A new method for adapting the acetabulum for installation of customized implants

Full Text

Ежегодно возрастающее количество операций первичного эндопротезирования тазобедренного сустава приводит к повышению числа ревизионных вмешательств, которые сопровождаются выраженным дефицитом костной ткани в области вертлужной впадины [1]. Высокоэнергетические травмы также способствуют потере костной ткани и развитию ацетабулярных дефектов. При этом количество таких пациентов постоянно растет. Выбор метода оперативного лечения определяется величиной костных дефектов, а также качеством костной ткани, от которых зависит возможность обеспечения стабильной фиксации и достаточной площади контакта с опороспособной костью [2, 3].

Как правило, при отсутствии значительных разрушений вертлужной впадины выполнить операцию можно, имея в своем арсенале типовые чашки и ревизионные конструкции. Однако они не всегда позволяют обеспечить длительное функционирование сустава после проведенного вмешательства. Дефекты тазовой кости, сопровождающиеся разобщением подвздошной, седалищной и лонной костей, создают значительные трудности для их замещения и надежной фиксации имплантатов.

Основными задачами во время ревизионной операции являются подготовка ложа для установки вертлужного компонента эндопротеза с максимальным сохранением костной ткани, обеспечение первичной стабильной фиксации и замещение костных дефектов [4].

В последние годы в связи с развитием технологий трехмерного моделирования и печати из металла у травматологов появилась возможность изготовления индивидуальных вертлужных компонентов на основе компьютерной томографии таза пациентов. При этом чашка может иметь любую геометрическую форму, позволяющую заместить имеющиеся дефекты. В ее состав могут входить дополнительные фланцы для надежной фиксации винтами [5, 6, 7].

Установка индивидуальных конструкций сопряжена с определенными трудностями при обработке вертлужной впадины и позиционировании имплантатов [8]. Необходимо отметить, что применение стандартных инструментов для рассверливания вертлужной впадины позволяет выполнить ее обработку. Но при этом окружающие вертлужную впадину кости, на которые фиксируются фланцы и/или фрагменты самой чашки, не могут быть соответствующим образом подготовлены к имплантации индивидуально изготовленной чашки. Как правило, они покрыты рубцовыми тканями, а сами кости содержат зоны остеосклероза, препятствующие хорошему врастанию костной ткани в пористое покрытие имплантата.

ЦЕЛЬ

Провести оценку точности и продолжительности обработки вертлужной впадины при использовании разработанного способа установки вертлужных компонентов эндопротеза тазобедренного сустава при дефектах вертлужной впадины.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Было проведено экспериментальное исследование на моделях фрагментов тазовых костей пациентов с дефектами вертлужных впадин. Модели были изготовлены из пластика с применением технологий трехмерной печати (3D-печати) на основании данных компьютерной томографии (КТ) больных. Всего было произведено 20 пар моделей, попарно распределенных в рецензируемые группы.

В исследовании были использованы КТ пациентов с дефектами тазовых костей типа 2A-3B по классификации Paprosky (1994). В основной группе обработку вертлужной впадины осуществляли с применением устройства, реализующего новый способ (заявка на изобретение № 2021125475 от 27.08.2021 г.), в контрольной – с использованием фрез из набора для эндопротезирования тазобедренного сустава фирмы Zimmer (США), удаленных вертлужных компонентов Continuum, а также стандартных хирургических инструментов. Построение трехмерных моделей дефектов, вертлужных компонентов и элементов устройства для реализации способа осуществляли в программах 3D slicer v. 4.11, Компас 3D v.18.

Для оценки площади контакта и объема пространства между чашкой и тазовой костью в вертлужную впадину заливали жидкий силикон Kremen mold platinum 30 (Китай), после чего устанавливали имплантат. После застывания материал удаляли и измеряли его объем. Для этого силикон помещали в мерную емкость с водой. Кроме объема силикона в исследовании оценивали продолжительность обработки вертлужной впадины при помощи секундомера типа СОПпр-2а-3-000.

Для расчета статистических параметров была использована программа SPSS Statistics v.26. Оценивали средние значения и стандартное отклонение (M±σ). Распределение значений объема силикона в обеих группах соответствовало нормальному, сравнение средних величин осуществляли с использованием Т-критерия Стьюдента для независимых выборок. Распределение значений продолжительности обработки вертлужной впадины в группах сравнения отличалось от нормального. В связи этим был применен U-критерий Манна – Уитни.

Реализация разработанного способа осуществляется при помощи устройства, которое было изготовлено из алюминиевых трубок и АВС пластика с использованием технологий 3D-печати (рисунок 1).

