условий функционирования аппарата движения человека после эндопротезирования тазобедренного сустава.
3. Изучение процессов, сопровождающих естественную функциональную компенсацию анатомо-функционального несоответствия искусственного тазобедренного сустава биологическому аналогу при эндопротезировании тазобедренного сустава.
Разработка математических моделей БТС-ЭПК, поясняющих механизмы асептического расшатывания компонентов эндопротеза и получение новых параметров диагностики её функционального состояния.
Разработка принципов синтеза БТС-ЭПК, обеспечивающих стимуляцию адаптационных процессов в аппарате движения человека при эндопротезировании тазобедренного сустава.
Разработка методики и проведение экспериментальных исследований по оценке текущего функционального состояния БТС-ЭПК и выявлению возникновения вторичных патологических процессов в аппарате движения пациента после эндопротезирования тазобедренного сустава.
8 7. Разработка системы автоматизированной диагностики и мониторинга функционального состояния БТС-ЭПК для врача-реабилитолога и предложений по использованию в этой системе современных стабилографических комплексов. (~)ґ На защиту выносится концепция диагностики и мониторинга jJ функционального состояния БТС-ЭПК на основе анализа биомеханических 'о показателей человека в процессе поддержания им вертикальной позы, включающая следующие научные положения!- —..( ] ґ -оценку функционального состояния БТС-ЭК следует определять с помощью /'{// имитационных моделей и нового, перечня параметров., полученных по' Д результатам экспериментальной группировки, на основе анализа биомеханических процессов в сопряженных с элементами эндопротеза костных. структурах и опорно-двигательной системы в целом. у. /> С "при оценке результатов эндопротезированид^считается "необходимым использование методов системного анализа^дпя выбора состава медико-социальных (априорных) знаний о человеке с последующим их включением в математические модели классификации БТС - ЭПК. у проектирование и назначение^ реабилитационно-технических средств и технологий для компенсации анатомо-функционального несоответствия в аппарате движения человека с БТС-ЭПК должны осуществляться на основе бионической методологии,опринципов синтеза БТС, результатов имитационного V моделирования.
Научная новизна и теоретическая .значимость работы заключается в ^разработке биомеханической (концепции ^диатс^тики_^__и мониторинга функционального состояния БТС-ЭПК для решения социально-значимой научной проблемы: повышение эффективности медицинской реабилитации при эндопротезировании тазобедренного сустава путем прогнозирования и своевременного предотвращения возникновения вторичных патологических процессов в аппарате движения человека после эндопротезирования. На основе этой концепции предложены технически возможные варианты компенсации анатомо-функционального несоответствия существующих конструкций эндопротезов тазобедренного сустава, совокупность которых можно определить, как новое достижение в развитии научного направления, связанного с разработкой адаптивных биотехнических систем медицинского назначения и имеющего важное народно-хозяйственное и социальное / значение.
9 Результаты, подтверждающие научную новизну работы: "ЧХ^-^^
Предложен и научно обоснован биомеханический подход к оценке функционального состояния БТС-ЭПК на основе анализа биомеханических параметров человека в процессе поддержания им вертикальной позы.
Разработана методика и исследованы биомеханические условия функционирования аппарата движения человека после эндопротезирования тазобедренного сустава и выявлена роль этих изменений в неблагоприятных результатах эндопротезирования, что позволило выделить новый класс биотехнических систем - БТС-ЭПК, отражающий взаимодействие имплантированных технических элементов и костной ткани, являющихся составными частями звеньев одной кинематической пары.
Исследованы процессы, сопровождающие естественную функциональную компенсацию анатомо-функционального несоответствия искусственного тазобедренного сустава биологическому аналогу, что позволило выделить новые биомеханические признаки появления вторичной патологии опорно^вигательного О системы человека с эндопротезом тазобедренного сустава, проявляющиеся при стабилографическом исследовании.
Разработаны имитационные модели БТС-ЭПК для решения проблем асептического расшатывания компонентов эндопротеза, позволившие предложить технически возможные варианты компенсации анатомо-функционального несоответствия конструкций эндопротезов тазобедренного сустава.
