Вертлужные компоненты эндопротеза цементной фиксации

Совокупность конструктивных особенностей компонентов эндопротеза, определяемых в специализированной литературе как «дизайн» имплантата, во многом определяет успех или неудачу использования различных эндопротезных систем. Большинство попыток повысить эффективность функционирования вертлужного компонента за счет изменения дизайна предпринималось в отношении бесцементных конструкций. Дополнительные особенности дизайна должны были обеспечить стабильность, предотвратить развитие «импинджмент» - синдрома, оптимизировать движения, способствовать сохранению кости и обеспечить простоту ревизии. Дизайн цементных чашек менее разнообразен - большинство современных вертлужных компонентов цементной фиксации имеют схожую конструкцию.

Отношение к цементным вертлужным компонентам существенно различается в разных странах, в частности, в Соединенных Штатах цементные чашки практически не используются из-за риска их расшатывания. При многочисленных исследованиях отдаленных результатов применения цементных чашек из UHMWPE на контрольных рентгенограммах в 25-100% случаев выявлялись линии просветления на границе цемент-кость. Однако объективная оценка клинического опыта подтверждает целесообразность имплантации цементных чашек пожилым пациентам старше 70 лет. Длительные сроки выживаемости цементных чашек, по данным Шведского и Норвежского регистров, объясняют высокую популярность этих конструкций в Скандинавских странах. Такой же точки зрения придерживаются и английские ортопеды. Возможно, популярность цементной техники фиксации компонентов эндопротезов в этих странах связана с преимущественным развитием социальной медицины и объясняется относительно невысокой стоимостью цементных имплантатов.

Рис. 1. Увеличение деформации, наблюдаемое в полиметилметакрилате для тонкого вкладыша толщиной 2 мм (UHMWPE) по сравнению с моделями толщиной 4 и 5 мм. (Oh I. et al. 1985).

Аналитические данные

Вертлужный компонент и толщина цементной мантии

Исследования по методу конечных элементов показали, что при функционировании искусственного сустава возникает концентрация напряжений: 1) в губчатой кости над чашкой; 2) в цементной мантии; 3) в медиальной стенке подвздошной кости; 4) непосредственно в вертлужной впадине. Уровень напряжения в подлежащей субхондральной кости увеличивается с уменьшением толщины стенки полиэтиленового вертлужного компонента, соответственно увеличивается и напряжение в пределах полиметилметакрилата (ПММА). Кроме того, уровень напряжения при растяжении и сжатии зависит от размера головки эндопротеза. Между головками диаметром 22 мм и 44 мм максимальное увеличение напряжения растяжения отличается на 400%, а максимальное напряжение сжатия - на 200%. С увеличением толщины UHMWPE пропорционально уменьшается микронапряжение в подлежащих структурах, т.е. более толстый компонент лучше перераспределяет нагрузку (рис. 1). Изменение толщины цемента с 1 мм до 3 - 5 мм не только уменьшает ротационную нестабильность вертлужного компонента, но и изменяет нагрузку на вертлужную впадину. Более толстая цементная мантия приводит к снижению напряжения и более однородному его распределению (рис. 2).

Теоретические исследования нагрузки, испытываемой вертлужной впадиной от имплантированного эндопротеза, определяют тенденции деформации чашки от увеличения сжимающих усилий в ее куполе и максимальных усилий растяжения на периферии (рис. 3). Возможна коррекция этого эффекта за счет четкого соблюдения методики имплантации, которая может способствовать лучшему перераспределению напряжения. При нормальной установке участком наибольшего напряжения является задневнутренний отдел вертлужной впадины. Поскольку пиковые напряжения в губчатой кости больше, чем в субхондральной, она плохо противостоит усилиям, переданным через имплантат. Эти данные Н. Oonishi указывают, что при обработке вертлужной впадины необходимо попытаться сохранить субхондральную кость, и что идеальное направление результирующего вектора силы - кзади и вверх. В 80-х годах был разработан новый дизайн полиэтиленовой чашки, впрессованной в металлическую оболочку с пористым покрытием для лучшей фиксации цемента. Увеличение напряжения в ПММА, происходящее после удаления субхондральной кости, уменьшается при помощи такого имплантата. Экспериментальные исследования с использованием метода конечных элементов подтвердили более равномерное распределение напряжения на цемент и вертлужную впадину. Несмотря на такое теоретическое обоснование, клиническое применение цементных чашек на металлической основе не только не выявило их преимуществ, но и оказалось настоящим бедствием. Описывая свой опыт с 1980 по 1982 гг., М.А Ritter с соавторами показали, что вероятность расшатывания компонентов с металлической основой была статистически больше, чем с цементными полиэтиленовыми имплантатами (Р < 0,01). Такие же данные продемонстрировали D.A. Mattingley с соавторами.

