The history of the development of elbow arthroplasty

Alimurad G. Aliev; Алиев Алимурад Газиевич; Andrey V. Ambrosenkov; Амбросенков Андрей Васильевич; Magomed A.  Cherkasov; Черкасов Магомед Ахмедович; Andrey Alexandrovich Boyarov; Бояров Андрей Александрович; Hasan K. Idrisov; Идрисов Хасан Кюриевич; Alexandr  O.  Badmaev; Бадмаев Александр   Оконович

doi:10.17816/vto44908

The history of the development of elbow arthroplasty

Authors: Aliev A.G.¹, Ambrosenkov A.V.¹, Cherkasov M.A.¹, Boyarov A.A.¹, Idrisov H.K.¹, Badmaev A.O.¹
Affiliations:
1. Vreden Russian Research Institute of Traumatology and Orthopedics
Issue: Vol 28, No 2 (2021)
Pages: 55-62
Section: SCIENTIFIC REVIEWS
URL: https://journals.eco-vector.com/0869-8678/article/view/44908
DOI: https://doi.org/10.17816/vto44908
ID: 44908

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Total elbow arthroplasty is a good alternative surgical solution for many patients with severe traumatic and inflammatory joint injuries. In case of bones multiple fractures of the elbow joint, arthroplasty can restore the stability of the joint and provide early mobilization of the limb, which is not always possible when performing osteosynthesis. This literature review provides information on the design features of foreign and domestic endoprostheses of the elbow joint, long-term results of operations. The turbulent history of the development of elbow arthroplasty goes back over 60 years. At the same time, due to insufficient understanding of the biomechanics of the joint, the first attempts at its arthroplasty failed. Only in the early 70s, in connection with the improvement of the endoprostheses design and the operation technique, publications on the successful results of total elbow arthroplasty appear in the literature. In the 80s of the XX century implants with a semi-connected design and cemented placement technique have been developed, which still demonstrate better long-term results in comparison with implants with anatomical design. The analysis of publications on the topic of total elbow arthroplasty showed that significant achievements were observed only in the early 1990s, which is largely due to a better understanding of the biomechanics of the elbow joint, as a result, to the improvement of implant design and surgical technique.

Keywords

arthroplasty, elbow joint, endoprosthesis design, postoperative complications

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Тотальное эндопротезирование (ТЭП) локтевого сустава (ЛС) может быть хорошим альтернативным хирургическим решением для многих пациентов с выраженными повреждениями суставов травматического и воспалительного характера [1–3]. При многооскольчатых переломах костей ЛС эндопротезирование позволяет восстановить стабильность сустава и обеспечить раннюю мобилизацию конечности, что далеко не всегда удается при выполнении остеосинтеза [4, 5]. Кроме того, длительность реабилитационного периода после замещения сустава на искусственный в отличие от остеосинтеза существенно короче. У пожилых пациентов с невысоким уровнем активности эндопротезирование демонстрирует лучшие результаты в отдаленном периоде [6]. Однако в сравнении с артропластикой тазобедренного и коленного суставов, замещение ЛС характеризуется большей частотой осложнений, требующих выполнения ревизии [7, 8], в структуре которых преобладают асептическое расшатывание, перипротезная инфекция и разобщение компонентов эндопротеза [9].

Первые задокументированные сведения, описывающие выполнение резекции ЛС при его тяжелых заболеваниях, найдены еще в сочинениях Амбруаза Паре [10], а первая зарегистрированная операция по замещению сустава осуществлена хирургом H. Robinean в 1925 г. [11]. Позже, в публикациях 40-х, 50-х годов XX в. описаны различные способы реконструкции костей ЛС. В 1952 г. C. Venable [12] и позже в 1965 г. J. Barr и R. Eaton [13] разработали дизайн бесцементного эндопротеза дистального отдела плечевой кости, предназначенный для пациентов, перенесших тяжелые травмы и их последствия. В зарубежной и отечественной литературе середины XX в. также встречались публикации, сообщавшие об использовании индивидуально изготовленных тотальных эндопротезов (ЭП) при выраженных костных дефектах ЛС, когда единственным альтернативным методом являлось выполнение артродеза [14]. Однако вследствие недостаточного понимания биомеханики ЛС первые попытки его тотальной артропластики терпели неудачи. В конце 60-х годов XX столетия возникла концепция ресерфейсинга. D. Street и P. Stevens [15] спроектировали дизайн суставной поверхности блока и головочки плечевой кости. Данная модель подразумевала выполнение минимальной резекции дистального отдела плеча для сохранности коллатеральных связок. Для производства конструкций использовали такие материалы, как нейлон, акрил, нержавеющая сталь, вулканизированная резина. Несмотря на то что некоторые имплантированные ЭП позволяли купировать болевой синдром, большинство из них обеспечивали неполную амплитуду движений, приводили к развитию нестабильности ЛС, так как часто во время операции повреждались коллатеральные связки. Таким образом, до конца 1960-х годов клинический опыт ТЭП ЛС демонстрировал только в единичных случаях успешные отдаленные результаты.