Рисунок 1. Внешний вид устройства а) в кейсе для переноски, б) в собранном состоянии: 1 – кейс, 2 – третий блок, 3 – четвертый блок, 4 – первый блок, 5 – второй блок, 6 – соединительные элементы, 7 – стержни, 8 – измеритель глубины, 9 – направитель, 10 – бормашина.

Устройство состоит из направителя в виде трубки, на которой неподвижно зафиксированы первый и второй блоки. Они содержат по два параллельных соосных сквозных отверстия. Между первым и вторым блоками располагается третий подвижный блок, который может перемещаться вокруг и вдоль направителя. К третьему подвижному блоку присоединен четвертый блок, в котором фиксируется бормашина с фрезой. В реальной клинической практике целесообразно использование в составе устройства более мощного силового оборудования для обработки склерозированной кости. Также устройство содержит измеритель глубины обработки впадины.

Разработанный способ заключается в следующем. Выполняют компьютерную томографию таза, построение трехмерной модели области дефекта и изготовление соответствующего ему имплантата. Проводят моделирование отпечатка неизмененной кости с двумя параллельными отверстиями, соответствующими отверстиям в устройстве. С помощью технологий трехмерной печати изготавливают вышеуказанные элементы, а также соединительную планку для чашки из пластика. Отпечаток неизмененной кости фиксируют при помощи стержней к соответствующему участку таза таким образом, чтобы он занимал единственно возможное положение. На стержни устанавливают первый блок устройства (рисунок 2).

Рисунок 2. Устройство, установленное на модель тазовой кости: 1 – направитель, 2 – второй блок, 3 – соединительная планка, 4 – вертлужный компонент эндопротеза, 5 – измеритель глубины, 6 – пружина, 7 – бормашина, 8 – четвертый блок, 9 – третий блок, 10 – первый блок, 11 – отпечаток неизмененной кости, 12 – фреза, 13 – вертлужная впадина.

Изготовленный из пластика вертлужный компонент при помощи соединительной планки фиксируют на второй блок устройства. Измеритель глубины, который контактирует с наружной поверхностью чашки, и фреза бормашины располагаются на одной оси. Таким образом, движения фрезы в вертлужной впадине точно повторяют движения измерителя глубины, который проходит по поверхности чашки. При этом форма обработанной тазовой кости полностью соответствует наружной поверхности установленной на устройстве чашки.

Перемещая рукой четвертый блок и соответственно измеритель глубины вдоль всей поверхности пластикового вертлужного компонента эндопротеза, хирург осуществляет обработку вертлужной впадины и окружающих ее костей, на которые будут фиксироваться элементы устанавливаемой чашки. Необходимо отметить, что в связи с высокой частотой вращения фрезы в процессе работы обязательно ее охлаждение путем орошения физиологическим раствором. После обработки впадины устройство снимают, стержни удаляют и устанавливают индивидуально изготовленную чашку.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты проведенных экспериментальных исследований продемонстрировали высокую точность разработанного способа для выполнения обработки тазовой кости (таблица 1).

Таблица 1. Результаты оценки точности и продолжительности обработки вертлужной впадины

Table 1. The results of evaluation the accuracy and duration

of treatment of the acetabulum

Средняя продолжительность подготовки тазовой кости для имплантации чашки в рецензируемых группах достоверно не отличалась (Т-критерий = 0,389, p = 0,7). Обработка вертлужной впадины с использованием фрез осуществлялась относительно быстро, при этом технические трудности были отмечены при фрезеровании зон ацетабулярных дефектов. Их различная геометрическая форма требовала в процессе эксперимента регулярного прикладывания пробной чашки для оценки ее положения и возможности установки. В контрольной группе в 5 случаях были отмечены повреждения стенок вертлужной впадины.

В основной группе обработка тазовой кости проводилась без остановки от начала до конца. Повреждений вертлужной впадины отмечено не было.

Средний объем застывшего силикона в пространстве между чашкой и моделью тазовой кости в основной группе был значительно меньше, чем в контрольной (U-критерий Манна – Уитни = 86,5, p = 0,02). Таким образом, разработанный способ позволяет с высокой точностью выполнить обработку вертлужной впадины, дефектов и окружающих ее костей, обеспечивая максимальную площадь контакта между чашкой и костью.

На рисунке 3 представлен результат использования разработанного способа при обработке модели тазовой кости пациента С., 42 лет с диагнозом: «посттравматический правосторонний коксартроз 4 ст.». У пациента имелся дефект вертлужной впадины типа 3A по классификации Paprosky.