 

Рис. 2. Распределение нагрузки при различной толщине мантии ПММА: а — 1 мм; b — 3 мм; с — 5 мм. Отмечается уменьшение пиковых усилий при более толстой мантии ПММА (Carter D.R. et al., 1982).

Рис. 3. Эффект деформации установленного вертлужного компонента (Morrey B.F., 2003).

Размер головки

Расчетное поверхностное контактное напряжение для моделируемой системы с головкой 28 мм меньше, чем для головки диаметром 22 мм. С увеличением клиренса от 0,1 до 0,5 мм поверхностное напряжение увеличивается пропорционально, но не линейно. Следовательно, размер головки не является главным определяющим фактором при проектировании полностью полиэтиленовой чашки, если толщина стенки составляет не менее 8 мм.

Рис. 4. Цементный вертлужный компонент (ZCA, Zimmer).

«Идеальный дизайн»

Дизайн компонента с ребристой наружной поверхностью, имеющей желоба достаточной глубины и ширины для фиксации цемента, вероятно, является самым эффективным с точки зрения ротационной стабильности. Как правило, желоба имеют прямоугольную форму и соединены друг с другом, что способствует прочному связыванию с цементом. Спейсоры или шипы, обращенные к поверхности вертлужной впадины, гарантируют минимальную и однородную толщину мантии цемента. Кроме того, результаты экспериментальных исследований показали, что при установке фланец или губа обеспечивают лучшую прессуризацию цемента в подлежащую кость. Соответственно идеальный вертлужный компонент должен иметь ребристую наружную поверхность, ряд выступов-спейсоров, гарантирующих однородную цементную мантию и периферический фланец, чтобы улучшить проникновение цемента в кость (рис. 4). При наличии антилюксационного наклона края полиэтиленовой чашки обеспечивается большая стабильность сустава.


Особенности техники

Совершенствование методики установки верт- лужных компонентов цементной фиксации происходило в основном по трем направлениям: 1) подготовка вертлужной впадины; 2) обеспечение достаточной толщины и однородности мантии ПММА; 3) создание условий для эффективного проникновения ПММА в подлежащую кость.

Хирургическая техника

Последовательная разработка фрезами осуществляется, по возможности, только до субхондральной кости. Тонким сверлом создается ряд перфоративных отверстий глубиной и диаметром около 3 мм, распределенных по окружности вертлужной впадины, особенно в склерозированных областях, или сверлом диаметром 9 - 10 мм формируется три канала в лонной, седалищной и подвздошной костях. Пульсационный лаваж способствует лучшему гемостазу и очищает поверхность от крови и жира. Вертлужная впадина тщательно высушивается, а цемент вводится на стадии достаточной эластичности. Поскольку ПММА не является клеем, фиксация достигается за счет проникновения цемента в поры губчатой костной ткани и неровности полиэтилена.

Цементная мантия

Распределение цемента во впадине осуществляется вручную и с помощью инструментов для оптимизации внедрения цемента, особенно в области верхней, наиболее нагружаемой поверхности. Для дальнейшей прессуризации цемента применяется силиконовый плунжер. Вертлужный компонент должен быть на 2 - 4 мм меньше в диаметре, чем наибольшая фреза и внедряться под углом 15° антеверсии и с наклоном в 40° (обычно это делается под углом 45°). Такая техника позволяет обеспечить однородную качественную мантию на границе кость-цемент (рис. 5).

