Відновлення опорності передніх відділів хребта грудної та поперекової локалізації шляхом індивідуального ендопротезування

Размещено на http://www.allbest.ru/

ІНСТИТУТ ПАТОЛОГІЇ ХРЕБТА ТА СУГЛОБІВ ІМ. ПРОФЕСОРА М.І. СИТЕНКА АМН УКРАЇНИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата медичних наук

ВІДНОВЛЕННЯ ОПОРНОСТІ ПЕРЕДНІХ ВІДДІЛІВ ХРЕБТА ГРУДНОЇ ТА ПОПЕРЕКОВОЇ ЛОКАЛІЗАЦІЇ ШЛЯХОМ ІНДИВІДУАЛЬНОГО ЕНДОПРОТЕЗУВАННЯ

14.01.21 - травматологія та ортопедія

ШМАНЬКО ОЛЕКСАНДР ПАВЛОВИЧ

Харків - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті патології хребта та суглобів імені професора М.І. Ситенка АМН України.

Науковий керівник: доктор медичних наук РАДЧЕНКО Володимир Олександрович Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І. Ситенка АМН України, заступник директора з наукової роботи

Офіційні опоненти: доктор медичних наук професор ІВЧЕНКО Валерій Костянтинович Луганський державний медичний університет МОЗ України, ректор, завідувач кафедри травматології, ортопедії та військової хірургії

доктор медичних наук професор ШЕВЧЕНКО Станіслав Дмитрович Інститут патології хребта та суглобів імені професора. М.І. Ситенка АМН України головний науковий співробітник відділу патології хребта та суглобів дитячого віку

Провідна установа: Дніпропетровська державна медична академія, кафедра травматології та ортопедії, МОЗ України, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться „__8___” лютого_2007 року об 11.30 на засіданні спеціалізованої вченої ради 64.607.01 Інституту патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка АМН України (61024, м.Харків, вул.Пушкінська, 80).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка АМН України (61024, м.Харків, вул.Пушкінська, 80).

Автореферат розісланий „5” січня2007 року

В.о. вченого секретаря спеціалізованої вченої ради доктор медичних наук О.А. Тяжелов

АНОТАЦІЯ

Шманько О.П. Відновлення опорності передніх відділів хребта грудної та поперекової локалізації шляхом індивідуального ендопротезування.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата медичних наук за спеціальністю 14.01.21 - травматологія та ортопедія. - Інститут патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка АМН України, Харків, 2007.

Представлена дисертаційна робота являє собою клінічне та експериментальне дослідження в напрямку теоретичного обґрунтування та клінічного використання способу вентрального відновлення опорності передніх відділів хребта грудної та поперекової локалізації з урахуванням індивідуальних особливостей конкретного пацієнта та патологічного стану, який призвів до порушення міжтілової опори.

На підставі ретроспективного аналізу клінічного матеріалу встановлено, що основною причиною більшості незадовільних анатомічних результатів відновлення міжтілової опори є невідповідність механічних характеристик використаних імплантатів механічним характеристикам тіл хребців конкретного пацієнта.

Використання запропонованої системи автоматизованого дослідження напружено-деформованого стану елементів системи „хребець - ендопротез” для моделювання операцій ендопротезування, дає змогу оптимально підібрати параметри ендопротезів та схем хірургічних операцій з урахуванням індивідуальних особливостей пацієнтів.

Розроблений оригінальний пристрій для відновлення міжтілової опори, дозволяє знизити негативні наслідки (реакції) від взаємодії імплантата на тіла хребців, розміщених вище і нижче ендопротеза за рахунок встановлення ендопротеза, механічні характеристики якого відповідають ( дорівнюють ) або близькі до механічних характеристик кісткової тканини хребта конкретного пацієнта.

Ключові слова: міжтілова опора, ендопротез хребта, біомеханічна система, математична модель, індивідуальне ендопротезування.

міжтіловий опора хребет ендопротез

АННОТАЦИЯ

Шманько А.П. Восстановление опороспособности передних отделов позвоночника грудной и поясничной локализации путем индивидуального эндопротезирования.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицицинских наук по специальности 14.01.21 - травматология и ортопедия. - Институт патологии позвоночника и суставов имени профессора М.И.Ситенко АМН Украины, Харьков, 2007.

Данное диссертационное иследование представляет собой клиническое и экспериментальное исследование в направлении теоретического обоснования и клинического применения способа вентрального восстановления опороспособности передних отделов позвоночника грудной и поясничной локализации с учетом индивидуальных особенностей конкретного пациента и патологического состояния, приведшего к нарушению межтеловой опоры.

В диссертации на основании ретроспективного анализа использования различных имплантатов для восстановления межтеловой опоры выявлены основные причины неудовлетворительных результатов хирургического восстановления опороспособности передних отделов позвоночника грудной и поясничной локализации. Этими причинами в основном явились смещения имплантатов, протрузии имплантатов в тела смежных позвонков, рассасывание трансплантатов. Анализ результатов проведенного исследования дал основания предположить, что несоответствие механических характеристик использованных имплантатов механическим характеристикам тел позвоноков является основой для развития неудач при хирургическом лечении заболеваний и повреждений позвоночника с использованием имплантатов.

На основании обобщенного параметрического подхода к исследованию биомеханических систем, с использованием метода геометрического и конечно-элементного моделирования предложена структура автоматизированной системы индивидуального проектирования эндопротезов.

Эта компьютерная система для моделирования операций эндопротезирования позвоночника и исследования напряженно-деформированного состояния элементов системы „позвонок - эндопротез” дает возможность оптимально подобрать параметры эндопротезов и схем хирургических операций с учетом индивидуальных особенностей пациентов.

На основании проведенного клинико-рентгенологического исследования, экспериментальных расчетов предложена и разработана оригинальная конструкция эндопротеза позвоночника для восстановления межтеловой опороы. В основу разработки положена задача снизить отрицательные последствия (реакции) от действия эндопротеза на тела позвонков, расположенных выше и ниже эндопротеза за счет установки эндопротеза, механические характеристики которого совпадают ( равны ) или близи к механическим характеристикам костной ткани позвоночника конкретного пациента.

