Тао довольно подробно рассказал о феномене дребезжания после тотальной артропластики тазобедренного сустава по Тау. В целом, это доброкачественное осложнение, которое пациенты могут переносить, и лишь в редких случаях требуется ревизионная операция. Причина дребезжания до конца не выяснена, но это явно многофакторное явление. Мы изучили демографические данные и позицию имплантации протезов тазобедренного сустава, которые способствуют дребезжанию бедра после артропластики тазобедренного сустава, и провели серию исследований механизмов дребезжания в этой группе протезов, чтобы предложить механизм дребезжания.
Ключевые слова: гетеродин; керамика; тазобедренный сустав; артропластика
Скрежет после артропластики тазобедренного сустава — явление не недавнее, поскольку впервые о нем было сообщено в 1990-х годах при гемиартропластике Judet. Современные тотальные эндопротезы тазобедренного сустава, как правило, являются осложнением интерфейса «твердый-твердый», а в последнее время появляются сообщения о фрикционных интерфейсах «тау-тау».
Хотя феномен дребезжания широко известен, его этиология остается спорной. Обычно он возникает при аномальных обстоятельствах, таких как прямое трение металлической головки бедренной кости о металлическую чашку гнезда после износа полиэтилена, разрыв керамической облицовки или наличие абразивных частиц керамики, но он также может возникнуть после тотальной артропластики тазобедренного сустава (THR) с использованием керамики в некоторых случаях, которые ведут себя нормально. В ортопедической литературе частота возникновения дребезга между керамикой и керамическим интерфейсом сильно варьируется и составляет от 1% до 20%.
В целом, пациенты хорошо переносят дребезжание, и нет никакой разницы между удовлетворенностью пациентов и оценками тазобедренного сустава для бедер с дребезжанием и бедер без звука. Однако в некоторых случаях дребезжание может быть невыносимым и привести к ревизионной операции.
Для уточнения этиологии дребезжания мы обнаружили в предыдущих исследованиях, что тазобедренный сустав «тао-тао» связан с факторами пациента и факторами положения протеза. Мы также предлагаем механизм возникновения гетероакузиса.
Демографические факторы осцилляций тазобедренного сустава
Факторы, связанные с колебаниями бедра, можно разделить на факторы, связанные с пациентом, и факторы, связанные с положением протеза.
Ранее мы изучили демографические и ортопедические факторы, которые могут быть связаны с повышенной частотой возникновения дребезга бедра. Это самое крупное на сегодняшний день исследование, включающее два фактора, связанных с артропластикой тазобедренного сустава «тау-тау». Всего было проведено 2406 первичных тотальных артропластик тазобедренного сустава «тау-тау» тремя хирургами в одном центре в период с июня 1997 года по декабрь 2008 года. При среднем сроке наблюдения 10,6 лет у 74 бедер развилась неоднородность на различных стадиях, в среднем через 40 месяцев после операции. Частота колебаний была различной: у четырех (5%) пациентов колебания возникали при каждом шаге, а у некоторых пациентов они возникали лишь изредка во время сгибания или разгибания бедра, причем наиболее частым индуктором колебаний в этой последовательности была пронация. 15% колебаний исчезли в среднем через 9,5 лет после операции, что говорит о том, что это может быть временной проблемой.
Анализ демографических данных, проведенный Секстоном и др. в этом исследовании, показал, что более молодые люди, более высокие, более тяжелые и более активные, чаще подвержены развитию колебаний бедра, и эти демографические характеристики согласуются с результатами другого независимого исследования, проведенного Мурали и др. Эти факторы сами по себе или в комбинации увеличивают механическую нагрузку на тазобедренный сустав, делая его восприимчивым к дребезжанию. Ожирение само по себе не увеличивает вероятность появления хрипов.
Важно отметить, что наличие аберраций не было обнаружено в нашем исследовании. Между пациентами с хрипами и без них не было значительной разницы в показателях удовлетворенности или по шкале Харриса. Средний балл Харриса составил 96 (51-100) для бедер с неоднородностью и 95 (29-100) для бедер без неоднородности (p=0,34, MannCWhitneyUtest).
Факторы положения протеза при гетеротаксии тазобедренного сустава
Мы определили четыре фактора положения протеза, которые способствовали развитию гетеродисплазии. Наличие одного или нескольких из следующих факторов может привести к повышенному риску гетерогенности бедра.
1. чрезмерный угол абдукции вертлужного протеза.
Это условие увеличивает износ на границе раздела металл-полиэтилен. Эксперименты in vitro на границе трения тау-тау свидетельствуют о том, что плохие углы абдукции вертлужной впадины также увеличивают скорость износа11.
2. и смещение центра тазобедренного сустава кнаружи.
Это увеличивает силы, действующие на тазобедренный сустав.
3, Вертлужный протез слишком большой или слишком маленький при переднем наклоне.
В этом случае бедренный протез и вертлужный протез склонны к импинджменту и повышенной нагрузке на обод вертлужной впадины.
4. Эксцентрическое расстояние бедренной кости слишком велико.
