Нові технології

УДК 616.728.2-089.844-089.193.4

Возмещение костных дефектов вертлужной впадины с использование аддитивных
технологий.

А. Н. Косяков, К. А. Гребенников, А. В. Милосердов, Е. М. Федин, А. А. Нечай

Киевский городской центр эндопротезирования хирургии и реабилитации (Киевская городская клиническая больница №12, ул. Проф. Подвысоцкого, 4а, г. Киев, Украина),

Компания «UYAWA» г. Киев, Украина.

Резюме

Актуальность. Рост количества первичного эндопротезирования тазобедренного сустава, обуславливает рост ревизионных оперативных вмешательство, в том числе с обширными дефектами вертлужной впадины. В тех случаях, когда невозможно использовать официнальные импланты для ревизионного вмешательства, возникают показания к печати индивидуального вертлужного компонента из титанового порошка.

Материалы и методы. Наши 3 пациента - женщины, возраст 23, 55, 58 лет. Строк наблюдения составил от 9 до 20 месяцев. Количество ранее проведенных операций в области тазобедренного сустава составило более 4. После проведения КТ, совместно с нашими инженерами были созданы модели индивидуальных имплантов, которые в последующем были напечатаны из титана. Оценка дефектов вертлужной впадины проводилась по классификации W. Paprosky. У одной пациентки был дефект ІІІА с дефектом крыши передней и задней колон. У двух пациенток был дефект ШВ с дефектом дна и отсутствием передней или задней колон, без нарушения целостности тазового кольца.

Результаты. Оценка по шкале Харриса у 3 пациентов перед операцией в среднем составил 33,3, после операции 73,5, что свидетельствует об улучшении после имплантации индивидуальных вертлужных компонентов. В ранние сроки получены хорошие результаты применения таких конструкций.

Выводы. Современные возможности и стремительное развитие аддитивных технологий позволяют значительно удешевить производство индивидуальных вертлужных компонентов. Учитывая количество пациентов у которых есть обширные дефекты вертлужной впадины, печать индивидуальных имплантов должно применятся чаще, это улучшит качество оказания помощи таким пациентам.

Ключевые слова: ревизионное эндопротезирование тазобедренного сустава, индивидуальный вертлужный компонент, 3D-моделирование и прототипирование в ортопедии.

Вступление.

История эндопротезирования ведет свой отсчет с 1890 г., когда немецкий хирург Gluck имплантировал три шарнирных эндопротеза тазобедренного сустава, изготовленных из слоновой кости.

Первый эндопротез тазобедренного сустава создал в 1938 году Р. Уайлс (R. W. Wiles). В 1940 году Мур (Moor) впервые изготовил эндопротез проксимального отдела бедренной кости из виталлиума (кобальтохромомолибденовый сплав) и успешно использовал его для лечения пациента с опухолью бедренной кости. В 1958 г. J. Charnley, подойдя к замене сустава как к проблеме прежде всего трибологической, создал эндопротез, ставший золотым стандартом эндопротезирования. Первую удачную конструкцию с металл-металлической парой трения, способную работать долгие годы, предложил наш земляк К. М. Сиваш (1959 г.).[1,2,3,4].

С тех времен вид имплантов и техника операции прошли большую эволюцию и во многом изменились, артропластика самой распространенной ортопедической операцией при патологии тазобедренного сустава. В настоящее время в мире разработано более 800 различных конструкций эндопротезов тазобедренного сустава [ 5].

По данным экспертной группы ВОЗ (2012), ежегодно в мире выполняется до 1,5 млн тотальных замещений тазобедренного сустава и, согласно прогнозам, в ближайшие два десятилетия это число может увеличиться вдвое [6]. В развитых странах на 500 человек населения приходится одно эндопротезирование крупных суставов в год [7]. Ревизионное эндопротезирование тазобедренного сустава ежегодно составляет 10 - 20% от общего количества первично установленных эндопротезов [8]. П ри этом также растет абсолютное число пациентов подвергшихся неоднократным ревизиям с тяжелыми дефектами костей образующих тазобедренный сустав [9].

Основные причины, которые приводят к ревизионному эндопротезированию: асептическая нестабильность компонентов протеза, септическая нестабильность, повторяющееся вывихи компонентов эндопротеза, износ узла трения, перипротезные переломы, стрес-шилдинг синдром. На долю ревизионных артропластик по причине асептической нестабильности приходится более 75% от всех ревизионных вмешательств [ 10].

Артропластика суставов является сложной технологической операцией и требует очень тщательного и взвешенного предоперационного планирования, в ходе которого хирург подбирает наиболее подходящую конструкцию протеза для данного пациента. При подготовке к операции хирург должен учитывать несколько параметров таких как: пол, возраст, плотность костной ткани, наличие дефектов кости, деформации в зоне суставов, предшествующие операции, наличие металофиксаторов, спейсера и т.д.