Поставленная задача достигается тем, что в эндопротезе позвоночника, который содержит трубку с опорными элементами и элементами крепления, стенка трубки имеет сквозные отверствия, которые расположены в шахматном порядке, сквозные отверствия трубки имеют форму прямоугольника с закругленными углами.

Благодаря выполнению сквозных отверствий в стенках трубки в форме прямоугольника с закругленными углами создается возможность снизить отрицательные последствия, которые возникают при взаимодействии эндопротеза и тел позвонков в месте их контакта, а также улучшить функционирование восстановленого участка позвоночника.

При этом эндопротез прост и технологичен при изготовлении и в использовании во время хирургических вмешательств.

С использованием предложенного эндопротеза позвоночника прооперировано 14 больных, показатели анатомических результатов, функциональных последствий указывают на эффективность использования разработанного эндопротеза для восстановления опороспособности передних отделов позвоночника грудной и поясничной локализации .

Ключевые слова: межтеловая опора, эндопротез позвоночника, биомеханическая система, математическая модель, индивидуальное эндопротезирование.

SUMMARY

Shmanko A.P. Restoration of the anterior spinal support at the thoracic and lumbar spine by inividual endoprosthesing. -Manuscript.

Scientific thesis in the category of medical candidate under the specialty 14.01.21- Traumatology and orthopedics. Institute of Spine and Joint Pathology named after prof. M. I. Sytenko AMS of Ukraine. Kharkiv, 2007

Presented dissertetion is the clinical and experimental investigation of the theoretic basis and clinical use of the ventral restoration of the anterior spinal support at the thoracic and lumbar spine with consideration of the individual patient's pecularities and pathologic condition.

On the basis of the retrospective analysis was found, that the gap between mechanical characteristics between the spine and implant is the main reason of the surgical failures. Use of the automatic investigational system wich was proposed for the determination of the stress-strain distribution ain the system “vertebra-endoprosthesis” allows to select the most optimal paraments of the surgical interventions schemes with consideration of the individual patient's pecularities and pathologic condition. Original device wich was proposed for the restoration of the interbody support allos to decrease the number of negative consequences in the interrelations between bone situated over and below the implant. This result was achieved due to equal mechanical characteristics of the spinal bone tissue and implant of the concrete patient.

Key words: interbody support, spinal endoprosthesis, biomechanical system, mathematic model, individual endorposthesing.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Ушкодження та захворювання хребта є однією з найбільш складних проблем сучасної ортопедії та травматології. Тривалість і складність лікування, втрата працездатності, високий рівень інвалідності приводять до значних економічних витрат, що обумовлює медичну і соціальну значимість проблеми.

У хірургічному лікуванні ушкоджень та захворювань хребта часто зустрічаються ситуації, пов'язані з необхідністю заміщення дефектів кісткових структур переднього і заднього опорного комплексу після операцій корпоректомії на одному або кількох рівнях, видалення патологічного вогнища при неопластичних процесах та ін. Це робить неможливим реалізацію цільової функції міжхребцевого з'єднання - забезпечення адекватного сприйняття зовнішніх зусиль і функціонування його як несучої конструкції. Тому практично будь-яка операція, що торкається основних опорних структур хребтоворухового сегмента повинна закінчуватися стабілізацією (Корж М.О., Бариш О.Є., 1996). Хірургічна стабілізація є ефективним засобом, який дозволяє відновити несучу здатність хребта і запобігти ускладненням з боку спинного мозку, його нервових і судинних елементів (Weidenbam M., Farsy J.P.S., 1997). Відомі на теперішній час способи міжтілового спондилодезу передбачають використання кісткових трансплантатів і різних імплантатів із пластмас, вуглецю, кераміки, біополімерів, металів, включаючи сплави з пам'яттю форми (Нікітін Г.Д. та ін., 1998; Грунтовський Г.Х. та ін., 1997; Зільберштейн Б.М., 1994; Ricard O., 1996). Однак з аналізу патентної документації та науково-медичної літератури виявлено, що їх застосування не завжди дозволяє досягти позитивних результатів, що обумовлено в ряді випадків низькими регенераторними (алокістки) або біомеханічними (біополімери) властивостями цих матеріалів, порушенням контакту імплантата та сприймаючого ложа у зв'язку з резорбцією кісткової тканини, зміщенням та міграцією імплантатів, розсмоктуванням трансплантатів з формуванням кіфотичної деформації, формуванням псевдоартрозу. Незважаючи на засоби з профілактики міграції імплантатів з міжтілового ложа, використання нових пластичних матеріалів для заміщення пострезікційних дефектів хребців, збільшення площі контакту поверхонь трансплантатів (імплантатів) із замикальними пластинами тіл блокованих хребців, операції на передніх відділах хребта супроводжуються у 6,25-37,8% випадках різними ускладненнями (Faciszewsky T. et al., 1995; Корнілов Б.М., 1996). Новітні дослідження з використанням комп'ютерної томографії при передньому міжтіловому спондилодезі виявили відсутність блокування тіл хребців (зміщення трансплантатів, їх резорбцію, псевдоартроз та ін.) у 25,5% випадках (P. McAfee, T. Jowson, 2001).

Отже, як свідчать результати попередніх досліджень та світова практика, незважаючи на наявність досить великого арсеналу теоретичних знань та фіксуючих пристроїв для виконання оперативних втручань на передніх відділах хребта з метою відновлення міжтілової опори, наслідки лікування далеко не завжди можуть вважатися відмінними та хорошими. Тому актуальними та перспективними є наукові дослідження, присвячені удосконаленню відомих та пошуку нових способів міжтілової стабілізації та засобів для їх реалізації.