5. Развиты принципы синтеза адаптивных БТС-ЭПК, обеспечивающих стимуляцию адаптационных процессов в аппарате движения человека после эндопротезирования тазобедренного сустава.
Практическая значимость работы заключается в том, что предложены новые параметры, алгоритмы и методики диагностики и мониторинга функционального состояния БТС-ЭПК, методики выбора реабилитационно-технических средств и технологий, позволяющие отдалять сроки возникновения вторичных патологических процессов в аппарате движения человека после эндопротезирования тазобедренного сустава и проводить экспертизу трудоспособности человека после эндопротезирования на качественно новом научно-техническом уровне, и рекомендации по практическому использованию стабилографических комплексов в целях определения состава индивидуальных реабилитационных программ после эндопротезирования.
10 Практическую значимость имеют: имитационные модели функционирования опорно-двигательного аппарата человека с искусственным тазобедренным суставом; эти модели отражают реальную динамику опорно-двигательного аппарата человека вследствие изменения количества степеней свободы движущейся системы; математические модели БТС-ЭПК, облегчающие решение проблем асептического расшатывания компонентов эндопротеза; принципы синтеза адаптивных БТС-ЭПК, обеспечивающие стимуляцию адаптационных процессов в аппарате движения человека после эндопротезирования тазобедренного сустава; методы классификации БТС-ЭПК на основе количественных оценок таких её важных свойств, как сложность и уровень относительной организации; результаты экспериментальных исследований, доказывающих необходимость мониторинга функционального состояния БТС-ЭПК в процессе эксплуатации эндопротеза. методики экспериментальных исследований, позволяющие по биомеханическим параметрам человека в процессе поддержания им вертикальной позы определять функциональное состояние БТС-ЭПК.
Методы исследования. Результаты исследования базируются на биомеханических методах исследования движения, системном анализе, теории синтеза биотехнических систем, методах теоретической механики, теории машин и механизмов, теории рациональных механизмов, методах имитационного моделирования, теории надежности, методе кластерного анализа с математическим аппаратом экспертного оценивания, теории оптимизации систем. Достоверность полученных в диссертации результатов. Достоверность полученных в диссертации выводов основывается на теоретическом и экспериментальном обосновании выдвинутых положений, сравнительном анализе результатов, полученных новыми и традиционными методами, проведением лабораторных и клинических исследований с использованием метрологически проверенной стандартной аппаратуры, а также большой статистической выборкой исследуемого материала с корректными способами его статистического анализа. Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены в периоде 1997-2003 гг. на конференциях и семинарах в России и за рубежом. Среди них: Российские и международные конференции: «Человек и его здоровье» (Санкт-Петербург, 1999, 2000, 2001, 2002), «13-я НПК SICOT» (Санкт-Петербург,
2002), «Новые технологии в хирургии крупных суставов» (Нижний Новгород,2001), «ДИМЭБ -98» (Санкт-Петербург, 1998), «ЕМВЕС-99» (Вена, Австрия,1999), «41-IWK» (Ильменау, Германия, 1996),«42-IWK» (Ильменау, Германия, 1997), «44-IWK» (Ильменау, Германия, 1999), «НТК- 2000» (Новочеркасск,2000), Заседание научного общества травматологов и ортопедов Санкт-Петербурга №1156 (Санкт-Петербург,2003).
Разработки по диссертационной работе оформлялись в виде договоров на производство научно-технических работ по Государственному Контракту № 5-50-985 юр-2002 г. Министерства труда и социального развития РФ и Государственному договору № 500-2002 г. Комитета по труду и социальной защите населения Администрации Санкт-Петербурга. За период с 1998 года по настоящее время по теме исследования было получено 7 грантов Администрации Санкт-Петербурга на проведение научно-исследовательских работ и финансовая поддержка DAAD (немецкой службы академических обменов) и Министерства науки и исследований Федеральной земли Тюрингия (Германия) для реализации совместных проектов в области развития научных основ проектирования БТС.
Большое количество зарубежных публикаций и финансовая поддержка исследований со стороны Германии объясняется слабым развитием этого направления в России, что компенсирует данная работа.
