Мобильная версия

Журнал «Травма» Том 24, №1, 2023

Перелом вертлюгової западини типу 62-B1.3 (АO/ASIF). Напружено-деформований стан системи «ендопротез — таз» (частина друга)

Авторы: Вирва О.Є., Ватаманіца Д.Б., Карпінський М.Ю., Яресько О.В.
ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна

Рубрики: Травматология и ортопедия

Разделы: Клинические исследования

Актуальність. Застосування Jumbo cup є однією з найпоширеніших опцій, що вирішує проблему надійного встановлення ацетабулярного компонента за наявності обширних дефектів кульшової западини Paprosky IIIa-IIIb. При імплантації ацетабулярного компонента збільшеного розміру виконується широка обробка кульшової западини з формуванням нативного кісткового ложа збільшеної площі, що, у свою чергу, утворює більш надійну опору для фіксації чашки при допустимій проксималізації центру ротації суглоба. Мета: дослідити зміни величин напружень у моделі кульшового суглоба при його ендопротезуванні з використанням чашки Jumbo cup за умови наявності перелому кульшової западини типу 62-B1.3 за класифікацією АO/ASIF з використанням різних варіантів остеосинтезу. Матеріали та методи. Розроблена базова модель тазового поясу людини зі стегновими кістками, на якій моделювали перелом дна кульшової западини типу 62-B1.3 за класифікацією АO/ASIF. Розглядали варіанти ендопротезування з використанням чашки Jumbo cup та елементів остеосинтезу: фіксація фрагмента задньої стінки кульшової западини двома гвинтами й накістковою пластиною; фіксація фрагмента задньої стінки кульшової западини двома гвинтами й накістковою пластиною, довгий гвинт у передній колоні; фіксація фрагмента задньої стінки кульшової западини двома гвинтами, довгі гвинти в передній і задній колонах. Моделі навантажували вертикальною розподіленою силою величиною 540 Н. Між великим вертлюгом лівої стегнової кістки й крилом здухвинної кістки імітували дію аддукторів стегна шляхом введення відповідних сил: gluteus medius — 1150 Н і gluteus minimus — 50 Н. Результати. Використання чашки Jumbo cup дає неоднозначні результати. З одного боку, це дозволяє знизити рівень напружень уздовж верхнього краю кульшової западини і, відповідно, навколо верхніх гвинтів, що фіксують чашку ендопротеза. Це відбувається за рахунок збільшення площі контакту чашки з кістковою тканиною саме у верхній частині, на яку припадає основне навантаження. У той же час значно збільшуються величини напружень у центральній зоні дна кульшової западини і вздовж лінії перелому. Це викликано тим, що при встановленні чашки більшого діаметра стоншується кортикальний шар кульшової западини, який забезпечує міцність кісток і приймає на себе основні навантаження. Висновки. Використання чашки великого діаметра дозволяє знизити рівень напружень уздовж верхнього краю кульшової западини і, відповідно, навколо верхніх гвинтів, що фіксують чашку ендопротеза. У той же час значно збільшуються величини напружень у центральній зоні дна кульшової западини і вздовж лінії перелому. Використання додаткових засобів остеосинтезу дозволяє знизити рівень напружень у кісткових елементах моделі, а також на гвинтах, які фіксують чашку ендопротеза. За критерієм величини напружень на фіксуючих елементах моделі перевага чашки Jumbo cup полягає тільки в зниженні величини напружень на гвинтах, що фіксують вільний фрагмент заднього краю кульшової западини. На інших фіксуючих елементах рівень напружень дорівнює показникам моделей із чашкою стандартного розміру.