Сьогодні для підтвердження тих чи інших положень недостатньо тільки клінічних спостережень за результатами лікування пацієнтів у яких були використані імплантати, емпірично розроблені авторами на основі особистого досвіду. Насущними завданнями сьогодення є: використання об'єктивних методів дослідження на доклінічному етапі і розробка оптимальної конструкції імплантата з заданими характеристиками.

На цьому шляху увагу вертебрологів привертають методи біомеханічної оцінки хребта (Зільберштейн Б.М., 1977; Хвисюк М.І. і співавт., 1978 ). Важливе значення у вивченні біомеханіки хребта набули методи математичного та фізичного моделювання, котрі дозволяють уточнити та об'єктивізувати наші уявлення про явище, що вивчається (Євсєєв В.І. та співавт., 1978; Гладков А.В., 1982). Окремі автори проводили біомеханічний аналіз конструкції вентральних фіксаторів хребта (Зільберштейн Б.М.,1993; Реріх В.В., Hitchon P.W. et al., 2000). Проте в доступній науковій та патентній літературі ми не знайшли адекватну модель блока “тіло хребця - імплантат”, яка дозволяє вирішити ряд поставлених завдань дослідження. На наш погляд, вивчення біомеханічних характеристик на межі розділу двох складових блока надзвичайно важливе, особливо якщо мова йде про фігурні комбіновані імплантати. Наведені аргументи дозволили сформулювати мету та завдання дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно з планом науково-дослідних робіт Інституту патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка АМН України (''Вивчення генезису дегенеративних та диспластичних деформацій поперекового відділу хребта, розробка способів їх ранньої діагностики, прогнозування та хірургічного лікування”, шифр теми ЦФ 2005.2. АМНУ, держреєстрація № 0104U002089. Роль автора - розробка і впровадження спеціалізованої системи індивідуального протезування хребта з метою відновлення опорності його передніх відділів).

Мета дослідження: покращити ефективність реконструктивно-відновних операцій на хребті шляхом розробки системи індивідуального проектування ендопротеза міжтілової опори грудних та поперекових сегментів.

Задачі дослідження:

1. Вивчити сучасний стан та перспективи розвитку проблеми відновлення міжтілової опори при реконструктивно-відновлювальних операціях на хребті.

2. Провести ретроспективний аналіз використання імплантатів для відновлення опорності передніх відділів хребта грудної та поперекової локалізації.

3. Розробити математичну модель та систему автоматизованого дослідження елементів біомеханічних систем для моделювання операцій ендопротезування на основі методу кінцевих елементів.

4. Провести моделювання напружено-деформованого стану біомеханічної системи “хребець - ендопротез - хребець” методом кінцевих елементів.

5. Розробити раціональну модель міжтілового ендопротеза для клінічного використання.

6. Визначити можливості клінічного використання запропонованого ендопротеза хребта для переднього опорного спондилодезу.

Об'єкт дослідження: відновлення опороздатності хребта з використанням ендопротезів.

Предмет дослідження: автоматизована система індивідуального проектування ендопротеза хребта грудної та поперекової локалізації.

Методи дослідження. Клінічні та рентгенологічні методи дослідження використані для оцінки результатів хірургічного лікування досліджуваної групи хворих з різними патологічними станами грудного та поперекового відділів хребта, розробки показань до оперативного втручання, а в післяопераційному періоді - для контролю стану пацієнта. Методи геометричного та кінцево-елементного моделювання використані для аналізу міцнісних та жорсткісних характеристик ендопротезів хребта, комп'ютерного моделювання, аналізу і синтезу оперативних схем лікування, що потребують ендопротезування з установкою титанових імплантатів. Статистична обробка цифрових даних.

Наукова новизна. На основі проведеного ретроспективного аналізу результатів хірургічного відновлення опорності передніх відділів хребта грудної та поперекової локалізації з використанням існуючих та вживаних на сьогодні імплантатів встановлено, що основною причиною незадовільних результатів хірургічних втручань є невідповідність механічних властивостей використаних імплантатів механічним характеристикам тіл хребців конкретного пацієнта.

Вперше запропонований підхід до дослідження складних біомеханічних систем, який дозволяє враховувати геометрію, фізико-механічні властивості матеріалу і умови взаємодії елементів суттєво різної природи: механічна складова і біологічні тканини.

Вперше розроблена математична модель біомеханічної системи „хребець - ендопротез-хребець''.

Вперше запропонована принципово нова система автоматизованого дослідження напружено-деформованого стану елементів системи „хребець - ендопротез” для моделювання операцій ендопротезування, яка дає змогу оптимально підібрати параметри ендопротезів та схем хірургічних операцій з урахуванням індивідуальних особливостей пацієнтів.

Вперше отримані результати чисельного моделювання напружено-деформованого стану тіла хребця з варіюванням моделі і властивостей матеріалу трабекулярної кістки. Отриманий принципово важливий результат про вплив анізотропії властивостей трабекулярної кістки на рівень напружень у корковій тканині.

Вперше розроблена та запропонована оригінальна конструкція ендопротеза хребта для відновлення опорності його передніх відділів з урахуванням індивідуальних характеристик пацієнта.

Практичне значення. На основі методу математичного моделювання запропонована автоматизована система індивідуального проектування ендопротезів хребта. Ця комп'ютерна система для моделювання операцій ендопротезування хребта і дослідження напружено-деформованого стану елементів біомеханічної системи “ендопротез-хребець” дає змогу оптимально підібрати параметри ендопротезів та схем хірургічних операцій з урахуванням індивідуальних особливостей пацієнтів.

Розроблена та впроваджена в практику охорони здоров'я раціональна модель ендопротеза хребта для відновлення опорності його передніх відділів та визначені можливості його клінічного використання.