В начале 1970-х годов R. Dee разработал модель ЭП со связанным дизайном (плечевой и локтевой компоненты связаны в шарнире с одной степенью свободы) и впервые применил костный цемент при имплантации компонентов [16]. В сравнении с предшествующими имплантатами, данная модель ЭП позволяла восстановить объем движений в ЛС в пределах 100–110° (от 60–70° сгибания до 160° разгибания). Однако при оценке результатов ТЭП связанных имплантатов был выявлен высокий процент ранних расшатываний. Как позже выяснилось, наличие одноплоскостного шарнира в ЭП не повторяет биомеханики плечелоктевого сустава, в котором в норме возможны движения во фронтальной плоскости в пределах 3–4° (рис. 1). Возникновение стрессовых нагрузок на компоненты ЭП и цементную мантию довольно скоро приводило к расшатыванию в интерфейсе «цемент–кость».

Рис. 1. Схематическое изображение биомеханики локтевого сустава (пояснение в тексте)

Fig. 1. Schematic representation of the elbow joint biomechanics (the explanation is in text)

Швейцарский ученый R. Pritchard, пытаясь решить проблему раннего расшатывания, разработал несвязанный ЭП c анатомическим дизайном, состоящий из трех компонентов — The Pritchard ERS (Depuy, Warsaw, IN). Лучевой компонент, по мнению автора, должен принять на себя часть нагрузки на плечевой и локтевой компоненты, за счет чего, продлить срок службы ЭП. Кроме того, конструкция ЭП была оснащена полиэтиленовыми втулками. Несвязанные имплантаты предназначались для пациентов с ревматоидным поражением ЛС с сохраненными коллатеральными связками [17]. Однако использование данных конструкций не снизило процент послеоперационных осложнений. Сложная техника имплантации ЭП, часто не позволявшая выполнить установку компонентов в правильном положении, приводила к инконгруэнтности плечелоктевого сустава при его движениях, дисбалансу мягких тканей и раннему износу полиэтиленовых втулок. По данным R.P. van Riet и соавт. [18], проанализировавших отдаленные результаты ЭП марки The Pritchard ERS у 37 пациентов, выживаемость имплантатов на сроке в 120 мес составила 50%, а осложнения наблюдались у 83% прооперированных.

В 1970 г. R.W. Coonrad из клиники Мэйо разработал ЭП, компоненты которого были соединены в полужестком шарнире (полусвязанный дизайн) с полиэтиленовыми втулками повышенной прочности [19]. В 1978 г. в этой же клинике J. Dobyns и соавт. [20] разработали трехкомпонентный несвязанный ЭП Mayo с анатомическим дизайном, плечевой компонент которого был выполнен из стали, а локтевой и лучевой компоненты — из полиэтилена. Существенным отличием от предшествующих моделей являлось наличие фланца на передней поверхности плечевого компонента, который должен был повышать стабильность его посадки в диафизе плечевой кости.

В 1981 г. опубликованы среднесрочные результаты 80 тотальных артропластик ЭП Coonrad и Mayo, выполненных 72 пациентам с различной патологией ЛС. Хорошие и отличные результаты наблюдались в 60% случаев, а осложнения — в 55% случаев. Среди них: асептическое расшатывание, перипротезная инфекция, отрыв трицепса, невропатия локтевого нерва, перелом латерального и медиального надмыщелков плечевой кости. Тем не менее использование данных протезов позволяло в большинстве случаев купировать боль и восстанавливать объем движений в ЛС в среднем от 24° разгибания до 129° сгибания [21].

В 1978 г. N. Gschwend разработал ЭП GSB III, дизайн которого представлял собой усовершенствованную версию ЭП GSB (рис. 2), не получившего повсеместного признания среди хирургов вследствие крайне высокой частоты расшатывания. Новая модель отличалась полусвязанным дизайном (рис. 3). Кроме того, дистальный отдел плечевого компонента оснащен широкими опорными поверхностями для установки на надмыщелки. Интра- и экстрамедуллярная фиксация, по мнению автора, должна обеспечить высокую ротационную стабильность. По результатам исследования M. Schöni и соавт. [22], 10-летняя выживаемость имплантата составила 80%, а 20-летняя — 67%.

Рис. 2. Эндопротез локтевого сустава со связанным дизайном GSB

Fig. 2. Total elbow endoprosthesis with constrained design GSB

В 1981 г. B. Morrey, объединив достоинства протезов Coonrad и Mayo (полужесткий шарнир и передний фланец плечевого компонента), спроектировал двухкомпонентный ЭП Coonrad – Morrey (рис. 4), до настоящего времени применяемый во всем мире. Десятилетняя выживаемость имплантата по данным разных источников составляет от 68 до 89,5% [23–26].