Background. The use of the Jumbo cup is one of the most common options, which solves the problem of reliable installation of the acetabular component in extensive acetabular defects of Paprosky IIIa-IIIb. When implanting an oversized acetabular component, a wide treatment of the acetabulum is performed with the formation of a native bone bed of an increased area, which, in turn, forms a more reliable support for fixing the cup with an acceptable proximalization of the joint rotation center. The purpose was to investigate the changes in the stress values of the hip joint model during its arthroplasty using the Jumbo cup in the presence of acetabular fracture type 62-B1.3 according to the AO/ASIF classification using various osteosynthesis options. Materials and methods. A basic model of the human pelvic girdle with femurs was developed on which a 62-B1.3 acetabular floor fracture was modeled according to the AO/ASIF classification. Arthroplasty options using the Jumbo cup and elements of osteosynthesis were considered: fixation of a fragment of the posterior acetabular wall with two screws and a bone plate; fixation of a fragment of the posterior acetabular wall with two screws and a bone plate, a long screw in the posterior column; fixation of the fragment of the posterior acetabular wall with two screws, long screws in the anterior and posterior columns. A vertical distributed force of 540 N was applied to the models. Between the greater trochanter of the left femur and the iliac wing, the action of the thigh adductors was simulated by introducing the appropriate forces: gluteus medius — 1150 N and gluteus minimus — 50 N. Results. Using the Jumbo cup gives ambiguous results. On the one hand, this allows you to reduce the level of stress along the upper edge of the acetabulum, and, accordingly, around the upper screws that fix the endoprosthesis cup. This happens due to an increase in area of the cup contact with the bone tissue in the upper part, which bears the main load. At the same time, stress values in the central zone of the acetabular floor and along the fracture line increase significantly. This is caused by the fact that when installing a cup with a larger diameter, the cortical layer of the acetabulum, which ensures the strength of the bones and takes on the main loads, thins. Conclusions. The use of a large-diameter cup allows reducing the stress level along the upper edge of the acetabulum, and, accordingly, around the upper screws fixing the endoprosthesis cup. At the same time, stress values in the central zone of the acetabular floor and along the fracture line increase significantly. The use of additional means of osteosynthesis allows reducing the stress level in the bone elements of the model, as well as on the screws that fix the cup of the endoprosthesis. According to the criterion of stress value on the fixing elements of the model, the advantage of the Jumbo cup consists only in reducing the stress value on the screws that fix the free fragment of the posterior acetabular edge. On other fixing elements, the stress level is equal to that of models with a standard size cup.

Ключевые слова

кульшова западина; перелом; ендопротезування; остеосинтез; деформація

acetabulum; fracture; arthroplasty; osteosynthesis; deformity

doi: http://dx.doi.org/10.22141/1608-1706.1.24.2023.925

Вступ

Первинне ендопротезування успішно застосовується при лікуванні переломів кульшової западини у випадках безперспективності її реконструкції. При проведенні ендопротезування одним з питань, яке необхідно вирішувати, є стабільна фіксація ацетабулярного компонента ендопротеза в умовах наявності переломів тазових кісток, що утворюють кульшову западину. Застосування Jumbo cup є однією з найпоширеніших опцій, що вирішує проблему надійного встановлення ацетабулярного компонента за наявності обширних дефектів кульшової западини Paprosky IIIa-IIIb. Ми провели аналогію між дефектами кульшової западини нетравматичного генезу і переломами й припустили доцільність використання Jumbo cup за наявності перелому.

Більшість сучасних публікацій визначає Jumbo cup як ацетабулярний компонент ендопротеза кульшового суглоба, що має діаметр 66 мм і більше для чоловіків і 62 мм для жінок [1]. За альтернативним визначенням розмір Jumbo cup визначається індивідуальними анатомічними параметрами й утворюється шляхом додавання 10 мм до рентгенологічно встановленого діаметра протилежної кульшової западини [2].

При імплантації ацетабулярного компонента збільшеного розміру виконується більш широка обробка кульшової западини з формуванням нативного кісткового ложа збільшеної площі, що, у свою чергу, утворює більш надійну опору для фіксації чашки при допустимій проксималізації центру ротації суглоба. Встановлення Jumbo cup здійснюється за допомогою стандартної техніки й інструментарію, не потребує додаткових аугментів чи антипротрузійних кілець. Такі особливості фіксації чашки повню мірою реалізовані в ревізійній хірургії кульшового суглоба.

Мета: дослідити зміни величин напружень у моделі кульшового суглоба при його ендопротезуванні з використанням чашки Jumbo cup в умовах наявності перелому кульшової западини типу 62-B1.3 за класифікацією АO/ASIF з використанням різних варіантів остеосинтезу.

Матеріали та методи

У лабораторії біомеханіки ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України» була розроблена базова скінченно-елементна модель тазового поясу людини зі стегновими кістками [3]. Зовнішній вигляд моделі наведено на рис. 1.

На базовій моделі моделювали перелом дна кульшової западини типу 62-B1.3 за класифікацією АO/ASIF [4]. Моделювання виконували шляхом встановлення по лініях перелому прошарків з механічними властивостями кісткового регенерату (рис. 2).