Розроблені спеціалізовану систему автоматизовоного проектування та кінцево-елементного моделювання елементів біомеханічної системи “ендопротез-хребець” та спосіб відновлення опорності передніх відділів хребта грудної та поперекової локалізації з урахуванням індивідуальних особливостей пацієнтів впроваджено в Інституті патології хребта та суглобів ім. проф. М.І.Ситенка АМН України, в Обласній клінічній лікарні м.Ужгорода та в учбовому процесі і на практичних заняттях на кафедрі загальної хірургії з курсом травматології та ортопедії Національного університету м.Ужгорода.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно проаналізував та систематизував архівний матеріал (історії хвороби, амбулаторні картки, рентгенограми). Вивчив найближчі та віддалені результати оперативних втручань та провів оцінку їх ефективності.

Проведені дослідження з моделювання напружено-деформованого стану біомеханічної системи “хребець-ендопротез-хребець” методом кінцевих елементів на базі Реґіонарного центру комп'ютерних методів проектування і дослідження машинобудівних конструкцій “ВЕКТОР” Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” за консультативною допомогою зав. кафедри теорії та систем автоматизованого проектування механізмів і машин д.техн.наук Ткачука М.А.

Використано ліцензійне програмне забезпечення Pro/ENGINEER, KOMPAS, Inventor ,LS-DYNA3D, Pro/MECHANICA, Win Machine, ANSYS. Автором проаналізовані результати дослідження і розроблені показання до їх використання стосовно патології хребта.

Прооперовано та проведено лікування 14 пацієнтів з патологією грудного та поперекового відділів хребта.

Брав участь у розробці оригінального ендопротеза хребта, особисто автором розробленій спосіб та інструментарій для відновлення опорності передніх відділів хребта.

Самостійно виконана статистична обробка й аналіз результатів експериментальних, а також клінічних досліджень, сформульовані висновки.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи докладені й обговорені на Міжнародній науково-практичній конференції з проблем ортопедії “Реконструктивно-відновна хірургія в травматології та ортопедії”, присвячена 80-річчю з дня народження проф. Є.Т.Скляренко (2004, Київ), на Міждисциплінарному конгресі “World Spine III” (2005, Ріо-де-Жанейро), на Всеукраїнській науково-практичній конференції з міжнародною участю, присвяченій 25-річчю кафедри травматології, ортопедії та комбустіології Харківської медичної академії післядипломної освіти (2003, Харків), 14 Міжнародній науково-практичній конференції ”Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье “ (2006, Харків), на Міжнародній науковій конференцій “Advanced Information and Telemedicine Technologies for Heals” ( 2005, Мінськ, Білорусь).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 друкованих робіт, з них 3 статті у провідних наукових фахових виданнях, 1 стаття у журналі для практикуючих лікарів, 1 Деклараційний патент України на винахід, 2 роботи у матеріалах конференцій.

Обсяг та структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів власних досліджень, висновків, списку використаних джерел і 2 додатків. Робота викладена на 155 сторінках машинописного тексту, містить 11 таблиць, 85 рисунків, список літератури включає в себе 221 джерело (75 українських та російських авторів, 146 авторів з інших країн).

ЗМІСТ РОБОТИ

Матеріал та методи дослідження.

Дослідження проводили в Інституті патології хребта та суглобів імені професора М.І.Ситенка АМН України . Клінічний матеріал оснований на вивченні історій хвороб та рентгенограм оперованих хворих у динаміці. Проаналізовано результати хірургічного лікування 124 хворих з захворюваннями та ушкодженнями хребта грудної та поперекової локалізації у яких виконано відновлення передніх відділів з використанням різних імплантатів

Беручи до уваги причину, що спричинила розвиток тих чи інших патологічних змін у ХРС, які потребують відновлення опорності його передніх відділів, клінічний матеріал був розподілений на дві групи. Першу групу склали хворі з різного ступеня ушкодженням грудного та поперекового відділів хребта - 82 пацієнти (66,1 % від усіх хворих). У другу групу увійшли 42 хворих (33,9 %) із захворюваннями хребта, серед яких зприводу гриж та протрузій дисків прооперовано 22 пацієнти, новоутворень хребців 5, специфічних та неспецифічних спондилітів 6 та спондилолістезів різного ступеня - 9 хворих.

З метою порівняльного аналізу ефективності використання тих чи інших замісних матеріалів для відновлення міжтілової опори при реконструкції передніх відділів хребта усі оперативні втручання були розподілені на три групи. У першу групу увійшли 28 (22,5%) хворих, у яких була використана кісткова ауто- чи алотрансплантація. Другу групу склали 82 (66,1%) хворих, яким було імплантовано конструкції з алюмоксидної або гідроксилапатитної кераміки. 14 пацієнтам (11,3%) відновлення міжтілової опори здійснювали за допомогою циліндричних титанових ендопротезів, заповнених кістковими аутотрансплантатами (див. табл.1).

Таблиця 1. Розподіл хворих за нозологічною формою та видом замісного матеріалу

Матеріал	Нозологічна форма	Усього
		Кількість	%
	Ушкодження хребта	Спондилолістези	Протрузії та грижі дисків	Новоутворення хребців	Сподиліти
Кісткові ауто- алотрансплантати	21	4	3	0	0	28	22,5
Керамічні імплантати	49	5	19	3	6	82	66,1
Титанові ендопротези	12	0	0	2	0	14	11,3

Аналізували дані історій хвороб і амбулаторних карт у динаміці, рентгенограм у доопераційному періоді, ранньому післяопераційному періоді, на першому контрольному огляді через 3 місяці та у період від 1 року до 2 -х років після операції. З огляду на основні завдання дослідження - провести аналіз використання різних матеріалів та пристроїв для відновлення опорності передніх відділів хребта, ефект лікування оцінювали за анатомічними результатами. Провідним методом для визначення отриманих анатомічних результатів було рентгенологічне oбстеження. Рентгенологічний метод використовували при динамічному контролі ступеня корекції деформації і збереження її в процесі формування кісткового блоку, контролі висоти міжтілового проміжку та стану імплантатів. Вивчали рентгенограми, виконані в стандартних передньо-задній і бічній проекціях. Деяким пацієнтам виконували рентгенографію в косих проекціях для виявлення особливостей ушкодження дуг хребців і суглобних відростків.