Реализация результатов. Основные результаты теоретических и . экспериментальных работ автора при непосредственном его участии внедрены в!^& лечебно-реабилитационный процесс ортопедо-травматологического отделения ^ Санкт-Петербургской городской больницы №4 «Св. Георгия», клиниках травматологии и ортопедии Санкт-Петербургской государственной медицинской академии им. И.И.Мечникова и Ростовского государственного медицинского университета.
Материалы диссертации используются в учебных программах Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (СПбГПУ) для слушателей курсов повышения квалификации и подготовки специалистов по техническим средствам реабилитации и Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» для подготовки специалистов по направлению «Биомедицинская техника».
Личный вклад автора. Представленные в диссертации оригинальные концепция диагностики функционального состояния БТС-ЭПК (на основе комплексного анализа биомеханических параметров опорно-двигательной системы человека) и
12 теоретическое обоснование методик выбора реабилитационно-технических средств и технологий, отдаляющих сроки возникновения вторичных патологических процессов в аппарате движения человека после эндопротезирования тазобедренного сустава, созданы лично автором или при непосредственном его участии и под его научным и техническим руководством. В экспериментальных исследованиях автор принимала непосредственное участие в постановке задач, проведении, обработке, анализе и интерпретации результатов, путей их практической реализации, систематизации материала. Публикации. Основные результаты диссертации отражены в работах [1- 36], из них 1 монография, 3 учебных пособия, 1 авторское свидетельство, 14 статей, 17 тезисов докладов на научных конференциях.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 309 наименований. Работа изложена на 257 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка и 31 диаграмму.
Автор выражает искреннюю благодарность академику МАИПФ, действительному члену АМТН РФ, доктору медицинских наук, заведующему курсом травматологии и ортопедии СПбГУ, заведующему отделением травматологии и ортопедии больницы Св. Георгия, профессору Плоткину Г.Л. за научное консультирование в медицинской части работы и доктору биологических наук, профессору Зинковскому А.В., заведующему кафедрой «Биомеханика и валеология» ИМОП СПбГПУ, за консультации, поддержку и помощь во время обучения в докторантуре.
Частота асептического расшатывания эндопротезов
Принято считать, что проблема эндопротезирования суставов складывается из 4 аспектов (Kummer ,1988): 1) характеристик имплантата, 2) биомеханических взаимоотношений между ним и костным ложем, 3) реакции костной ткани на инородное тело, 4) медицинских параметров.
Для настоящего исследования наибольший интерес представляют первые три аспекта. 12.1 Частота асептического расшатывания эндопротезов
Главная цель эндопротезирования любого сустава - обеспечение его безболезненного долговременного функционирования. Однако, к сожалению, срок "жизни" большинства искусственных суставов в организме не достигает 15 лет (Тощев В. Д. с соавт., 1991; "Hip...", 1989; Havelin et al., 1994; Bettin et al., 1995; Siegrist, 1995), что явно недостаточно, учитывая, что возрастные границы этой операции имеют устойчивую тенденцию к снижению. Основная причина этого кроется в асептическом расшатывании одного или обоих компонентов эндопротеза, причем первым начинает проявлять признаки нестабильности бедренный компонент, поскольку бедренная кость подвергается наибольшим воздействиям, привносящим противоестественное в жизнедеятельность костной ткани, и неестественным для нее нагрузкам (Шендеров В. А., 1992; Шендеров В. A. с соавт., 1996). Поэтому именно ему в данном обзоре и будет уделено основное внимание.
Как пишет В. В. Троценко (1993), эндопротез представляет собой механическую систему, не обладающую способностью к саморегенерации, с ограниченным ресурсом использования. Stilwell (1987) замечает, что частота ревизионных вмешательств у разных авторов различна, но и беглого просмотра публикаций по вопросам эндопротезирования тазобедренного сустава достаточно для того, чтобы вызвать озабоченность даже рьяного приверженца данной операции, т. к. за этими цифрами стоят человеческие судьбы. Г. А. Пальшин (1994) на основании анализа литературы нашел, что в течение 5 -10 лет признаки расшатывания можно найти у 25 - 60% больных. По мнению В. B. Кузьменко и В. А. Фокина (1991), 30 - 40% бедренных компонентов и 10 - 20% тазовых функционируют не более 10 лет. Joshi с соавторами (1993) рисуют не столь мрачную картину. По их данным, за 20 лет нестабильными становятся 14% бедренных, 16% тазовых и в 25% случаев расшатываются оба компонента. Причем, все эти больные были оперированы в возрасте до 40 лет. Herberts (1992) считает, что из числа молодых пациентов, за 10 лет, хирургическая ревизия требуется в 30%, а пожилых - 10%. Заслуживают внимания расчеты Morscher и Schmassmann (1983). Согласно последним, в первый год в связи с этим осложнением требуют замены 0,7% эндопротезов, затем в течение каждого последующего года до 10 лет - 2,2%, после этого срока расшатывание идет более быстрыми темпами, а это означает, что около четверти искусственных тазобедренных суставов служат максимум 10 лет.