Також моделювали 7 варіантів ендопротезування лівого кульшового суглоба. Перші 4 варіанти були розглянуті в нашій попередній публікації [4]. У даній роботі розглянемо варіанти ендопротезування з використанням чашки Jumbo cup та елементів остеосинтезу при цьому типі перелому кульшової западини:

— варіант 5 — чашка Jumbo cup з фіксацією фрагмента задньої стінки кульшової западини двома гвинтами й накістковою пластиною;

— варіант 6 — чашка Jumbo cup з фіксацією фрагмента задньої стінки кульшової западини двома гвинтами й накістковою пластиною, довгий гвинт у передній колоні;

— варіант 7 — чашка Jumbo cup з фіксацією фрагмента задньої стінки кульшової западини двома гвинтами, довгі гвинти в передній і задній колонах.

На рис. 3 наведені варіанти установки чашки ендопротеза кульшового суглоба з елементами остеосинтезу кульшової западини.

У нашому дослідженні матеріал вважався однорідним та ізотропним. Як кінцевий елемент був обраний 10-вузловий тетраедр з квадратичною апроксимацією. Усі матеріали, з яких складалися моделі, одержали відповідні механічні властивості, такі як модуль пружності Юнга й коефіцієнт Пуассона. Механічні властивості біологічних тканин було обрано згідно з даними літератури [5–8]. Властивості металоконструкцій було обрано відповідно до даних технічної літератури [9]. Дані про механічні характеристики матеріалів, що використовували в моделюванні, наведені в табл. 1.

У процесі дослідження моделювали одноопорне стояння на лівій кінцівці. Для цього моделі навантажували вертикальною розподіленою силою величиною 540 Н, що відповідає середній вазі людини без урахування ваги опорної кінцівки. Між великим вертлюгом лівої стегнової кістки й крилом здухвинної кістки імітували дію аддукторів стегна шляхом введення відповідних сил. Моделювали дію gluteus medius (середній сідничний м’яз) силою 1150 Н і gluteus minimus (малий сідничний м’яз) силою 50 Н [10, 11]. У ділянці колінного суглоба на рівні виростків лівої стегнової кістки всі моделі мали жорстке закріплення. Схема навантаження моделей наведена на рис. 5.

Для порівняння змін напружено-деформованого стану різних варіантів моделей вивчали величину механічних напружень у певних контрольних точках. Схему розташування контрольних точок, у яких проводили контроль величини напружень, наведено на рис. 5.

Також визначали максимальні величини напружень на фіксуючих елементах:

— гвинти, що фіксують чашку ендопротеза;

— гвинти, що фіксують вільний фрагмент кульшової западини;

— гвинти, що фіксують пластину;

— передній стрижень;

— задній стрижень.

Дослідження напружено-деформованого стану моделей виконували за допомогою методу скінченних елементів. Як критерій оцінки напруженого стану моделей використовували напруження за Мізесом [12].

Моделювання виконували за допомогою системи автоматизованого проєктування SolidWorks. Розрахунки напружено-деформованого стану моделей виконували за допомогою програмного комплексу CosmosM [13].

Результати та обговорення

На першому етапі роботи вивчали напружено-деформований стан моделі з чашкою Jumbo cup та остеосинтезом з фіксацією фрагмента задньої стінки кульшової западини двома гвинтами й накістковою пластиною (варіант 1). Картину розподілу напружень у моделі наведено на рис. 6.

Проведені дослідження показали, що використання чашки Jumbo cup при ендопротезуванні кульшового суглоба з переломом кульшової западини типу 62-B1.3 за класифікацією АO/ASIF призводить до зміщення зони максимальних напружень у кісткових елементах моделі в центральну частину кульшової западини й на лінію перелому. При цьому максимальне значення напружень 35,7 МПа визначається саме в центрі кульшової западини. Уздовж лінії перелому дна кульшової западини й навколо вільного фрагмента її задньої стінки напруження визначаються на рівні 24,9 і 24,0 МПа відповідно. Слід відмітити, що порівняно з моделями, у яких використовували чашку стандартного розміру, спостерігається зниження величини напружень по верхньому краю кульшової западини, де вони не перевищують позначок 23,3 МПа в передній частині та 16,9 МПа — у задній. Напруження на вільному фрагменті залишаються на невисокому рівні — 2,5 МПа. Також низький рівень напружень визначається навколо верхніх гвинтів, що фіксують чашку ендопротеза, де вони не перевищують позначки 0,2 МПа. Що стосується нижніх гвинтів, то основне навантаження падає на передній гвинт і викликає навколо нього напруження величиною 21,9 МПа.

Серед кріпильних елементів найвищий рівень напружень 192,7 МПа визначається на гвинтах, що фіксують фрагмент задньої стінки кульшової западини. На гвинтах, що фіксують чашку ендопротеза й накісткову пластину, напруження значно нижчі, вони становлять 65,8 і 53,9 МПа відповідно.