Рентгенограми виконували завжди при однаковій відстані касети від рентгенівської трубки (100 см), а відстань від касети до серединної площини тіла хворого вимірювали циркулем - гоніометром Гамбурцева.

Всі рентгенограми піддавали ретельному рентгенометричному дослідженню.

На бічних спондилограмах вимірювали кутову деформацію у фронтальній площині за Cobb. Для вимірювання зсуву хребців у сагітальній площині застосовували метод Hagelstam. З метою визначення міцнісних та стабілізуючих властивостей використаних з метою відновлення опірності передніх відділів хребта кісткових аутотрансплантатів та керамічних імплантатів у процесі формування міжтілового зрощення ми провели вимірювання міжтілового проміжку в оперованому ХРС. Вимірювання міжтілового проміжку в оперованому сегменті хребта проводили при першому контрольному рентгенографічному дослідженні (5-7 день після операції) та при контролі через 9 міс. При цьому вимірювали висоту передньої поверхні тіла вищележачого хребця (Н) і міжтілового проміжку оперованого сегмента (h). Для виключення коливань абсолютних цифр, зумовлених умовами рентгенографії ( фокусна відстань та ін.), результат оцінювали за коефіцієнтом міжтілового проміжку, який визначається відношенням указаних відстаней :

К(мтп) = h / Н

де: К(мтп) - коефіцієнт міжтілового проміжку,

h - висота передньої поверхні тіла вищележачого хребця,

H - міжтілового проміжку по передній поверхні.

Величина цього коефіцієнта індивідуальна для кожного пацієнта ( коливається від 0,34 до 0,5 ). Значимість його може проявлятися лише у динаміці у кожного хворого.

Поряд із рентгенометричними дослідженнями проводили якісну оцінку зрощення фіксованих хребців. У даному дослідженні для визначення якості спондилодезу користувалися критеріями за Ray, а саме: 1) відсутність будь- якої помітної рухомості абo менше ніж 3° міжсегментарних змін; 2) відсутність темного ореолу навколо імплантата; 3) мінімальна втрата висоти дискового (міжтілового) проміжку; 4) відсутність значних склеротичних змін на ложі кістки реципієнта; 5) наявність безперервного кісткового містка між спондилодезованими хребцями.

Матеріалом досліджень послужили тільки якісні рентгенограми хребтового стовпа.

Отриманий цифровий матеріал у процесі досліджень був оброблений методом варіаційної статистики з використанням прикладного пакета STATISTICA 5.11 for Windows. Рівень вірогідності прийнятий 95%.

Експериментальні дослідження

Експериментальні дослідження проведені на базі дослідного центру "ТЕНЗОР" Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" .

Проведення хірургічного лікування ушкоджень хребта із застосуванням різноманітних імплантатів припускає як попередній етап дослідження міцнісних і жорсткісних характеристик системи, що складається із хребців, міжхребцевих дисків, імплантатів, фіксуючих пластин та інших елементів. Ступінь детальності, а також структура й параметри застосовуваних моделей у різних дослідженнях різна. Як загальну тенденцію можна відзначити широке застосування методу кінцевих елементів (МКЕ) для вивчення напружено-деформованого стану кістково-зв'язково-м'язових систем (КЗМС) із включеннями ендопротезів різних типів. Даний метод дозволяє враховувати складність форми, анізотропію й неоднорідність властивостей матеріалів елементів опорно-рухової системи, складний характер навантаження і контактної взаємодії. У зв'язку із цим МКЕ був покладений в основу числових досліджень поведінки КЗМС у даній роботі. Його суть полягає в тому, що будь-яку безперервну величину визначену на довільному проміжку - напруження, переміщення або температуру - можна апроксимувати дискретною моделлю.

Для опису поведінки біомеханічних систем пропонується розвинути узагальнений параметричний підхід. Цей спосіб полягає в тому, що для опису властивостей досліджуваної БМС на всіх етапах моделювання використовується велика кількість параметрів V, де

Тут узагальнені параметри (УП) описують усі значущі параметри як реальної біомеханічної системи, так і її моделей. У ролі УП можуть виступати числові величини, структура БМС, властивості матеріалів, типи кінцевих елементів, варіанти конструктивного виконання ендопротеза.

На основі запропонованого підходу пропонується структура автоматизованої системи індивідуалізованого проектування ендопротезів.

Ця комп'ютерна система для моделювання операцій ендопротезування хребта і дослідження напружено-деформованого стану елементів системи „хребець - ендопротез” дає змогу оптимально підібрати параметри ендопротезів та схем хірургічних операцій з урахуванням індивідуальних особливостей пацієнтів.

Для досягнення мети необхідні такі дослідження:

I. Дослідження геометрії та створення бази даних параметричних моделей елементів хребта.

II. Дослідження типів конструкцій ендопротезів та створення бази даних параметричних моделей.

III. Дослідження, класифікація та створення бази даних травм (патологій) хребта.

IV. Розробка математичної моделі для параметричного опису поведінки біомеханічної системи „елементи хребта - ендопротез”.

V. Розробка загальної параметричної моделі біомеханічної системи „елементи хребта - ендопротез”.

VI. Розробка комп'ютерної системи для моделювання геометрії і напружено-деформованого стану хребта та ендопротезів.

VII. Дослідження зразків ендопротезів методом кінцевих елементів.

VIII. Розробка схем хірургічних операцій ендопротезування за допомогою розробленої комп'ютерної системи та дослідження результатів у клінічних умовах.

Умовна наочна схема взаємодії етапів.