Несмотря на большой арсенал ревизионных конструкций, которые на сегодняшний день представлены на рынке, иногда возникают ситуации, когда даже их наличие не позволяет выполнить ревизионное вмешательство. К этой группе относятся в основном пациенты,у которых ранее были многочисленные ревизионные вмешательства и имеющие выраженный дефицит костной ткани в области сустава. Дефекты вертлужной впадины могут иметь очень большой объём и осложнятся нарушением целостности тазового кольца, дефектом, или отсутствием передней и задней колонн, что ведет к определенным трудностям поставленным перед хирургом. В таких случаях использование стандартных вертлужных ревизионных компонентов не всегда позволяет решить задачу надежной фиксации элементов эндопротеза, восстановления анатомии и центра ротации сустава [11].

В последние годы в мировой литературе появляется все больше сообщений об использовании индивидуальных имплантов созданных с использованием адитивных технологий, и предназначенных для возмещения дефицита костной ткани, в тех случаях когда официнальных конструкций недостаточно [8,10,11-16].

Цель работы

Проанализировать возможность использования аддитивных технологий в предоперационной подготовке к ревизионному эндопротезированию тазобедренного сустава и возможность печати имплантов из титанового порошка, при обширных костных дефектах вертлужной впадины.

Материалы и методы В нашей клинике за период 2017 -2018, выполнено три ревизионных оперативных вмешательства с использованием имплантов напечатанных на 3D принтере, для восполнения обширных дефектов вертлужной впадины. Все 3 пациента женщины, возраст 23, 55, 58 лет. Средний строк наблюдения составил от 9 до 20 месяцев. Количество ранее проведенных операций в области тазобедренного сустава составило более 4.

Оценка дефектов вертлужной впадины проводилась по классификации W. Paprosky [17]. У одной пациентки был дефект ІІІА с дефектом крыши передней и задней колон. У двух пациенток был дефект ШВс дефектом дна и отсутствием передней или задней колон, без нарушения целостности тазового кольца.

Процесс создания импланта с использованием адитивных технологий очень трудоёмкий и материалозатратный. На всех его этапах требуется тесное сотрудничество и взаимодействие хирурга с инженером, на каждой ступени возникают вопросы, которые необходимо согласовывать.

Основные этапы создания титанового компонента для восполнения костного дефицита:

1. Мультиспиральная компьютерная томография. Для получения точной копии костей таза, толщина срезов томографа не должна превышать 0,5 - 1 мм. При этом на компьютерном томографе обязательно должна быть установлена программа подавления артефактов, иначе при наличии металофиксаторов или компонентов эндопротеза в исследуемой зоне мы можем получить так называемое «звездное небо». Эти множественные артефакты, значительно затрудняют очистку изображения и удлиняют время получения модели. При значительных деформациях и нарушениях анатомии, необходимо выполнять КТ с контрастом - это позволит визуализировать сосуды и при создании 3D их напечатать, чтобы в операционной облегчить работу хирурга.
2. Получение результатов компьютерной томографии в виде DICOM файлов и передача

их инженеру.

3. Инженер обрабатывает полученные файлы, очищает изображение от артефактов, наводок, тканей и создает электронную SD-модель костей таза в STL формате.
4. Полученная цифровая 3D-модель направляется хирургу на согласование. На этом этапе, используя шкалу Хаунсфилда можно оценить минеральную плотность костной ткани, и выделить участки наиболее плотной кости, куда в последующем надо будет проводить винты для фиксации custom made импланта [18].
5. На 3D принтере цифровая модель воплощается в пластиковую копию костей таза в натуральную величину, со всеми изъянами, дефектами и деформациями. Имея в наличии цифровую и пластиковую модели таза, можно точно определить степень дефекта вертлужной впадины, и начать планировать предстоящее оперативное вмешательство.
6. Следующим этапом является создание модели будущего импланта из пластических материалов. Этот этап является творческим моментом хирургической мысли, где можно воплотить все свои идеи в пластиковом прототипе.
7. В дальнейшем, хирург вместе с инженером создают электронную модель будущего импланта. На этом этапе планируется направление проведения винтов и их длина в зависимости от костных массивов и плотности костной ткани. После создания виртуальной модели производится печать будущего импланта из пластика. Хирург может провести «операцию до операции», примерив пластиковый прототип к модели кости и провести необходимые коррективы и дополнения. Рис 1 a,b,c.
8. Финальный этап долгого пути - печать импланта на 3D принтере из титанового порошка, и непосредственно сама операция. Это самый волнительный и радостный

момент когда все получается как планировалось.

                   a.                                                                                                b.                                                                                    c.

Хаунсфилда: a. 200, b. 400, c. 600.

Результаты

Наблюдение 1.