Розглянемо, як змінюється напружено-деформований стан моделі з переломом кульшової западини після введення довгого гвинта в передню колону. На рис. 7 наведено картину розподілу напружень у моделі (варіант 2).

Введення довгого гвинта в передню колону знижує рівень напружень у кульшовій западині. Так, у її центрі напруження знижуються до позначки 31,6 МПа, уздовж лінії перелому по дну кульшової западини й навколо вільного фрагмента задньої стінки — до 22,1 МПа, по верхньому краю западини — до 22,8 МПа в передній частині й до 15,5 МПа — у задній. Напруження на вільному фрагменті визначаються на рівні 1,6 МПа. Навколо гвинтів, що фіксують чашку ендопротеза, зміни відбуваються тільки в нижній частині, де напруження знижуються до 19,8 і 2,1 МПа навколо переднього й заднього гвинтів відповідно.

Значне зниження рівня напружень спостерігається і на самих фіксуючих елементах. Найвищій рівень напружень — 164,9 МПа — залишається на гвинтах, що фіксують вільний фрагмент. На гвинтах, що фіксують чашку ендопротеза, максимальний рівень знижується до 36,4 МПа, на гвинтах, що фіксують пластину, — до 40,7 МПа. На самому довгому гвинті напруження визначаються на рівні 62,5 МПа.

У випадку введення другого довгого гвинта в задню опорну колону виникає картина розподілу напружень у моделі, наведена на рис. 8.

Введення другого довгого гвинта в задню опорну колону незначно знижує рівень напружень у центральній зоні кульшової западини — до 29,7 МПа і вздовж усієї лінії перелому на дні западини — до 20,4 МПа і трохи підвищує напруження навколо вільного фрагмента задньої її стінки — до 22,6 МПа, при цьому на самому фрагменті напруження знижуються до рівня 1,6 МПа. По верхньому краю кульшової западини рівень напружень не змінюється. Також без змін залишається рівень напружень навколо верхніх гвинтів, що фіксують чашку ендопротеза. Навколо нижніх гвинтів напруження незначно знижуються до 19,3 МПа навколо переднього і підвищуються до 2,6 МПа — навколо заднього.

На самих гвинтах, що фіксують чашку ендопротеза, спостерігається незначне підвищення рівня напружень до 37,8 МПа, також напруження підвищуються на гвинтах, що фіксують фрагмент задньої стінки западини, до 171,2 МПа. Напруження на стрижні в передній колоні практично не змінюється — 62,4 МПа, а на гвинті в задній колоні визначається на рівні 32,2 МПа.

Дані про величини напружень у контрольних точках моделей кульшової западини наведені в табл. 2.

Для наочного порівняння величин напружень у контрольних точках на кісткових елементах моделей кульшового суглоба при його ендопротезуванні в умовах наявності перелому кульшової западини типу 62-B1.3 за класифікацією АO/ASIF з використанням чашки стандартного розміру і чашки Jumbo cup була побудована діаграма, наведена на рис. 9.

На наведеній діаграмі видно, що використання чашки великого діаметра дає неоднозначні результати. З одного боку, це дозволяє знизити рівень напружень уздовж верхнього краю кульшової западини і, відповідно, навколо верхніх гвинтів, що фіксують чашку ендопротеза. Це відбувається за рахунок збільшення площі контакту чашки з кістковою тканиною саме у верхній частині, на яку припадає основне навантаження. У той же час значно збільшуються величини напружень у центральній зоні дна кульшової западини і вздовж лінії перелому. Це викликано тим, що при встановленні чашки більшого діаметра стоншується кортикальний шар кульшової западини, який забезпечує міцність кісток і приймає на себе основні навантаження. У зв’язку з цим виникає питання доцільності використання чашки Jumbo cup при переломах даного типу. Можливо, краще її використовувати за наявності дірчастого дефекту дна кульшової западини, коли кортикальний шар взагалі відсутній. У такому випадку зниження напружень по верхньому краю западини буде значною перевагою.

Дані про величини напружень у фіксуючих елементах моделей кульшового суглоба при його ендопротезуванні в умовах перелому дна кульшової западини з використанням чашки стандартного розміру [4] і чашки Jumbo cup наведені в табл. 3.

Діаграма, наведена на рис. 10, дозволяє здійснити наочне порівняння величин напружень у фіксуючих елементах моделей кульшового суглоба при його ендопротезуванні в умовах наявності перелому кульшової западини типу 62-B1.3 за класифікацією АO/ASIF.