На основі запропонованих методів і підходів будується система автоматизованого аналізу і синтезу елементів біомеханічних систем (СААіС). Послідовність дій при використанні традиційного підходу до вибору ендопротеза така:

1) на першому етапі за знімками комп'ютерної томографії відновлюється ділянка ушкоджених хребців і/або дисків та прилеглі неушкоджені хребці;

2) на другому етапі схвалюється рішення щодо масштабів частин, які видаляються, тип конструкції ендопротеза, спосіб проведення операції;

3) на третьому етапі керуючий модуль системи, яка використовується, проводить аналіз напружено-деформованого стану можливих варіантів біомеханічної системи “хребець-ендопротез-хребець” і пропонує один або декілька кінцевих варіантів конструкції ендопротеза для даного конкретного пацієнта. Після цього схвалюється рішення щодо конкретних параметрів ендопротеза: конструкцї і розмірів.

Однак, якщо скористатися всіма перевагами запропонованого вище узагальненого параметричного підходу, не вдається уникнути одного з очевидних недоліків традиційного підходу до вибору ендопротезів: по мірі використання системи неминуче будуть проводиться надлишкові розрахунки для досить схожих випадків, які можна було не проводити, а просто скористатися результатами уже виконаних операцій. Цим і пояснюється необхідність появи у системі нових підструктур - декількох баз даних:

1) база даних параметрів пацієнтів;

2) база даних ендопротезів;

3) база даних індивідуальних рішень.

Тепер під час ухвалення рішення лікар у кожному конкретному випадку спочатку звертається до бази даних параметрів пацієнтів і шукає аналогічний випадок. Якщо такий знаходиться, то далі він вибирає (якщо їх кілька) варіант ендопротеза і схему операції. В іншому разі проводиться у повному обсязі весь необхідний цикл досліджень. Результати заносяться у відповідні бази даних.

Зрозуміло, що після проведеної операції лікар контролює її результати. Пропонується цю інформацію також заносити у відповідну базу даних наслідків операції для пацієнтів. До цієї ж бази пропонується додавати всю інформацію, яка стосується стану ендопротезів. Ця інформація по мері накопичення дозволить зробити висновки про ефективність тих чи інших конструкцій.

СААіС використовує універсальну CAD-систему Pro/ENGINEER для геометричного моделювання елементів біомеханічних систем та модифікації моделей ендопротезів згідно із значенями параметрів. Ядро універсальної CAE-системи ANSYS або LS-DYNA забезпечує скінчено-елементну частину завдання: створення і коригування скінчено-елементної моделі, розрахунок напружено-деформованого стану.

Індивідуальні характеристики отримують за допомогою відповідних рентгенограм і томограм. Експериментальні дослідження виконують на голографічній установці методом голографічної інтерферометрії. База даних та взаємозв'язок даних забезпечуються спеціально створюваною програмною оболонкою.

У даній роботі використані робочі графічні станції, оснащені ліцензійними CAD-системами Pro/ENGINEER, KOMPAS, Inventor та CAE-системами LS-DYNA3D, Pro/MECHANICA, Win Machine, ANSYS. Ці комп'ютерні системи дають можливість готувати параметричні моделі ендопротезів елементів хребта, а також креслення та керуючі програми для верстатів з числовим програмним керуванням для виготовлення унікальних ендопротезів. Крім того, досліджується напружено-деформований стан елементів біомеханічних систем та оптимізація параметрів цих елементів.

Результати та їх обговорення

Результати визначення коефіцієнта міжтілового проміжку у 42 хворих вивчальної групи показали, що у майже половини хворих (24 хворих - 57%) цей коефіціент в динаміці не змінюється. Різниця у величині коефіцієнта в 0,01 - 0,02 не дуже значна, може бути зумовлена помилкою вимірювання, і ми нею знехтували.

Зменшення даного коефіцієнта спостерігалося у 18 хворих (53%). При аналізі причин значного зменшення висоти міжтілового проміжку після операції у динаміці виявлено , що основною причиною даного явища є зміщення та протрузія імплантата у тіла суміжних хребців, при чому дану групу хворих склали ті, у яких не виконували додатково задню фіксацію заглибними конструкціями. У 3-х випадках зменшення коефіцієнта міжтілового проміжку спостерігалося внаслідок розсмоктування кісткового аутотрансплантата навіть при наявності додаткової фіксації заднього опорного комплексу.

Вимірювання величини кіфотичної деформації у групі хворих з різного роду ушкодженнями хребта показали, що середня втрата досягненої під час оперативного втручання її корекції становить 12,16° за Cobb. Причому у всіх досліджуваних випадках передній міжтіловий спондилодез поєднувався з фіксацією заднього опорного комлексу.

Поряд із рентгенометричними дослідженнями проводили якісну оцінку зрощення фіксованих хребців. У даному дослідженні для визначення якості спондилодезу користувалися критеріями за Ray. Дані рентгенологічного обстеження показали, що у 26-и випадках (29%) відсутні всі ознаки повноцінного міжтілового зрощення. Це викликано в основному слабкими стабілізуючими властивостями використаних імплантатів, їх нестабільним положенням у міжтіловому проміжку, про що свідчить наявність на рентгенограмах у даної групи хворих темного ореолу навколо імплантату, тобто зони кісткової резорбції. Беручи до уваги те, що успіх хірургічного лікування у нашому дослідженні оцінювався за анатомічними результатами, то, незважаючи на те, що у 5-и пацієнтів при відсутності ознак повноцінного міжтілового зрощення клінічний результат лікування був хороший, у цілому результати хірургічного лікування у даної групи хворих розцінені нами як незадовільні. Проаналізувавши отримані дані, можна припустити, що основною причиною більшості незадовільних анатомічних результатів відновлення міжтілової опори є невідповідність механічних характеристик використаних імплантатів до механічних характеристик тіл хребців конкретного пацієнта.

Проведені експериментальні розрахунки показали, що використання ендопротеза безпосередньо без додаткових засобів небажане, напруження в кірковій кістці у місці контакту сягає більше 100 МПа.