Недаром по мере возрастания числа подобных операций неуклонно растёт потребность в реэндопротезировании. В крупных клиниках и специализированных центрах соотношение между первичными и повторными вмешательствами составляет 4 :1 (Michiels et al., 1990; Mittelmeier, Heisel, 1991), 3 : 1 (Митрошин A. H., Цодыкс В. M., 1992; Morscher, Schmassmann, 1983) и по прогнозам в будущем дойдет до 2 :1 (Morscher, Schmassmann, 1983; Morscher, Moulin, 1986).
Если принять все ревизионные операции за 100%, то среди их причин на долю асептического расшатывания приходится по данным разных авторов от 60% до 73,8% (Закари С. М., 1996; Ahnfelt et al., 1988; Herberts et al., 1989; Malchau, Herberts, 1994; Espehaug et al., 1995). На диаграмме 1.3. представлены причины ревизионных операций по данным Poss с соавторами (1988). ревизионных операций.
Чем дольше срок наблюдения, тем выше роль асептического расшатывания. Установлена также его зависимость от самой конструкции. Так, Н. С. Гаврюшенко (1997), пользуясь математическим критерием, описывающим степень близости разных эндопротезов к биологическому аналогу, т. е. к естественному тазобедренному суставу с учетом крутящего момента, нашел, что если оценить длительность его безупречной работы в 60 лет, то для эндопротеза Сиваша срок безупречного функционирования в организме составляет 11, Мюллера - 19, Чанли - 27 лет. Недаром эту модель считают "золотым стандартом" не только на ее родине, но и в других странах (Шапошников Ю. Г., 1993; Fumes et al., 1996; Salaietal., 1997).
В соответствии с согласительной резолюцией совещания Национальных институтов здоровья США и стран Европы по вопросу тотального эндопротезирования суставов, конструкцию бедренного компонента любого эндопротеза можно считать удовлетворительной, если за 10 лет частота дестабилизации не превышает 5% ("National...", 1994). Однако, как показывают приведенные выше цифры, далеко не все современные конструкции удовлетворяют этому требованию.
Этому явлению предлагаются самые разные объяснения: необоснованное расширение показаний к эндопротезированию; некачественная техника операции; неадекватный выбор конструкции или типоразмера; неправильная установка эндопротеза или одного из его компонентов; нарушение кровоснабжения кости вследствие рассверливания костномозгового канала и полимеризации цемента; перегрузка одних отделов бедренной кости и отсутствие биомеханического стимула к ремоделированию в других; реакция организма на само массивное инородное тело, на продукты его износа, особенно на полиэтилен, на растворимые ионы, высвобождаемые металлом; развитие синовиально-подобной мембраны на границе имплантата с костью (Корнилов Н. В. с соавт., 1995; Медведев А. П., 1993; Бансал А., 1998; Pazzaglia, Pringle, 1988; Buchholz, 1990; Schneider, 1990). Как правило, какие-то из этих факторов сочетаются, поэтому чрезвычайно трудно (или даже невозможно) выделить одну основную причину. Чаще всего это осложнение обусловлено взаимодействием двух явлений -реакцией организма на продукты износа материалов и на неадекватное распределение нагрузки на воспринимающую кость (Pazzaglia et al., 1997). Как пишут Е. А. Вагнер с соавторами (1993), всякий имплантат следует оценивать с механической и биологической позиций, а процессы взаимодействия искусственного материала с живой тканью чрезвычайно сложны, поэтому попытки получить единую биомеханическую систему «кость-эндопротез» пока не приводят к успеху.
Функционирование нормального тазобедренного сустава
Основной формообразующей функцией скелета человека является ходьба (в большей степени) и бег (в меньшей степени). Используя системно-структурный подход, опираясь на известные механические, функционально-анатомические, физиологические и клинические факты, положа в основу прошедшие проверку временем и практикой постулаты: "механические напряжения полностью определяют все детали структуры" и "кость разрастается преимущественно по направлению тяги и перпендикулярно плоскости давления" (Бунак В. В.,1951) опишем фазы механического движения (опору и перенос) и их реализацию в рамках функционирования нормального естественного тазобедренного сустава.
Движения в позвоночных сегментах и позвоночном столбе при ходьбе совершаются под влиянием движений тазового пояса. В свою очередь тазовый пояс приводят в движение тазобедренные суставы. Рассмотрим биомеханику нижних конечностей человека с позиции соответствия структуры и функции. Период опоры ноги по динамическим признакам делится на фазы амортизации и отталкивания (Донской Д.Д., 1971).
Началом фазы амортизации в стопе является момент соприкосновения бугра пяточной кости с опорой, затем следует опора на всю стопу. В голеностопном суставе совершается подошвенное сгибание. Плечо рычага: бугор пяточной кости - блок таранной кости опускается, также вниз смещается голень. В фазе отталкивания от опоры голень смещается вверх на плече рычага: головки плюсневых костей - блок таранной кости. Таким образом, в период опоры голень под активным влиянием стопы совершает пассивные движения вверх и вниз. Стопа, как целое, в этой кинематической цепи является «приводом», передающим возвратно-поступательные движения (вверх-вниз) голени.
Анализ функций мышц, таблица 2.1, которые принимают участие в движениях тазобедренных суставов, демонстрирует, что из 20 мышц различных групп, участвующих в движениях тазобедренных суставов, 12 супинируют бедро и 5 из этих 12 реализуют только эту функцию. Учитывая количество мышц-супинаторов, их топографию, массу мышечных волокон, можно констатировать, что суммарная сила мышц-супинаторов превалирует над суммарной силой мышц, обеспечивающих все другие движения. Даже мощные мышцы-антагонисты, обеспечивающие функцию равновесия, - пояснично-подвздошная и большая ягодичная, являются синергистами - супинаторами бедра.
Анатомическим и клиническим подтверждением превалирования силы мышц -супинаторов бедра над силой мышц, выполняющих другие функции в тазобедренных суставах, являются:
1. Угол 20-30 между осью шейки бедра и поперечной осью мыщелков бедра (torsio femoris). Ось шейки бедра смещена кпереди (рис.2.3). Этот известный факт, кстати, является характерным признаком бедренной кости человека (Артеменко Б. А, 1951).
2. Пяточно-затылочная поза человека при опистотонусе, когда таз поднимается над плоскостью опоры, что возможно только при сочетании разгибания в тазобедренных суставах и супинации бедренных костей с двух сторон.
Очевидно, что функционирование мощной группы мышц-супинаторов и супинационные деформации бедренных костей находятся между собой в причинно-следственных отношениях и при ходьбе бедренные кости испытывают стабильные и значительные супинационные нагрузки, без которых не могут возникнуть супинационные деформации костей.
В руководствах по анатомии и биомеханике супинация бедренной кости обычно синонимируется с супинацией всей нижней конечности, или с пронацией голени, при этом игнорируется наличие постоянной функции бедренной кости при ходьбе - функции ее изолированной от таза и голени супинации при опоре на конечность.
Изолированная супинация бедренной кости совершается вокруг оси, проходящей через головку и латеральный мыщелок бедренной кости. Это не механическая ось бедра, рис.2.4, которая "соответствует отвесной линии, опущенной из центра тазобедренного сустава" (Артеменко Б. А , 1951) и вокруг которой совершается ротация нижней конечности.
Возможность совершения изолированной супинации бедренной кости обеспечивается шеечно-диафизарным углом, когда появляется шейка бедра -плечо рычага. Длина шейки бедра и сила мышечной тяги определяют величину супинационной нагрузки.
