Введение

Первый плюснефаланговый сустав представляет собой блоковидный сустав, который играет важную роль в биомеханике ходьбы: участвует в фазе опоры на носок и фазе толчка. Максимальная нагрузка на данном этапе приходится на головки V и I плюсневых костей [1]. Следовательно, первый плюснефаланговый сустав является наиболее значимым в ходьбе, а любые патологические изменения этого сустава проявляются нарушением функций стопы. Остеоартроз первого плюснефалангового сустава — это дегенеративно-дистрофическое заболевание, связанное с повреждением суставного хряща. