Конструирование коленного сустава

При полной или частичной замене коленного сустава в настоящее время ортопеды используют эндопротезы четырех типов: санные, петлевые, ротационные и комбинированные. Все они предназначены для замены дегенеративно измененных и изношенных суставных поверхностей, являющихся поверхностями трения в подвижном сопряжении бедренной и большеберцовой костей.

Санные эндопротезы обеспечивают взаимное скольжение с качением бедренного и большеберцового (далее — берцового) компонентов эндопротеза в сагиттальной плоскости. Из рис. 1 ясны принципы установки и функционирования таких эндопротезов.

На рис. 2 представлена конструкция санного эндопротеза, который первоначально назывался «St.Georg», а в 1981 г. был модифицирован и переименован в «ENDO — Model». Эндопротез состоит из металлических бедренного (CoCrMo) и берцового (Ti) компонентов. В последнем закреплена вставка из СВМПЭ. Бедренный компонент крепится на подготовленном конце бедренной кости с помощью стержней специальной формы. Его контактная поверхность повторяет анатомическую форму мыщелков. Во вставке выполнено соответствующее овальное углубление. Фирма W. Link GmbH & Co изготавливает компоненты эндопротезов «ENDO — Model» трех типоразмеров со вставками четырех толщин.

Рис. 1. Схема установки (а) и рентгенограмма (б) имплантированного санного эндопротеза «St. Georg» 29: 1 и 2 — бедренная и большеберцовая кости, 3 — надколенник, 4 и 5 — бедренный и берцовый компоненты эндопротеза

Основные детали санного эндопротеза Search®, выпускаемого фирмой «Eesculap», показан на рис. 3. Бедренный компонент (а) имеет вид скобы, конфигурация и метод крепления которой на подготовленном для имплантации торце бедренной кости зависят от того, будут ли сохранены в прооперированном коленном суставе крестообразные связки и надколенник. Скобу изготавливают из сплава CoCrMo 4−5 типоразмеров для левой и правой ног. Методы крепления — с помощью костного цемента, а также путем механической фиксации с помощью опорных штифтов (не показаны) и биоинтеграции. эндопротез суставный бедренный Берцовый компонент выполнен в виде пластины (4−8 типоразмеров), повторяющей форму плато большеберцовой кости, с гнездом специальной формы. Пластину крепят на подготовленном торце большеберцовой кости с помощью цемента и шурупов (б). Крепление может быть также осуществлено с помощью профильной ножки регулируемой длины (в). Для этого эндопротез укомплектован вставками 4-х типоразмеров, которые фиксируют в ножке путем посадки на стандартный конус.

Рис. 2. Конструкция эндопротеза «ENDO — Model» 30: 1 и 2 — бедренный и берцовый компоненты, 3 — вставка из СВМПЭ, 4 — стержень, 5 — углубление

Рис. 3. Детали санных эндопротезов Search®: а — бедренный, б и в — берцовые компоненты, г — деталь трения берцового компонента. 1 — пластина, 2 — гнездо, 3 — шурупы, 4 — ножка, 5 — вставка

В гнездо пластины берцового компонента помещают деталь трения в виде вставки из СВМПЭ (г). Она плотно (со щелчком) садится в гнездо. Вставки изготавливают 3−4 типоразмеров по толщине.

Необходимым условием имплантации санных эндопротезов является наличие находящихся в хорошем функциональном состоянии связок коленного сустава и окружающих его мышц. Наилучшим показанием для использования этого вида эндопротезов является медиальный гонартроз.

Петлевые эндопротезы обеспечивают сгибание-разгибание коленного сустава в сагиттальной плоскости благодаря петлевому блоку, который соединяет бедренный и берцовый компоненты и в котором сосредоточены все механические нагрузки и трение в искусственном суставе.

Конструкция петлевого эндопротеза показана на рис. 4.

Эндопротез состоит из двух компонентов, которые крепятся с помощью ножек в костно-мозговых каналах бедренной и большеберцовой костей. На концах ножек установлены полиэтиленовые звездообразные наконечники, обеспечивающие центральное положение ножек в каналах. На берцовом компоненте укреплена петля 4 с отверстием под ось 5. Петля входит в прорезь подшипникового блока 6, расположенного в бедренном компоненте. Блок состоит из двух боковин, содержащих подшипники скольжения 7 из СВМПЭ. При окончательном монтаже имплантированного эндопротеза петлю 4 вставляют в блок 6, располагая ее в зазоре между подшипниками 7. Через поперечное отверстие, просверленное в медиальном мыщелке бедра, «запирают» петлевой механизм металлической осью 5. Движение и трение в таком искусственном суставе локализованы в петлевом механизме. В результате контакт бедренного компонента с полиэтиленовым плато 8, установленным на торце берцового компонента, оказывается практически разгруженным.