На дистальном эпифизе бедра со стороны коленного сустава возможность изолированной супинации бедренной кости обеспечивается геометрией мыщелков, строением крестообразных и боковых связок. Топография крестообразных связок соответствует супинационной траектории смещения дистального эпифиза бедра. Растягиваясь, крестообразные связки амортизируют нагрузки и ограничивают супинационное смещение бедренной кости.
Биомеханическая концепция диагностики функционального состояния БТС-ЭПК
Одним из основных применений биомеханических исследований, по определению основоположника отечественной биомеханики профессора САРегирера, является выработка глобальных концепций, касающихся закономерностей развития и роста организмов, усовершенствования диагностических и лечебных процедур, разработки протезов и т.д. При этом «специфическое назначение математических моделей в биомеханике состоит, во-первых, в предвычислении событий в недоступных экспериментатору областях организма; во-вторых, в достижении физически содержательной трактовки опытных данных, позволяющей, например, судить о ходе немеханических процессов по связанным с ними механическим проявлениям». 3.3.1. Классификация БТС-ЭПК
Решение проблемы диагностики БТС, информация / о функционировании которой представлена в виде массива чисел: Х1, Х2,..., Хл возможно лишь в / случае выбора математического аппарата, наиболее адекватным образом описывающего зарегистрированные данные. Решение этой задачи подразумевает возможность классификации БТС, которая базируется на особенностях полученной о ней исходной информации.
В основу классификации БТС-ЭПК положены количественные оценки таких её важных свойств, как сложность и уровень относительной организации. Идентификация по сложности проведена по численному значению-максимальнойП г\ сложности системы: J Pu y t t i &tSU k /J где m - количество возможных состояний, принимаемых системой. При этом система, принимающая до 8 состояний, оценивается как простая, щ 128 состояний - как сложная, более 128 состояний - как очень сложная. Анализ результатов эндопротезирования в рамках проведенного исследования позволяет классифицировать БТС-ЭПК как очень сложную стохастическую систему, точно и подробно описать которую нельзя сеистмуг Л Величина максимальной сложности системы, равная общему ЧИСЛУ контролируемых клинико-функциональных показателей прооперированного пациента, в общем случае, вариабельна (определяется диагностическими возможностями клиники): от 49 до 137 и может быть принята за максимально і / возможную неопределенность при расчетах уровня организации. \ I В рамках проведенного исследования было использовано причинно- I следственное моделирование. Причинно-следственное моделирование опирается I на представление изучаемого явления в виде структурированного множества \ одновременно протекающих в системе процессов. Моделью явления считается \ задание такой совокупности отношений (операторов) на данном множестве, I которое позволяет предсказывать поведение системы (в той или иной степени). I Попытки непосредственного использования традиционных методов I математического моделирования, связанных с заданием интегро- I дифференциальных отношений (операторов), для описания сложных иерархических систем, процессы в которых характеризуются различными временными и энергетическими масштабами, сталкиваются со значительными трудностями, такими как: чисто технические и принципиальные проблемы ] интегрирования; системы большого числа уравнений (вычислительные трудности при использовании численных методов); неопределенность в задании начальных j и граничных условий; отсутствие строгих критериев выделения малых параметров; различная степень изученности процессов протекающих в изучаемой / системе.
Основная идея метода причинно-следственного моделирования состоит в использовании более простых (алгебраических и групповых) операторов (вместо интегро-дифференциальных), что позволяет создавать относительно простые причинно-следственные модели, обладающие определенной предсказательной способностью и являющиеся базисом для более детального количественного моделирования.
Диагностика является задачей классификации. В нашем случае классифицированию подвергаются состояния БТС-ЭПК поэтому, вполне уместно применение для решения задач диагностики одного из хорошо зарекомендовавших себя на практике классификационного метода - кластерного анализа. Для получения адекватной классификации выбрано оптимальное количество показателей, характеризующих состояние пациента после эндопротезирования, имеющаяся статистическая информация проверена на предмет ошибок (проведена ее фильтрация). В случае неоднородности числовых показателей / имеющейся статистической выборки, нормировались входные данные. /
Так как результат исследования многих показателей, характеризующих состояние пациента после эндопротезирования, может быть получен через довольно длительный период времени, то возникает необходимость сужения перечня регистрируемых показателей без ущерба для достоверности автоматиз рованной-кяассификации-(Кузнецов-0:И "1997): -—_. ыбор наиболее оптимальных признаков, с точки зрения информативности, ительности получения результатов, а также материальных и иных затрат, был возложен на специалистов данной предметной области, т. е. врачей-ортопедов. В -силу того, что предлагаемая задача выбора предполагает сравнение большого числа объектов, что затрудняет ее решение с помощью тривиальных методов, был использован математический аппарат экспертного оценивания, который предоставляет широкий выбор методов и средств формализации принятия/ ешений.