У всіх розрахунках простежується така закономірність: у напружено-деформованому стані кіркової кістки переважає гнучке напруження. Ця особливість посилюється конструктивними особливостями ендопротеза: поперечні кільця з'єднуються трьома перемичками, що приводить до несиметричного напружено-деформованого стану тіла хребця. Цього можна уникнути, якщо збільшити число перемичок до чотирьох. Проте у цьому випадку виникає проблема зі стійкістю ендопротеза. Природа переважання гнучкого напруження - в структурі досліджуваного об'єкта: порівняно тонка пластина кіркової тканини спирається на досить податливу трабекулярну тканину. Це приводить до того, що силові потоки від вертикального навантаження з боку ендопротеза сприймаються кірковою тканиною як пластина під дією більш жорсткого тіла. Звідси закономірність концентрації гнучкого напруження у ділянці кільцевого контакту з ендопротезом.

Зменшити напруження у кірковій кістці можна, встановивши шайбу, яка збільшує площу опори ендопротеза. Однак установка плоскої шайби з титану приводить до росту напружень у кірковій кістці. Ситуацію дещо покращує установка шайби із більш податливого матеріалу. Крім того, потрібно змінювати профіль шайби.

Використання різних наповнювачів всередині протеза сильно зменшує напруження в кірковій кістці порівняно з порожнім протезом. Найбільш вдалий варіант - гідроксилапатитний цільний блок з модулем пружності 10⁹ Па. Наповнювач із меншим модулем пружності недостатньо ефективний, а більш жорсткий тільки погіршує напружено-деформований стан.

Наявність великої кількості локальних максимумів і мінімумів дає можливість стверджувати, що у сформованому параметричному просторі існує кілька варіантів раціонального поєднання варійованих параметрів, які подають мінімальні значення еквівалентним напруженням у кірковій тканині. При цьому не можна вказати оптимальне вирішення для всіх випадків.

Найбільша чутливість напружень у кірковій кістці спостерігається під час введення гідроксилапатитних вставок, податливих прокладок між ендопротезом і кірковою тканиною, розширювачів площі опори ендопротеза (шайба з податливого матеріалу).

Пристрій для відновлення міжтілової опори

В основу розробки покладено задачу знизити негативні наслідки ( реакції) від взаємодії ендопротеза на тіла хребців, розміщених вище і нижче ендопротеза за рахунок встановлення ендопротеза, механічні характеристики якого відповідають (дорівнюють) або близькі до механічних характеристик кісткової тканини хребта конкретного пацієнта.

Поставлена задача досягається тим, що в ендопротезі хребта, що містить трубку з опорними елементами та елементами кріплення, стінка трубки має наскрізні отвори, які розміщені у шаховому порядку, згідно винаходу , наскрізні отвори трубки мають форму прямокутника з заокругленими кутами.

Завдяки виконанню наскрізних отворів у стінках трубки у формі прямокутника з заокругленими кутами забезпечується можливість знизити негативні наслідки, які виникають при взаємодії ендопротеза і тіл хребців у місці їх контакту, а також покращити функціонування відновленої ділянки хребта.

При цьому ендопротез простий і технологічний при виготовленні та у використанні під час хірургічних втручань.

Ендопротез хребта містить трубку 1 з опорними елементами 2 та елементи кріплення 3, які являють собою, наприклад, зубці на кінцях трубки. Трубка 1 має наскрізні отвори 4, які розміщені у шаховому порядку. Наскрізні отвори 4 мають форму прямокутника з заокругленими кутами. При цьому необхідні розміри отворів 4, товщину стінки 1, а також перемичок 5 та 6 вибирають в залежності від ваги та механічних характеристик кісткової тканини тіл хребців конкретного хворого. Внутрішній об'єм трубки заповнюється, наприклад, кістковими аутотрансплантатами.

Із застосуванням даного пристрою прооперовано 14 хворих - у 13 випадках ушкоджень хребта поперекової та грудної локалізації, та в одному випадку аденокарценоми хребця L-4.

Під час хірургічного втручання у 94.7% хворих вдалося повністю корегувати деформацію або мінімізувати її до допустимих величин. У післяопераційному періоді, в строки до 9 міс втрата корекції деформації у переважній більшості випадків не перевищувала 10%.

Вимірювання міжтілового проміжку в оперованому сегменті хребта проводили при першому контрольному рентгенографічному дослідженні (5-7 день після операції) та при контролі через 9 міс.

Результати визначення цього коефіцієнта у 14 хворих досліджуваної групи показали, що у більшості випадків ( у 12 хворих - 88%) цей коефіцієнт в динаміці не змінюється. Зменшення цього коефіцієнта відмічено у 2 хворих. Різниця у величині коефіціента в 0,01 - 0,02 не дуже значна, може бути зумовлена помилкою вимірювання, і ми нею знехтували.

У жодному з наших спостережень ми не виявили значних склеротичних змін на ложі кістки реціпіента та наявність темного ореола навколо ендопротеза.

Наявність безперервного кісткового містка між спондилодезованими хребцями ми спостерігали у 11 ( 79% )хворих у строки до 9 міс спостереження, та у 3-х ( 21% ) випадках - ознаки його формування

Функціональні результати лікування оцінювали після закінчення медичної реабілітації, орієнтуючись на ступінь відновленя опорної ( статичної ) та рухової функції хребта .Відновлення опорної функції було досягнено у переважної більшості оперованих пацієнтів. Статичні порушення до завершення медичної реабілітації були відсутні у 89.3% хворих. Майже у всіх інших пацієнтів статичні порушення були незначними. Виражені розлади статики мали місце лише в одного пацієнта. Що стосується відновлення рухової функції то до закінчення періоду медичної реабілітації у переважної більшості хворих (94.6%) не було значимих обмежень амплітуди рухів у хребті.

Таким чином, показники анатомічних результатів, функціональних наслідків вказують на ефективність використання розробленого ендопротеза для відновлення опорності передніх відділів хребта грудної та поперекової локалізації.

ВИСНОВКИ

1. Проблема хірургічного лікування ушкоджень та захворювань хребта залишається актуальною, а окремі його складові потребують подальшого глибокого вивчення. Зокрема існує на сьогодні невирішеність багатьох питань використання різних замісних матеріалів для відновлення опорності передніх відділів хребта, в тому числі урахування індивідуальних особливостей конкретного пацієнта та клінічного випадку.