Рис. 3. Усовершенствованная модель эндопротеза локтевого сустава — GSB III. Более поздняя версия отличается наличием опорных фланцев для более плотной посадки на надмыщелки плечевой кости

Fig. 3. An advanced model of the elbow joint endoprosthesis — GSB III. The later version characterized by the presence of supporting flanges for a tighter fit on the humerus epicondyles

В России первая публикация о выполненной тотальной артропластике ЛС принадлежит Ф. Спахиу, который в 1955 г. имплантировал разработанный им эндопротез шарнирного типа, состоящий из нержавеющей стали и полиметилметакрилата [11].

В 1966 г. один из основоположников эндопротезирования профессор К.М. Сиваш предложил свою конструкцию тотального ЭП бесцементной фиксации, состоящего из высокопрочного титанового сплава (рис. 5). Полужесткое крепление компонентов в шарнире достигалось за счет узла подвижности, выполненного в форме шара. Десятью годами позже была выпущена его модификация (с удлиненным плечевым компонентом, дистальный отдел которого увеличен в диаметре), предназначенная для выраженных дефектов плечевой кости, возникающих в результате тяжелых травм или после удаления опухолей.

Рис. 4. Тотальный эндопротез локтевого сустава Coonrad – Morrey. Модель характеризуется полусвязанным дизайном, допускающим движения во фронтальной плоскости в пределах 7°

Fig. 4. Total elbow endoprosthesis Coonrad-Morrey. The model has a semi-constrained design that allows movement in the frontal plane within 7 degrees

В 1968 г. В.Ю. Голяховским выпущена новая модель тотального ЭП ЛС. В дистальной части плечевого компонента и проксимальной части локтевого имеется чашеобразное ложе с перфорированными стенками, обеспечивающее дополнительную стабильность фиксации имплантата.

В 1978 г. В.М. Прохоренко разработал тотальный связанный ЭП «ЭСИ», принципиально отличавшийся от предшественников дизайном плечевого компонента. Последний, для придания более высокой ротационной устойчивости, оснащен треугольной пластиной с желобами (рис. 6). Последующие модификации ЭП (1988, 2001, 2005 г.) отличаются более высокой прочностью используемых сплавов, биоинертным покрытием, наличием сверхмолекулярного полиэтилена в паре трения, однако дизайн модели остался практически неизменным [11]. При анализе отдаленных результатов у 320 пациентов с данными имплантатами отличные и хорошие результаты наблюдались у 286 пациентов (89,4%), удовлетворительные — у 20 (6,2%), и неудовлетворительные — у 14 (4,4%) [27].

Рис. 5. Тотальный эндопротез локтевого сустава «Сиваш». Шаровидный шарнир позволяет осуществлять движения во всех плоскостях

Fig. 5. Total elbow endoprosthesis Sivash. The spherical hinge allows for movement in all planes

Рис. 6. Тотальный эндопротез локтевого сустава «ЭСИ» со связанным дизайном

Fig. 6. Total elbow endoprosthesis ESI with fully constrained design

В 2005 г. Г.И. Жабин с соавт. [28] спроектировали дизайн связанного ЭП цементной фиксации «Арете», состоящего из титанового сплава и высокомолекулярного полиэтилена (рис. 7). Имплантат характеризуется наличием вальгусного угла между компонентами, составляющего при разгибании 5° (что соответствует физиологическому вальгусному углу в локтевом суставе), а также нежестким креплением в шарнире, позволяющим осуществлять помимо сгибания/разгибания в пределах 150° боковые отклонения и ротацию в пределах 3–4°. Таким образом, воспроизведение несущего угла и обеспечение физиологического объема движений в локтевом суставе, по мнению авторов, позволит поглотить часть нагрузок, прилагаемых на цементную мантию. Однако даннная модель ЭП не получила широкого применения ввиду недостаточной ротационной стабильности плечевого компонента, впоследствии приводящей к его расшатыванию [29].

Рис. 7. Эндопротез локтевого сустава с полусвязанным дизайном «Арете»

Fig. 7. Total elbow endoprosthesis with semi-constrained design Arete

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, бурная история развития эндопротезирования ЛС насчитывает более 60 лет. При этом вследствие недостаточного понимания биомеханики сустава первые попытки его артропластики терпели неудачи. Только в начале 70-х годов в связи с усовершенствованием дизайна ЭП и техники операции в литературе появляются публикации об успешных результатах ТЭП. В 80-х годах XX в. были разработаны имплантаты с полусвязанным дизайном и цементной техникой установки, которые до сих пор демонстрируют лучшие результаты в отдаленном периоде в сравнении с имплантатами с анатомическим дизайном. Тем не менее, несмотря на прошедшие усовершенствования в ТЭП ЛС, ввиду довольно высокой частоты осложнений, данная операция в настоящее время не вошла в рутинную работу травматологов и ортопедов.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ / ADDITIONAL INFO

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Author contribution. Thereby, all authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Conflict of interest. The authors declare that they have no competing interests.

Источник финансирования. Не указан.

Funding. Not specified.