Рис. 5. Правильно установленный вертлужный компонент с однородной цементной мантией достаточной толщины.

Внедрение цемента

Поскольку ПММА может быть самым слабым звеном в долговечности имплантата, для оптимальной фиксации была предложена критическая минимальная толщина цементной мантии. Соотношения напряжения ПММА, в зависимости от приложенной нагрузки, демонстрируются на рисунке 1. Это теоретическое наблюдение подтвердилось в клинической практике. Чтобы гарантировать, что цементная мантия составляет, по крайней мере, 3 мм, многие чашки имеют шипы или спейсеры, надежно обеспечивающие достижение однородности и адекватной толщины мантии. В настоящее время отсутствуют какие-либо клинические данные, подтверждающие, что эта особенность дизайна не только теоретически, но и практически увеличивает долговечность службы имплантата. Тем не менее, мы в большинстве случаев рассверливаем вертлужную впадину, по крайней мере, на 2 мм больше используемого компонента, чтобы гарантировать минимальную толщину мантии ПММА 2-4 мм.


Результаты

Основной проблемой, вызывающей беспокойство клиницистов, является несоответствие между рентгеновскими данными и клиническими результатами, даже в случаях тщательного систематического анализа рентгенограмм. Несмотря на то, что во многих случаях в отдаленном периоде после операции наблюдаются линии рентгеновского просветления вокруг чашки, клинические результаты при этом остаются удовлетворительными. Большой интерес представляет исследование Е. Garcia-Cimbrelo и L. Munuera, в котором они сообщают об опыте лечения 680 пациентов, наблюдаемых в среднем почти 13 лет. На основе анализа рентгенографических и клинических данных оценивались «ранняя» (менее 10 лет после операции) и «поздняя» (более 10 лет) несостоятельность цементных вертлужных компонентов. Из 680 пациентов раннее появление зоны остеолиза отмечалось у 29, а позднее - у 32. Только 76% из 29 пациентов первой группы имели клинические признаки нестабильности, что составляло всего 1,5% от общего числа больных. Также и во второй группе только у 28% из 32 человек состояние эндопротеза классифицировалось по клиническим критериям как поздняя нестабильность. Таким образом, в целом всего около 2% пациентов в этом наблюдении имели клинически неудовлетворительные результаты. Линии просветления на рентгенограммах в сроки менее 10 лет наблюдались в основном у пациентов с врожденной дисплазией тазобедренного сустава, переломом вертлужной впадины и ее протрузией. Напротив, при появлении просветлений на рентгенограммах в сроки более 10 лет в 56% из 32 случаев причиной послужили нарастающие темпы износа полиэтилена, который составил более 2 мм (Р < 0,01). У таких пациентов имелись типичные проявления - полная рентгенопрозрачная линия вокруг всего вертлужного компонента.

О такой же эффективности цементных вертлужных компонентов из UHMWPE сообщают G. Hartofilakidis с коллегами из Афин. При оценке состояния 359 протезов Charnley в период от 1 до 4 лет отмечалось 98% удовлетворительных рентгеновских результатов, через 5-9 лет их число сократилось до 92%. Но при средних сроках наблюдения более 10 лет только в 78% случаев получен удовлетворительный результат по данным рентгенограмм. Однако при этом клиническая эффективность остается на очень высоком уровне. Последние данные Шведского регистра показывают, что уровень несостоятельности цементных вертлужных компонентов при среднем сроке наблюдения 14 лет составляет 5%.

Несостоятельность цемента и продукты износа

На основании анализа гистологических данных нестабильных вертлужных компонентов H.G. Willert с соавторами отмечали меньшее расшатывание, если мантия ПММА не была фрагментирована. Это позволяет считать несостоятельность ПММА причиной поздней нестабильности. Возможно, что мелкие фрагменты ПММА попадают в узел трения между UHMWPE и металлической головкой (трение с третьим телом), ухудшая и ускоряя процесс износа.