Пациентка Т. 55 лет. В детстве установлен диагноз двусторонний вывих головок бедренных костей. В 1994 году было выполнено оперативное вмешательство в объеме тотальное эндопротезирование левого тазобедренного сустава имплантами цементной фиксации. В 1999 году проведено ревизионное эндопротезирование в связи с асептической нестабильностью компонентов эндопротеза. В 2012году возникла протрузия ацетабулярного компонента в полость таза с повреждением внутренней подвздошной артерии слева, выполнено лигирование артерии и наложение анастомоза с правой подвздошной артерией. В 2015 году был удален эндопротез левого тазобедренного сустава. На тот момент решить вопрос восполнения дефекта вертлужной впадины возможности не было. Пациентка выписана с отделения с подвешенной конечностью.

В 2017 году была проведена компьютерная томография, создана электронная модель таза пациентки с сосудами, которая в последующем воплощена из пластика в натуральную величину. Дефект по классификации W. Paprosky ШВ, дефект дна ветлужной впадины и отсутствие передней колоны. Создан прототип импланта, который после согласования отпечатан из титанового порошка.

В марте 2017 выполнено ревизионное эндопротезирование левого тазобедренного сустава с установкой custom made чашки. Дно дефекта и передняя колона восполнены костной пластикой насыщенной стволовыми клетками пациентки. На контрольном осмотре через 3 месяца оценка по шкале Харриса 71,4 балов.

a.                                                                                                            b.

Рис. 2. Пациентка Т.: а. Рентгенограмма костей теза до операции; b. Пластиковая модель костей таза с сосудами; c,d. Внешний вид титанового импланта; e,f. Рентгенограмма тазобедренного сустава после операции прямая и боковая проекции.

Наблюдение 2

Пациентка П. 23 года. В мае 2016 получила травму в результате ДТП, билатеральный перелом таза с переломом обеих вертлужных впадин, посттравматическая нейропатия обеих седалищных нервов. Выполнен металоостеосинтез костей таза пластинами. Развился аваскулярный некроз головки левой бедренной кости. Декабрь 2016 тотальное эндопротезирование левого тазобедренного сустава протезом механической фиксации. Глубокая перипротезная инфекция в раннем после операционном периоде, численные санирующие дебридмент-ревизии были безуспешными. Май 2017 удаление эндопротеза, постановка неартикулирующего спейсера. Перед поступлением в наш цент пациентка обследована на наличие инфекции, проведена КТ, дефект по W. Paprosky ІІІВ с дефектом дна

вертлужной впадины и отсутсвием задней колоны. По ранее описанной схеме из порошка титана напечатан индивидуальный ацетабулярный компонент. В январе 2018 выполнено ревизионное эндопротезирование левого тазобедренного сустава. Для предупреждения вывихов компонентов эндопротеза, использована пара трения с двойной мобильностью. В раннем послеоперационном периоде развилась глубокая перипротезная инфекция, численные санирующие оперативные вмешательства результата не принесли. Пациентка отказалась от удаление компонентов эндопротеза, так как не хочет терять опороспособность конечности. Выписана с отделения с наличием свища.

Рис. 3. Пациентка П. а. Рентгенограма костей таза до операции; b. Электронная модель тазобедренного сустава; c. Пластиковая модель таза и прототип импланта; d. Электронные модели костей таза и импланта; е. Этап операции: установлен индивидуальный имплант, фиксация блокирующими винтами; f. Рентгенограмма таза после операции; g. Боковая проекция.

Наблюдение 3

Пациентка Н. 58 лет. Диагноз: врожденный вывих головки левой бедренной кости. 1964 год проведено открытое вправление головки левой бедренной кости. В 1995 году выполнено тотальное эндопротезирование левого тазобедренного сустава. В 2010 году ревизионное эндопротезирование левого тазобедренного сустава в связи с асептической нестабильностью компонентов эндопротеза. В 2017 глубокая перипротезная инфекция в феврале удаление компонентов протеза. На этапе предоперационной подготовки пациентка обследована, признаков инфекции не обнаружено, дефект W. Paprosky ІІІА, с частичным сохранением передней и задней колон. В феврале 2018 выполнено ревизионная артропластика левого тазобедренного сустава, установлен индивидуальный имплант, пара трения двойная мобильность для предупреждения вывиха компонентов эндопротеза. На контрольном осмотре через 3 месяца оценка по шкале Харриса 84,3 балов.

Рис. 4. Пациентка Н.: а. Рентгенограма костей таза до операции; b, c. Внешний вид импланта с винтами; d. Макет таза с имплантом; е. Рентгенограмма после операции.

Во всех трех случаях пространство под имплантом заполнялось аллогенной костной пластикой насыщенной антибиотиками и собственными стволовыми клетками для профилактики септических осложнений и быстрейшей перестройки аллогенных трансплантатов [19].

В двух имплантах были использованы полиаксиальные блокирующие винты для достижения более стабильной фиксации [20]. На данные усовершенствования получены соответствующие патенты.