Рост может быть сбивающим фактором в данном случае, так как у высоких пациентов (когда механическая нагрузка на тазобедренный сустав больше) эксцентрическое расстояние бедра больше.
В серии исследований Walter et al. попытались найти патогенез эксцентричности, анализируя рентгенограммы тазобедренных суставов с эксцентричным и неэксцентричным расположением бедра, считая приемлемыми диапазонами от 15° до 35° антеверсии и от 35° до 55° абдукции, и обнаружили, что только 6 из 16 эксцентричных бедер имели углы абдукции и антеверсии вертлужной впадины в приемлемых диапазонах, и, соответственно, 16 из 17 неэксцентричных бедер были в приемлемых диапазонах.
Слишком большая или слишком малая антеверсия вертлужного протеза увеличивает риск ущемления шейки бедра относительно вертлужного обода, тем самым увеличивая нагрузку на обод, и может способствовать возникновению гетеротаксии. Напротив, исследования также показали, что пациенты с лучшей послеоперационной подвижностью при внутренней или внешней ротации чаще испытывают неоднородный звон.
Однако, даже при идеально установленном протезе, бедро без импинджмента шейки бедра к вертлужной впадине все равно может испытывать дребезжание, что говорит о том, что дребезжание — это не изолированный фактор, а скорее многофакторное явление.
Шумообразование в эндопротезах тазобедренного сустава
Walter et al. сообщают совокупные данные, основанные на анализе нескольких исследований шумовых механизмов эндопротезирования тазобедренного сустава. В исследовании этой научной группы был проведен углубленный анализ протезов, удаленных после эндопротезирования тазобедренного сустава из-за шума или боли, а также протезов, подвергшихся ревизионной хирургии. Средний срок удаления составил 23 месяца после операции. В ходе исследования было проанализировано в общей сложности 12 фрикционных интерфейсов из алюмооксидной керамики третьего поколения, собранных 11 разными хирургами из 3 разных стран. Были измерены длина, ширина и глубина износа, а края титановых ацетабулярных чашек были проверены на наличие импинджмента. По измеренным параметрам был рассчитан общий объем износа.
Среднегодовая скорость износа 2,9 мм3 для головки бедренной кости и 3,4 мм3 для вертлужной вкладки бедра odd-rattle была значительно выше, чем ранее зарегистрированная скорость износа 0,1 мм3 для головки бедренной кости и 0,04 мм3 для вертлужной вкладки бедра odd-rattle. Все 12 комплектов удаленных фрикционных подкомплектов показали износ при краевой нагрузке, причем семь комплектов показали импинджмент шейки бедра против вертлужного края. Кроме того, наблюдалось некоторое относительное движение между вертлужным вкладышем и титановой вертлужной чашкой.
Хотя импинджмент присутствовал в большинстве протезов, снятых с гремучих бедер, он не был необходимым условием для развития гремучести. Общим знаменателем во всех протезах для удаления тазобедренного сустава было наличие износа при краевой нагрузке. Команда использовала анализ методом конечных элементов для дальнейшего изучения нагрузки на кромку.
Были получены и реконструированы компьютерные томограммы всего таза, и была имплантирована титановая ацетабулярная чашка с вкладышем из алюмооксидной керамики. Принадлежность материалов к титановому сплаву и алюмооксидной керамике была определена на основании опубликованных литературных данных. С помощью специализированного программного обеспечения нагрузка прикладывалась к 20 узлам на внешнем крае вкладыша в полуэллиптической форме в момент отрыва пальцев ног от земли во время цикла ходьбы. Испытания проводились в двух различных состояниях: угол ацетабулярной абдукции 45° и угол переднего наклона 42° или 24°.
Это исследование выявило несовместимость жесткости между вертлужной чашкой и вкладышем. В результате дисбаланса чашка имела тенденцию к деформации, а система конусности чашки и вкладыша стала несоответствующей. При возникновении несоответствия лайнер отклоняется от чашки в направлении, противоположном приложенному напряжению (см. рис. 1). Чем больше антеверсия вертлужной впадины, тем больше отделение чашки от вкладыша. Например, при наклоне вперед на 42° разделение составляет 40 мкм, тогда как при наклоне вперед на 24° разделение составляет всего 4 мкм. Исследователи считают, что такое разделение превращает чашку в осциллятор и создает гетеродин. Корреляция между гетеродинным звуком и увеличением переднего наклона согласуется с результатами предыдущих исследований.
Мы считаем, что гетероакузия после артропластики тазобедренного сустава является результатом вынужденного резонанса и состоит из движущей силы и динамической реакции. Движущей силой является высокая сила трения, возникающая при недостатке смазки в виде пленки жидкости на границе раздела твердое-твердое. Динамический отклик — это когда часть устройства (резонатор) резонирует в соответствии с присущей ей частотой колебаний.
Смазывание жидкой пленкой требует тонкого баланса многих факторов, включая скорость скольжения, вязкость потока смазочного материала, шероховатость поверхности трения, зазор и контактное давление. Нарушение смазки жидкой пленки может привести к нагрузке на кромку (уменьшение площади контакта), появлению триламинарных частиц в соединении (например, керамической абразивной стружки), повреждению поверхности соединения (увеличение шероховатости) или несоответствию диаметра границы трения.
Несоответствие системы облицовки чашки гильзы, по-видимому, является причиной краевой нагрузки, а также повышенной относительной активности между протезами, что может способствовать возникновению движущих сил трения. Далее команда сравнила частоту возникновения гетеродина бедра с собственными частотами различных частей протеза в попытке обнаружить, какая из частей может быть резонатором.
Это включало углубленный акустический и модальный анализ частот и характера звуков, издаваемых резонирующим бедром in vitro и in vivo, а также аналогичный анализ индивидуального тотального протеза тазобедренного сустава Tao. Для сбора изоакустики тазобедренного сустава у названных пациентов, которым проводилась изоакустика после эндопротезирования тазобедренного сустава по методике Тао-Тао, использовалась комбинация цифровых видеорегистраторов, внешних микрофонов и акустического программного обеспечения. После того, как погремушки были идентифицированы, было легко измерить преобладающую частоту компонента погремушки.
Было установлено, что основная частота погремушек in vivo варьировалась от 400 Гц до 7500 Гц. У каждого пациента в каждом случае наблюдалась по крайней мере одна фундаментальная частота. У трех пациентов реверберации были записаны в двух разных случаях, каждый с разной частотой.
Также был проведен модальный анализ in vitro каждой части протеза. Протезные компоненты, подвергшиеся анализу, включали.
1. ножка бедренной кости, содержащая головку бедренной кости
2. три различных комбинации чашки и вкладыша — полностью совпадающее коническое соединение; коническое соединение с контактом только в устье чашки; коническое соединение с контактом только в основании чашки
3. Отдельные чашки
4. отдельная керамическая футеровка
Результаты модального анализа показывают, что керамический протез будет резонировать только на частотах выше слышимого человеком диапазона, в то время как металлический протез будет резонировать на частотах в пределах слышимого человеком диапазона. Анализ также показывает, что сочетание керамического вкладыша и титановой чашки также не находится в слышимом диапазоне.
Команда провела дальнейший акустический анализ для проверки этой гипотезы. И снова результаты показали, что частоты, присущие керамическим компонентам, не находятся в слышимом диапазоне и поэтому вряд ли играют роль в возникновении дребезга. Однако титановые чашки и металлические бедренные протезы имеют гораздо более низкие собственные частоты и, скорее всего, являются причиной дребезжания. Это может означать, что собственные частоты титановой чашки и металлического бедренного протеза связаны с клинически наблюдаемым дребезжанием, предполагая, что резонанс возникает в металлической части, а не в керамической.
Заключение
Очевидно, что ни один фактор не вносит вклад в неоднородный резонанс после эндопротезирования тазобедренного сустава тау-тау и что это должно быть многофакторное явление. Мы предлагаем один механизм резонанса между керамикой и керамическим бедром: в идеальных условиях граница трения «твердый-твердый» должна быть смазана жидкой пленкой и иметь очень низкое трение. Однако, если жидкая пленочная смазка разрушается, сила трения значительно возрастает из-за скользящего контакта. Если увеличенная сила трения обеспечивает больше энергии, чем система может рассеять (например, через тепловой или субзвуковой шум), трение может вызвать нестабильность в виде резонанса и акустического излучения. Акустический и модальный анализы показывают, что металл частично усиливает эту резонансную движущую силу в слышимый звук.
Механическая нагрузка на тазобедренный сустав неизбежно возрастает у молодых людей, которые выше и тяжелее и более активны, что повышает риск раннего износа протеза. Высокая частота неправильного положения вертлужного протеза у пациентов с дребезжанием бедра позволяет предположить, что дребезжание может быть вторичным по отношению к предельной нагрузке из-за нарушения смазки жидкостной мембраны.
Очевидно, что только некоторые из выявленных в настоящее время факторов, связанных с дребезжанием, находятся под контролем хирурга, и хотя плохое положение протеза связано с дребезжанием, несомненно, существуют и другие причины. Мы рекомендуем пациентам с керамическими эндопротезами тазобедренного сустава с аномальной реакцией пройти компьютерную томографию, чтобы исключить возможность разрыва керамики, который может быть незаметен на рентгенограммах. Если это можно исключить, пациент должен быть проинформирован о том, что ревизионная операция должна рассматриваться только в том случае, если пациенту сильно мешает шум (отсутствуют другие факторы, которые бы позволили провести ревизию).
В большинстве случаев шум не является серьезной клинической проблемой, и не было замечено корреляции между шумом и ранним разрушением интерфейса трения. Учитывая очень низкий уровень износа и частоту остеолиза, фрикционный интерфейс «тау-тау» остается первым выбором для молодых активных пациентов. Хотя потребуется время, чтобы полностью объяснить послеоперационный скрежет после артропластики тазобедренного сустава «тау-тау», его этиология становится все более понятной. Роль конструкции протеза в гетерогенности еще требует дальнейшего изучения.