Задача оценивания по качественному признаку ставилась следующим образом: имеется п объектов, сравниваемых по общему качественному признаку, необходимо приписать объектам количественные оценки, соответствующие степени проявления на каждом из них этого признака. При большом числе объектов определение относительных весов объектов опирается на формализованную процедуру, основанную на парных сравнениях объектов, либо на сравнениях одного объекта с несколькими (Гохман О.Г., 1997). Сравнивая между собой объекты, эксперт либо отвечает на простой вопрос: у какого из сравниваемых объектов (в нашем случае - это признаки, характеризующие состояние прооперированного) сильнее выражен рассматриваемый признак (критерии сравнения признаков: информативность, длительность получения, материальные затраты и т. д.). Эксперт устанавливает относительные веса признаков интуитивно, и это означает, что эксперт определяет эти оценки такими, какими они ему представляются. Суждения эксперта опираются на его высокую профессиональность и большой опыт, они не являются результатом каких либо вычислений. Полученная в результате парных сравнений информация использовалась для вычисления количественных оценок признаков. В представленной работе оценивание производилось несколькими экспертами, и групповая оценка относительного веса признака определялась как среднее арифметическое оценок экспертов: m Si 2 Sih 101 ,где Qih - оценка /-го объекта л-м экспертом. Однако на практике компетентность экспертов различна, поэтому была проведена ее оценка для получения более реальных относительных оценок весов признаков по формуле: S и j где As - относительные веса критериев Sz / ./ .i h &м ранжирования, gJL k-1 0л -коэффициент компетентности л -го эксперта, Qih - относительный вес признака.
Таким образом, был получен ранжированный список классификационных признаков пациентов, перенесших операцию по поводу эндопротезирования тазобедренного сустава. Далее были отобраны классификационные признаки, которые имеют удовлетворяющие экспертов относительные веса, полученные путем сравнения данного веса признака с некоторым эталоном (пороговым значением), который вычислялся автоматически, либо задавался вручную самим экспертом. Таким образом, поле классификационных признаков было сужено за счет выбора наиболее значимых и "отбраковывания" наименее значимых. GftfetAA
Механические исследования ножек эндопротезов тазобедренного сустава
В задачах диагностирования в отличие от задач идентификации практически никогда недоступен для наблюдения сигнал воздействия на исследуемый объект. Все это приводит к невозможности получения количественной диагностической оценки функционального состояния системы «имплантат-кость», а требует построения качественной диагностической модели с выделением наиболее слабого элемента системы. Имитационное моделирование, предполагающее процесс конструирования модели и её использование для изучения некоторой проблемы, позволяет решить задачу поиска «слабых мест» конструкции эндопротеза.
Для проведения оценочных расчетов напряженного состояния БТС-ЭПК применительно к тазобедренному суставу автором совместно со специалистами лаборатории «Вычислительная механика» кафедры «Механика и процессы управления» СПбГПУ были разработаны двумерные и пространственные конечно-элементные (КЭ) модели БТС-ЭПК.
Напряженно-деформированное состояние упругого тела, находящегося под действием внешних нагрузок, при должных граничных условиях может быть определено путем интегрирования соответствующего уравнения равновесия при заданных граничных условиях. Однако, если тело имеет произвольную форму и неоднородно по своим механическим свойствам, как большинство биологических конструкций, то эта задача усложняется. Для ее решения целесообразно использовать численные методы. Из нихунаиболее распространенным и эффективнымуявляется МКЭ, описывающий тело в виде совокупности отдельных конечных элементов, взаимодействующих в конечном числе точек, которые называются узловыми.