Влияние цементной техники

G.M. Russotti с коллегами проанализировали 5- 7-летние результаты 251 операции, выполненной с использованием так называемой современной методики цементирования с 1978 по 1980 гг.. Очевидные рентгеновские признаки расшатывания были выявлены только у одного пациента, и в течение этого времени не выполнялось ни одной ревизии чашки. Примерно такие же данные получили C.N. Cornell и C.S. Ranawat в результате исследования линий остеолиза вокруг вертлужных компонентов, при установке которых применялся пульсационный лаваж. В группе, где имплантаты были установлены без этой методики (с 1971 по 1978 гг.), наблюдалось значительно большее число рентгенопрозрачных линий, чем в группе, где операции выполнялись с импульсным промыванием (с 1979 по 1980 гг.).


Возраст пациентов

Одним из наиболее полных исследований цементных вертлужных компонентов является изучение в Mayo Clinic 2000 первичных эндопротезирований конструкциями Charnley на протяжении 25 лет. Было показано, что основным фактором, коррелирующим с выживаемостью чашки, был возраст пациента. Двадцатипятилетняя выживаемость составила 68,2% у пациентов моложе 40 лет и приближалась к 100% у больных в возрасте 80 лет и старше. При этом у мужчин ревизии по поводу асептического расшатывания происходили в два раза чаще, чем у женщин: 25-летняя выживаемость составила 95% для женщин и 81% - для мужчин (Р <0,0001). Выживаемость вертлужных и бедренных компонентов в течение 25 лет была фактически одинаковой (89,6% и 89,7%, соответственно), но вертлужные компоненты вели себя хуже у более молодых пациентов. Данное исследование свидетельствует, что выживаемость и вертлужных, и бедренных цементных компонентов зависит при имплантации от возраста, однако возрастной фактор более значим для вертлужного компонента.
Другие исследования также подтверждают, что у молодых пациентов больше проблем возникает по поводу цементных чашек, чем цементных бедренных компонентов.


Показания

Из-за несоответствия между рентгенологическими данными и клиническими результатами остаются разногласия относительно показаний к использованию вертлужных компонентов из UHMWPE как в ортопедическом сообществе, так и в пределах нашего учреждения. Мы в настоящее время считаем показанием для применения цементных чашек необходимость эндопротезирования у больных старше 70 - 75 лет, обычно с переломами шейки бедра, или выраженные изменения качества кости, не позволяющие обеспечить стабильную фиксацию способом «press-fit» у более молодых пациентов. В сложных случаях при первичном эндопротезировании и при ревизиях цементная фиксация вертлужного компонента выполняется в сочетании с антипротрузионными конструкциями. Самостоятельное использование цементных чашек при ревизионных вмешательствах, по нашим наблюдениям и данным литературы, приводит к ранним неудачам.


Предпочтения авторов

В РНИИТО им. Р. Р. Вредена в качестве цементного вертлужного компонента в последние годы обычно используется чашка ZCA (Zimmer), выполненная из UHMWPE и имеющая прессуризирующий периферический фланец, ребристую наружную поверхность и небольшие ножки, обеспечивающие минимальную толщину цементной мантии. В соответствии с рекомендацией фирмы, возможна установка чашки размер-в-размер, поскольку размер фрезы больше диаметра купола и соответствует наружному диаметру фланца. Однако можно использовать чашку на 2 мм меньше размера последней фрезы для формирования более толстой мантии. Достоинствами чашки является достаточная линейка от 43 до 61 мм с интервалом в 2 мм, хорошее качество полиэтилена и наличие компонентов с антилюксационным валиком. Маленькие размеры (43 и 45 мм) соответствуют диаметру головки в 22 мм. Особенностей при имплантации чашки нет.


Р.М. Тихилов, В.М. Шаповалов
РНИИТО им. Р.Р. Вредена, СПб