Рисунок 3. Процесс обработки вертлужной впадины а) до обработки, б) после обработки с установленным вертлужным компонентом эндопротеза: 1 – тазовая кость, 2 – дефект заднего края впадины, 3 – остеофит заднего края впадины, 4 – индивидуально изготовленный вертлужный компонент эндопротеза.

Предоперационное 3D-планирование формы дефекта позволяет максимально точно воспроизвести соответствующую ему форму чашки. При этом во время операции не всегда удается установить тот имплантат, который был напечатан на принтере. Планирование конфигурации 3D-чашки, которая идеально повторяет форму дефекта вертлужной впадины, может сопровождаться значительными трудностями при установке имплантата, расширением доступа, повышением кровопотери и увеличением продолжительности и травматичности вмешательства [4]. В то же время отсутствие хорошего контакта между костью и вертлужным компонентом эндопротеза препятствует хорошему врастанию кости.

В настоящее время существуют различные способы обработки вертлужной впадины при ревизионном эндопротезировании тазобедренного сустава. В большинстве случаев для этого используют стандартные фрезы, входящие в состав наборов для эндопротезирования. С целью их правильного ориентирования применяют различные пациент-специфические направители, или гайды. Обычно их изготавливают из пластика, по форме они повторяют фрагменты неизмененных участков вертлужной впадины, на которые их устанавливают [9]. К данным направителям могут дополнительно фиксироваться так называемые пациент-специфические инструменты, например, переходники для соединения с держателем фрезы (римером), которые обеспечивают в процессе обработки вертлужной впадины его единственно возможное положение в пространстве [10, 11]. Конечно, данные индивидуально изготовленные элементы повышают точность подготовки костного ложа. Однако при помощи фрезы невозможно выполнить обработку окружающих вертлужную впадину костей, дна вертлужной впадины и ее дефектов, размеры которых, как правило, значительно меньше размеров фрезы.

Для замещения дефектов, которые остаются после обработки впадины, могут быть использованы различные виды костной пластики [12, 13]. Однако ее применение при ревизионных вмешательствах ограничено. Для использования костно-пластического материала необходимо наличие костного банка, который существует далеко не во всех лечебных учреждениях. Ревизионные вмешательства, проводимые по поводу инфекционных осложнений, также не могут быть выполнены с применением костной пластики.

Одним из современных способов обработки вертлужной впадины является применение роботизированных систем. Они позволяют с высокой точностью проводить обработку вертлужной впадины. Однако высокая стоимость оборудования препятствует широкому распространению и применению данных систем [14, 15].

В предложенном способе обработка тазовой кости осуществляется при помощи фрезы от бормашины или аналогичной фрезы небольшого диаметра. Это позволяет выполнить обработку всех небольших полостей для обеспечения максимального контакта кости и имплантата. При этом нет необходимости в упрощении конструкции имплантата и соответственно уменьшении площади контакта кости и вертлужного компонента эндопротеза. Разработанный способ может быть использован как самостоятельно, так и в сочетании с традиционными способами обработки вертлужной впадины.

ВЫВОДЫ

1. Продолжительность обработки вертлужной впадины при использовании разработанного способа не отличается от применения стандартных способов (в эксперименте, p = 0,7).
2. Предложенный способ позволяет с высокой точностью выполнить подготовку тазовой кости к имплантации индивидуально изготовленной чашки (в эксперименте).

Конфликт интересов: автор заявляет об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.

About the authors

Denis I. Varfolomeev

Author for correspondence.
Email: d.i.burdenko@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-2133-6510
SPIN-code: 4264-9194
Scopus Author ID: 56181297500

PhD, orthopedic traumatologist, postgraduate student of the Department of Traumatology and orthopedics

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure 1. The device layout a) in the transportation case, b) assembled: 1 – case, 2 – third block, 3 – fourth block, 4 – first block, 5 – second block, 6 – connecting elements, 7 – rods, 8 – depth gauge, 9 – drill guide, 10 – drill.

Download (4MB)

Indexing metadata

3. Figure 2. Device mounted on the pelvic bone model: 1 – drill guide, 2 – second block, 3 – connecting bar, 4 – acetabular component of the endoprosthesis, 5 – depth gauge, 6 – spring, 7 – drill, 8 – fourth block, 9 – third block, 10 – first block, 11 – imprint of unchanged bone, 12 – cutter, 13 – acetabulum.

Download (2MB)

Indexing metadata

4. Figure 3. Treatment of the acetabulum a) before treatment, b) after treatment with the installed acetabulum component of the endoprosthesis: 1 – pelvic bone, 2 – defect of the posterior edge of the cavity, 3 – osteophyte of the posterior edge of the cavity, 4 – individually manufactured acetabulum component of the endoprosthesis.

Download (4MB)

Indexing metadata