Influence of Inclination Angle on the Polyethylene Insert Wear in Experimental Module of Hip Endoprosthesis

Full Text

Введение. У больных коксартрозом в большинстве случаев имеется наружная ротационная контрактура (НРК) тазобедренного сустава (ТБС) разной степени выраженности. Биомеханически контрактура проявляется уменьшением величины угла горизонтальной инклинации в ТБС, обусловленным укорочением мышц группы наружных ротаторов бедра, что в значительной степени нарушает мышечный баланс мышц-ротаторов. Выраженная ротационная контрактура способна нарушить функционирование узла трения эндопротеза ТБС, приводя к повышенному износу подвижных компонентов. Актуальность проблемы была подтверждена данными анализа ранних и отдаленных результатов первичного эндопротезирования ТБС, который показал, что контрактура сохранялась у 55,2% прооперированных [1]. В связи с этим при выполнении замены ТБС с целью восстановления мышечного баланса ротаторов бедра настоятельно рекомендуют интраоперационное устранение НРК [1, 2]. Известно, что износ полиэтиленовой чашки или вкладыша металлической чашки эндопротеза ТБС сопровождается развитием асептической нестабильности имплантата и чем раньше и быстрее изнашивается полиэтилен, тем быстрее развивается это осложнение [3, 4]. Однако износ полиэтилена в лабораторных опытах, моделирующих различное положение компонентов эндопротезов, изучен недостаточно, причем такая оценка условий и степени износа полимерных компонентов на имитаторах является довольно длительным процессом. Для изучения износа полиэтиленового вкладыша металлической чашки эндопротеза ТБС разработаны соответствующие рекомендации [5]. Целью настоящей работы было изучить локализацию и площадь износа полиэтиленового вкладыша в паре трения экспериментального модуля эндопротеза ТБС в лабораторных динамических условиях, имитирующих его биомеханику при НРК. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ С целью выполнения данного исследования была разработана методика - «экспресс-моделирование износа полиэтилена» [6]. Для реализации данной методики предложены специальная головка эндопротеза с шероховатой поверхностью и оригинальный экспериментальный модуль эндопротеза ТБС (рис. 1, а). Эксперименты по изучению износа проведены в испытательной лаборатории ЦИТО им. Н.Н. Приорова на испытательной машине Walter+Bay AG LFV 10-50T при температуре окружающей среды 21-23°С в условиях сухого трения. Для определения локализации износа, подсчета площади участков износа полиэтиленовых вкладышей и их фотофиксации использован стереомикроскоп Leica M125 с видео-тест-системой, представленной цифровой цветной камерой «Leica DFC420» [7]. Стереомикроскоп оснащен лицензионной графической программой анализа изображений с функцией вычисления площади изображения нестандартной формы (рис. 1, б). Программа испытания разработана с помощью программного обеспечения DionPro, позволяющего регистрировать в режиме реального времени текущие значения нагрузки, перемещения и количества циклов, а также останавливать испытание при разрушении образца. При моделировании экспериментов использовали ранее установленное соответствие (табл. 1) между изучаемыми показателями [8]. В эксперименте использованы 64 полиэтиленовых вкладыша. В зависимости от угла инклинации в паре трения - 0°, 10°, 20° и 30° - было сформировано 4 группы - А, Б, В и Г соответственно. Статистическую обработку полученных данных выполняли с помощью аналитического пакета приложения Microsorft Excel Office 2010. Расчет непараметрического критерия Манна - Уитни осуществляли в программной среде BioStat 2007. Различия считали статистически значимыми при р≤0,05. РЕЗУЛЬТАТЫ Как видно из табл. 2, при уменьшении угла инклинации происходило перераспределение участка износа с преобладанием износа в передних (0-90° и 90-180°) и его уменьшением в задних (180-270° и 270- 360°) секторах. Наиболее выраженное смещение износа наблюдалось при начальном изменении угла инклинации на 10°, так что увеличение площади износа в передних секторах составило около 54 мм2. В то же время в задних секторах имело место снижение площади износа на 88 мм2. При дальнейшем уменьшении угла наблюдалось последующее менее значимое увеличение данного показателя в передних секторах вкладышей и его уменьшение - в задних. Что касается суммарной