Як бачимо на діаграмі, за критерієм величини напружень на фіксуючих елементах моделі перевага чашки Jumbo cup полягає тільки в зниженні величини напружень на гвинтах, що фіксують вільний фрагмент заднього краю кульшової западини.

Висновки

1. Використання чашки великого діаметра дозволяє знизити рівень напружень уздовж верхнього краю кульшової западини і, відповідно, навколо верхніх гвинтів, що фіксують чашку ендопротеза. У той же час значно збільшуються величини напружень у центральній зоні дна кульшової западини і вздовж лінії перелому.

2. Використання додаткових засобів остеосинтезу дозволяє знизити рівень напружень в кісткових елементах моделі, а також на гвинтах, які фіксують чашку ендопротеза.

3. За критерієм величини напружень на фіксуючих елементах моделі перевага чашки Jumbo cup полягає тільки в зниженні величини напружень на гвинтах, що фіксують вільний фрагмент заднього краю кульшової западини. На інших фіксуючих елементах рівень напружень дорівнює показникам моделей із чашкою стандартного розміру.

Конфлікт інтересів. Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів і власної фінансової зацікавленості при підготовці даної статті.

Отримано/Received 04.01.2023

Рецензовано/Revised 19.01.2023

Прийнято до друку/Accepted 25.01.2023

Список литературы

1. McLaughlin J.R., Lee K.R. Acetabular revision arthroplasty using an uncemented deep profile jumbo component: a ten to sixteen year follow-up study. J. Arthroplasty. 2018. 33. 496-9. 10.1016/j.arth.2017.09.002.

2. Jo W.L., Lim Y.W., Im J.H., Kim S.C., Kwon S.Y., Kim Y.S. Comparative study of peripheral rim fixation using jumbo cup in revisional hip arthroplasty. Hip Pelvis. 2017. 29. 24-9. 10.5371/hp.2017.29.1.24.

3. Бондаренко С.Є., Денисенко С.А., Карпінський М.Ю., Яресько О.В. Дослідження впливу чашок ендопротезів кульшових суглобів із пористого титану на розподіл напружень у кістковій тканині (математичне моделювання). Травма. 2021. 22(3). 28-37. DOI: 10.22141/1608-1706.3.22.2021.236320.

4. Вирва О.Є., Ватаманіца Д.Б., Карпінський М.Ю., Яресько О.В. Перелом вертлюгової западини типу 62-B1.3 (АO/ASIF). Напружено-деформований стан системи «ендопротез — таз» (частина перша). Травма. 2022. Т. 23. № 6.

5. Березовский В.А., Колотилов Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека: Справочник. Київ: Наукова думка, 1990. 224 с.

6. Васюк В.Л., Коваль О.А., Карпінський М.Ю., Яресько О.В. Математичне моделювання варіантів остеосинтезу переломів дистального метаепіфіза великогомілкової кістки типу С1. Травма. 2019. 20(1). 37-46. DOI: 10.22141/1608-1706.1.20.2019.158666.

7. Корж М.О., Романенко К.К., Прозоровський Д.В., Карпінський М.Ю., Яресько О.В. Математичне моделювання впливу деформації кісток гомілки на навантаження суглобів нижньої кінцівки. Травма. 2016. 17(3). 23-24.

8. Gere J.M., Timoshenko S.P. Mechanics of Material. 1997. P. 912.

9. Mitsuo Niinomi. Mechanical biocompatibilities of titanium alloys for biomedical applications. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials 1. 2008. 30. 42. doi: 10.1016/j.jmbbm.2007.07.001.

10. Tyazhelov O., Filipenko V., Yaresko O., Bondarenko S. Математична модель тазa для розрахунку його напружено-деформованого стану. Ортопедия, травматология и протезирование. 2015. 1. 25-33. https://doi.org/10.15674/0030-59872015125-33.

11. Тяжелов А.А., Карпинский М.Ю., Карпинская Е.Д., Гончарова Л.Д., Климовицкий Р.В. Моделирование работы мышц тазового пояса после эндопротезирования тазобедренного сустава при различной величине общего бедренного офсета. Травма. 2017. 18(6). 133-140. DOI: 10.22141/1608-1706.6.18.2017.121191.

12. Зенкевич О.К. Метод конечных элементов в технике. Москва: Мир, 1978. 519 с.

13. Алямовский А.А. SolidWorks/COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов. Москва, ДМК Пресс, 2004. 432 с.