Петлевые эндопротезы предпочтительнее использовать при поздних стадиях ревматоидного артрита, сопровождающегося атрофией мышц и недостаточностью связочного аппарата.

Ротационные эндопротезы содержат два узла трения: 1) такой же, как у санного эндопротеза, служащий для передачи нагрузок, производных от массы тела, на берцовые кости; 2) помещенный в берцовом компоненте подшипниковый узел, который обеспечивает фиксацию компонентов эндопротеза и ограничивает пределы их взаимного перемещения.

Предпосылкой для создания ротационного эндопротеза стали два серьезных биомеханических осложнения, замеченных при оценке 5-летних результатов эндопротезирования коленного сустава с применение петлевого эндопротеза: расшатывание ножек и поломка бедренной кости. Усовершенствование петлевого эндопротеза немецкими ортопедами привело к созданию ротационного эндопротеза «ENDO — Model», рис. 5.

Рис. 5. Ротационный эндопротез «ENDO — Model»: а — вид спереди,

б — вид сбоку, бедренный компонент повернут в крайнее нижнее положение. 1 и 2 — бедренный и берцовый компоненты, 3 — ножка, 4 — направляющая, 5 — палец, 6 — вставка, 7 — углубление, 8 — блок, 9 — опорная пластинка, 10 — подшипник, 11 — патрубок, 12 — ось Бедренный 1 и берцовый 2 компоненты эндопротеза установлены на ножках 3, которые крепятся с помощью костного цемента в костно-мозговых каналах соответствующих костей. На концах ножек навинчены направляющие 4 для обеспечения их центрального положения в каналах. Берцовый компонент в виде металлической пластины 2 несет палец 5, который установлен в задней части пластины и имеет сферический торец. На пластине закреплена вставка 6 из СВМПЭ, снабженная двумя овальными углублениями 7, которая имитирует верхнюю суставную поверхность берцовой кости. Бедренный компонент выполнен в виде подшипникового блока 8, который укреплен на ножке и снабжен слева и справа от нее опорными пластинками 9, изогнутыми так, что изгиб повторяет анатомическую форму мыщелков. В блоке выполнено горизонтальное сквозное отверстие, в котором установлен изготовленный из СВМПЭ трубчатый подшипник 10, снабженный полым патрубком 11 так, что подшипник и патрубок образуют тройник. Внутрь подшипника вставлена металлическая ось 12. Зазор между опорными пластинками 9 соответствует диаметру патрубка 11, а диаметр отверстия в нем — диаметру пальца 5.

Сборка имплантированного эндопротеза состоит в установке пальца 5 в отверстие патрубка 11, что обеспечивает взаимную фиксацию закрепленных в костях компонентов. При сгибании ноги в колене и подъеме бедра компоненты эндопротеза занимают положение, показанное на рис. 3.16, б. В процессе такого движения опорные пластинки 9 скользят по углублениям 7 полимерной вставки 6, а патрубок 11 перемещается вслед за пальцем 5 по зазору между опорными пластинками, вращая подшипник 10 в зазоре между корпусом блока и осью 12. Вращение берцовой кости в искусственном суставе возможно, благодаря повороту пальца 5 в патрубке 11, но ограничено пределами угловых перемещений опорных пластинок 9 в овальных углублениях полимерной вставки 6.

Ротационные эндопротезы применяют при недостаточности связочного аппарата, но сохранивших свою силу мышцах бедра и голени. Показаниями для их имплантации является варусная или вальгусная (О или Х) деформация коленных суставов, осложненная контрактурой (ограничением движений) или слабостью связочного аппарата.

Комбинированные эндопротезы совмещают достоинства рассмотренных выше конструкций и содержат элементы, позволяющие устранить некоторые их недостатки. Типичным представителем комбинированных эндопротезов является популярный в Европе эндопротез коленного сустава GSB.

Аббревиатура GSB составлена из первых букв создателей этого эндопротеза — ортопедов клиники W. Schulthess в Цюрихе — Gschwend N., Scheier A., Bahler A. На рис. 6 приведены фотографии одной из модификаций эндопротеза GSB, выпускаемой фирмой SULZER medica.