площади износа во всех секторах, то она последовательно снижалась при уменьшении степени инклинации, и при угле 30° в модуле эндопротеза она составляла 91,8% от ее величины в группе А. При анализе изменения площади износа в переднем и заднем отделах внутренней поверхности испытанных вкладышей выявлено, что при угле инклинации в экспериментальном модуле эндопротеза ТБС, равном 0° (группа А), фиксировалась практически одинаковая площадь износа полиэтилена в указанных отделах вкладышей с разницей в 1 мм2. Напротив, при углах инклинации, равных 10°, 20° и 30°, происходило последовательное нарастающее увеличение площади износа в передних отделах полиэтиленовых вкладышей и ее уменьшение - в задних (табл. 3). Схема распределения износа, разница в площади которого по отделам указана в табл. 3, представлена на рис. 2. Видно, что при величине угла инклинации в модуле, равной 0°, наблюдалось равномерное распределение площади износа в отделах вкладышей (рис. 2, а). Определение соотношения площади износа вкладышей при величине угла инклинации в экспериментальном модуле эндопротеза, равной 10° (группа Б, моделирование НРК ТБС 1-й степени), выявило преобладание износа полиэтилена в переднем отделе внутренней поверхности испытываемых вкладышей, составившее 62% общей площади износа (рис. 2, б). При 20° угле инклинации (группа В, моделирование НРК ТБС 2-й степени) усиливался износ полиэтилена в переднем отделе внутренней поверхности испытываемых вкладышей, который достигал 68% от общего износа поверхности (рис. 2, в). При значении угла инклинации в модуле, равном 30° (группа Г, моделирование НРК ТБС 3-й степени), шло дальнейшее нарастание площади износа полиэтилена в переднем отделе внутренней поверхности испытываемых вкладышей до 70%, что составляло более 2/3 общей площади износа (рис. 2, г). Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о неравномерном износе полиэтилена с возрастанием площади износа в переднем отделе вкладышей при уменьшении угла инклинации головки модуля эндопротеза ТБС. ОБСУЖДЕНИЕ Для достижения благоприятных результатов при эндопротезировании ТБС необходимо обеспечить правильное положение ацетабулярного компонента. Положение чашки определяется его установкой под определенными углами абдукции и антеверсии [9] и достаточно широко варьирует. Так, в работе [10] при использовании керамо-керамической пары у 126 (64%) больных на рентгенограммах угол инклинации соответствовал 35-45°, у 64 (33%) больных он равнялся 46-50°, а у 7 (3%) прооперированных он был менее 35°. Наряду с этим в литературе представлены противоречивые данные относительно важности этого параметра. В исследовании T. Kadar и соавт. [11], использовавших пары керамика-полиэтилен и металл-полиэтилен по прошествии 2 лет после операции не выявлено взаимосвязи между углом инклинации и оседанием бедренной головки эндопротеза вследствие износа полиэтилена, так же как и с миграцией чашки при ее цементной фиксации [11]. По результатам более продолжительного 5-летнего исследования с использованием пар керамика-керамика и металл-полиэтилен также сделан вывод об отсутствии связи между углом инклинации и функциональными результатами установки имплантатов [12]. В приведенной ранее работе Т.О. Скипенко [10] доля отличных и хороших результатов через 5-10 лет после установки эндопротеза составила в целом 96%. Следовательно, положительные результаты получены при всех указанных углах инклинации, т.е. фактически независимо от этого показателя, варьирующего от значений менее 35° до 50°. Вместе с тем известно, что одним из основных негативных последствий ненадлежащей установки полиэтиленовой чашки является усиление износа полимера с последующей воспалительной реакцией тканей на частицы износа и развитием нестабильности имплантата. Несмотря на то что большая часть работ посвящена износу полиэтилена, неблагоприятные последствия неправильной установки ацетабулярного компонента проявляются и при использовании металл-металлической пары трения [13]. Было установлено, что в этом случае имеется пороговое значение угла инклинации, равное 50°. При значениях угла, ниже указанного, в крови пациентов спустя 2 года после операции определяли количество кобальта и хрома, равное соответственно 1,6 и 1,9 части на 1 млрд. В случае превышения этого порога содержание указанных металлов составляло 