Несмотря на очевидную грубость двумерных моделей, допустимость использования последних для проведения КЭ расчетов напряженного состояния может быть объяснена следующими причинами. Во-первых, использование двумерных КЭ моделей, как менее дорогих с точки зрения затрат на разработку КЭ сетки и машинного времени (количество степеней свободы) позволяет определить зоны возникновения концентраций напряжений на которые следует обратить внимание при разработке пространственной КЭ модели. Это обстоятельство представляется весьма существенным, если учесть большую
126 трудоемкость процесса разработки пространственных КЭ моделей столь сложных с точки зрения геометрической формы объектов как кость и эндопротез. Во-вторых, большинство специалистов в области эндопротезирования тазобедренного сустава сходятся во мнении о необходимости индивидуального подхода при артопластических операциях. Т.е. для каждого конкретного пациента путем численных экспериментов необходимо подобрать эндопротез индивидуальной формы. Однако такой подход сопряжен с многочисленными сложностями даже без рассмотрения технологического процесса производства не стандартизированных изделий единичного характера. Для проведения каких-либо исследований необходимо провести серию замеров геометрических параметров тазобедренного сустава пациента. Эту возможность предоставляет томография, позволяющая оценить пространственные особенности строения тазобедренного сустава. Однако ввиду высокой стоимости подобного оборудования и учитывая огромное количество проводимых операций, на сегодняшний день не представляется возможным проводить томографические исследования для каждого конкретного пациента. Поэтому, ориентируясь на более доступный способ оценки геометрических параметров - рентгеновские снимки, можно заключить, что применение двумерных КЭ моделей, построенных на основании рентгенограмм, имеет право на существование. Возможно также использование двумерных КЭ моделей для сравнительного анализа различных эндопротезов для конкретного пациента. Построенные на основании рентгеновских снимков КЭ модели позволяют достаточно быстро сравнить качество того или иного эндопротеза пр іменитеТтьнодля конкретногоТїацйентаг
По рентгенографическим снимкам нескольких пациентов были разработаны двумерные КЭ модели эндопротеза тазобедренного сустава имплантированного в бедренную кость. На диаграмме 4.1 представлена КЭ модель бедренной кости с эндопротезом. Представленная КЭ модель имеет 24464 степени свободы. Посадка эндопротеза цементная, ножка эндопротеза с воротником. На диаграммах 4.2, 4.3, представлены результаты расчетов напряженного состояния (а ,аі - нормальные напряжения вдоль горизонтальной оси х, и интенсивности напряжений /-г/ ) БТС-ЭПК под действием нагрузки, действующей на головку эндопротеза и равной среднему весу человека (бОкгс). Выявлены зоны возникновения наибольших напряжений. Это, прежде всего, область под воротником, и дистальная область эндопротеза (что подтверждается на практике, т.к. именно вблизи дистального конца ножки эндопротеза происходит асептическое расшатывание эндопротеза и раскрашивание костного цемента).
Однако все результаты приведенных расчетов на основании двумерных КЭ моделей являются оценочными и подлежат проверке и корректировке с использованием пространственных КЭ моделей БТС-ЭПК.
Для детального исследования поведения БТС-ЭПК необходимо использование пространственных моделей. К такому выводу приходит большинство авторов исследований в области эндопротезирования тазобедренного сустава. В настоящее время имеется небольшое количество работ, посвященных определению напряженного состояния бедренной кости с имплантантом с использованием двумерных КЭ моделей и несколько работ с использованием пространственных моделей, но все использованные ранее пространственные модели имеют порядка 3000 степеней свободы, что недо гатрчно для подробного исследования напряженного состояния такой сложной системы БТС-ЭПК. Разработана пространственная КЭ модель БТС-ЭПК. На рис.4.1 представлены характерные сечения БТС-ЭПК. Темным цветом в центре каждого сечения изображен эндопротез, более светлая прослойка между компактной костной тканью и эндопротезом" спонгиозная ткань или костный цемент в зависимости от варианта установки эндопротеза. Большая сложность при разработке пространственных КЭ моделей для каждого конкретного пациента заключается именно в сложности определения и описания геометрических параметров областей занимаемых спонгиозной тканью или костным цементом. Подробное изучение возможно только при проведении томографических исследований.