Эндопротез состоит из бедренного 1 и берцового 2 компонентов, которые с помощью ножек и костного цемента фиксируются в бедренной и большеберцовой костях. Бедренный компонент выполнен в виде укрепленного на ножке полого блока 3, несущего на торце выпуклую пластину 4, изгиб которой повторяет анатомическую форму мыщелков и надколенниковой поверхности бедренной кости. В пластине имеется прорезь 5, соединенная с полостью 6 блока. «Потолок» полости образован деталью 7, имеющей специальную криволинейную поверхность. Берцовый компонент представляет собой закрепленное на ножке основание 8, несущее плоский фиксатор 9 криволинейной формы. На основании установлены плоские вставки 10 из СВМПЭ. Бесцементный эндопротез надколенника 11 имеет слегка выпуклую контактную поверхность и несет с обратной стороны предназначенные для закрепления в кости четыре заостренных полиэтиленовых штифта и титановую сетку 12, обеспечивающую остеоинтеграцию.

Рис. 6. Детали эндопротеза GSB (а), поперечный разрез бедренного компонента эндопротеза (б) и эндопротез в собранном виде (в): 1 и 2 — бедренный и берцовый компоненты, 3 — блок, 4 — пластина, 5 — прорезь, 6 — полость, 7 — фиксирующая деталь, 8 — основание, 9 — фиксатор, 10 — вставка, 11 — надколенник, 12 — сетка

После фиксации компонентов эндопротеза в костях коленного сустава вводят фиксатор 9 в полость 6 бедренного блока. Собранный эндопротез работает следующим образом. Пластина 4 опирается на вставки 10, обеспечивая передачу веса тела на голень. При сгибании ноги в колене пластина скользит по вставкам. Пределы сгибания ограничены перемещениями фиксатора 9 в полости 6 блока 3. Контакт фиксатора и поверхностей детали 7 имеет место только в крайних положениях голени. Таким образом предотвращается вывихивание искусственного сустава при плохом функциональном состоянии связок и мышц.

Эндопротез GSB рекомендуют применять при всех заболеваниях коленного сустава, которые делают невозможной ходьбу и не могут быть вылечены методами консервативной терапии или остеотомии. Эндопротез может быть использован для исправления любых осевых деформаций и нестабильности связок коленного сустава. Эндопротезирование надколенника остается дискуссионной проблемой из-за отсутствия достоверных данных о скоростях износа при скольжении естественного хряща надколенника по металлической пластине бедренного компонента и вставки из СВМПЭ в паре трения с той же пластиной.

Разработчики GSB считают, что первичное эндопротезирование коленного сустава порождает множество проблем, сложность которых гораздо выше, чем при замене тазобедренного сустава. Поэтому уже во время первичной операции следует оценивать вероятность ревизионной операции, т. е. постулированной Дж. Чанли «второй линии обороны». Эндопротез GSB дает такую возможность.

Совершенствование эндопротезов коленного сустава происходит в настоящее время главным образом в пределах приведенных выше основных конструкций. Предложен санный протез 35, компоненты которого выполнены полностью из керамики и снабжены ребрами жесткости. В ротационном эндопротезе сделана попытка улучшить подшипниковый блок, задав его перемещение по оптимальной траектории с помощью двух пар перекрестных тяг. В комбинированном эндопротезе такая же задача решается с помощью фигурных пазов в стенках блока, с которыми взаимодействуют выступы находящегося в блоке кулачка.

На сегодняшний день разработано большое количество комбинированных эндопротезов коленного сустава. Приведем следующие примеры. Фирма Biomet Inc. (США) выпускает эндопротез «AGC HPPS», бедренный компонент которого такой же, как у эндопротеза «Search», а берцовый — как у протеза GSBс той разницей, что фиксатор выполнен заодно со вставкой из СВМПЭ. Аналогичную конструкцию узла фиксации имеет эндопротез «Dual Articular» (фирма Biomet Merck Ltd., Англия). Выпускаемый этой же фирмой эндопротез «AGS V2», являющийся по сути санным, содержит в средней части полимерной вставки выступ, препятствующий боковому смещению контактирующего с ней бедренного компонента.

Ориентиром в широкой номенклатуре эндопротезов коленного сустава, наряду с индивидуальными особенностями пациента и технико-экономическими соображениями, является знакомство ортопеда с конструкцией и техникой имплантации эндопротеза, а также его личный опыт и предпочтения.