2. Основною причиною більшості незадовільних анатомічних результатів відновлення міжтілової опори є невідповідність механічних характеристик використаних імплантатів механічним характеристикам тіл хребців конкретного пацієнта.

3. Отримані результати числового моделювання напружено-деформованого стану тіла хребця з варіюванням моделі і властивостей матеріалу трабекулярної кістки. Отриманий принципово важливий результат, який стосується суттєвого впливу анізотропії властивостей трабекулярної кістки на рівень напружень у корковій тканині (зниження напруг - до 10% порівняно з напруженнями, отриманими на ізотропній моделі трабекулярної тканини).

4. В результаті проведеного багатоваріантного дослідження впливу властивостей трабекулярної кістки на напружено-деформований стан тіла хребця виявлено, що із збільшенням модуля пружності трабекулярної кістки спостерігається близька до лінійної залежність осьових переміщень точок верхньої пластини хребця. При цьому збільшення модуля пружності з 22 до 112 МПа (у 5 раз) веде до зменшення переміщень з 0,44 мм до 0,09 мм (на 20%). Із збільшенням модуля пружності трабекулярної тканини напруження в самій трабекулярній кістці сильно зростає приблизно за лінійною залежністю (з 0,39 МПа до 0,43 МПа). При цьому на 20 % знижується напруження в кірковій кістці. Враховуючи анізотропію матеріалу трабекулярної кістки, переміщення практично не змінюються у порівнянні з ізотропним випадком при Е=67МПа. У трабекулярній тканині спостерігається деяке зменшення напруження (близько 6%), а в кірковій кістці відбувається більш суттєве зниження напрження (близько 10%).

5. В результаті проведених математичних та біомеханічних досліджень НДС ендопротеза встановлено, що :з ростом внутрішнього діаметра (зменшення товщини стінки) зростають вертикальні переміщення та напруження; з ростом ширини перемички між кільцями переміщення і напруження зменшуються ; номінальні значення конструктивних параметрів титанових ендопротезів та можливі діапазони їх варіювання забезпечують достатню міцність і жорсткість конструкції.

6. Багатоваріантні дослідження напружено-деформованого стану титанових ендопротезів дозволяють зробити висновки щодо суттєвого запасу міцності та жорсткості. Це дозволяє рекомендувати даний ендопротез у ролі базової конструкції под час розробки операцій ендопротезування.

7. Розроблений нами ендопротез хребта дозволяє відновити опорність його передніх відділів, а його конструктивні особливості дають можливість враховувати індивідуальні механічні характеристики тіл конкретного пацієнта.

8. Передній міжтіловий опорний спондилодез із застосуванням запропонованого ендопротеза хребта показаний при реконструкції його передніх відділів з метою заміщення післярезекційних дефектів та відновлення міжтілової опори. В умовах клініки дозволив у всіх випадках його використання отримати формування міжтілового зрощення при мінімальній (до 4 градусів) втраті досягненої під час оперативного втручання корекції кіфотичної деформації, що дозволяє віднести його до лікувально-профілактичних заходів.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Шманько А.П., Радченко В.А., Шимон В.М., Ткачук Н.А. Конечно-элементные модели для определения жесткости и прочности имплантатов из гидроксилапатитной керамики // Ортопедия, травматология и протезирование. - 2002. №3.-С.60-64.

Особистий внесок полягає у проведенні частини експериментальних досліджень.

2. Шманько А.П., Радченко В.А., Веретельник Ю.В., Ткачук Н.А. Моделирование поведения биомеханических систем “позвонок-эндопротез” на основе метода конечных элементов // Ортопедия, травматология и протезирование. - 2005. №1.-С.24-31.

Особистий внесок полягає у проведенні аналізу отриманих числових даних.

3. Шманько А., Радченко В. Повреждения грудопоясничного отдела позвоночника: особенности клиники, диагностики и хирургического лечения.// Doctor.-2005.№4(30).-С.47-50.

Особистий внесок полягає в узагальненні літературних даних, проведенні клінічних досліджень.

4. Shmanko A.P., Veretelnik Y.V., Radchenko V.A. The stressedly-deformed state automated analysis system of the implants used in spine reconstruction-restoration operations. Proceedings of the International Conference AITTH'2005.- Vol.2.-Minsk: United Institut of Informatics Problems of the National Academy of Sciences of Belarus, 2005.-P.68-71.

Особистий внесок полягає в аналізі отриманих результатів.

5. Деклараційний патент України 11580 А 61 F 2/44 / М.Є.Поліщук, О.А.Лєвшин, М.М.Костицький, В.І.Шпильов, О.П.Шманько, М.О.Корж, В.О.Радченко. Ендопротез хребта.-Заявл. 22.06.2004.-Опубл. 16.01.2006. Промислова власність .-2006.- №1.

Особистий внесок полягає у розробці конструкції ендопротеза, його клінічній апробації.

6. Шманько А.П., Радченко В.А., Левшин А.А., Исакова Н.В., Беренов К.В. Особенности нарушения функции позвоночно-двигательного сегмента при деформациях грудопоясничного отдела позвоночника // Наук.-практ. конф. з міжнародною участю, присвячена 25-річчю кафедри травматології і вертебрології Харківської медичної академії післядипломної освіти: Зб.наук.праць - 2003.-С.87-88.

Особистий внесок полягає у проведенні клініко-рентгенологічних досліджень.

7. Alexander Shmanko, Vladimir Radchenko. Individual Modeling of the Operation of Spine Endoprothesis on the Base of Specialized Subsistem of Geometric and Final Element Modeling. Proceedings in interdisciplinary congress on spine care ''World Spine III''.- Rio de Janeiro -2005.-P.67.

Особистий внесок полягає у створенні системи індивідуального проектування ендопротезів хребта.

Размещено на Allbest.ru

...