4,4 и 4,3 части на 1 млрд, причем содержание металла в крови пациентов с превышением данного угла всегда было больше, чем у пациентов с меньшей степенью инклинации. В работе, посвященной выяснению важности угла инклинации и фиксирования центра ротации головки для уменьшения износа, установлена связь износа с углом инклинации, но не с центром ротации [14]. При изменениях угла инклинации существенно меняется максимум контактной нагрузки, что коррелирует с величиной объемного износа. В то время как важность угла инклинации во многих работ все же признается, остается неясной связь между изменением угла инклинации и износом компонентов в паре трения эндопротезов. Так, в работе [15] определено, что показатель износа полиэтилена, рассчитанный с применением метода конечных элементов, соответствует износу, измеренному у пациентов с 5-летним сроком имплантации. В ходе рентгенографического анализа установлено, что увеличение угла инклинации связано с большей линейной скоростью износа. В параллельной серии опытов на симуляторе суставов также выявлено, что увеличение угла свыше 45° приводит в среднем к 40% увеличению линейного износа полиэтилена. Подобно этому в ходе 4-летнего исследования показано, что при угле инклинации меньше 45° износ составлял 0,12 мм/год против 0,18 мм/год, если угол был больше 45°, т.е. увеличивался на 50%, что согласуется с данными предыдущей работы [16]. В настоящей работе установлено, что как локализация, так и площадь изнашиваемого участка внутренней поверхности вкладыша зависит от величины угла инклинации в паре трения. При значении этого показателя в экспериментальном модуле эндопротеза, равном 0º, площадь износа полиэтилена в переднем и заднем отделах практически одинакова. Уменьшение угла инклинации вызывает смещение участка износа в передний отдел вкладыша. При этом общая площадь износа снижается, что при сохраняющейся величине нагрузки создает условия для повышенного износа полимера в участке контакта с головкой эндопротеза. Это согласуется с результатами ряда недавно проведенных исследований. Так, используя симулятор суставов и метод конечных элементов, было изучено влияния разных углов инклинации (0°, 40°, 50° и 70°) на скорость и площадь изнашивания полиэтилена, а также на контактную нагрузку [17]. Показано, что существует обратная взаимосвязь между скоростью объемного износа полимера и углом инклинации, так что больший угол инклинации скорее связан с меньшим, а не большим износом. Однако, по мнению авторов, это обстоятельство теряет свое значение в свете возможных осложнений в виде импинджмента, нежелательной краевой нагрузки чашки при более крутых углах ее установки. Эти осложнения могут быть объяснением неудовлетворительной работы имплантата при углах инклинации более 40°. В статье [18] также указано, что износ полиэтилена больше при уменьшении угла инклинации чашки. Такая же связь установлена и в работе [19], в которой проведено рентгенологическое изучение эндопротезов ТБС у 95 пациентов. Подчеркнуто, что объемный износ статистически значимо снижался при увеличении угла инклинации (р<0,006). Также при этом обращено внимание на повышение риска вывиха искусственной головки из чашки. Заключение. Таким образом, полученные результаты свидетельствуют, что при моделировании сохранения баланса ротаторов бедра в ТБС (угол инклинации в модуле равен 0º) достигается надлежащая центрация головки во вкладыше экспериментального модуля эндопротеза, и, соответственно, равномерное распределение нагрузки. Уменьшение угла инклинации сопровождается увеличением площади износа в передних отделах вкладышей и снижением общей площади износа, что приводит к повышению удельной нагрузки на полиэтиленовый вкладыш. Вследствие смещения изнашивания в передний отдел происходит нарушение должной сферической формы внутренней поверхности полимерного вкладыша, что дополнительно ухудшает функционирование трущейся пары и эндопротеза ТБС в целом.

About the authors

A. I Kolesnik

Kursk State Medical University Russia

Email: ko-lesnik@mail.ru

N. S Gavryushenko

N.N. Priorov Central Institute of Traumatology and Orthopaedics

V. G Bulgakov

N.N. Priorov Central Institute of Traumatology and Orthopaedics

E. B Frolov

L. V Fomin

N.N. Priorov Central Institute of Traumatology and Orthopaedics

References

Supplementary files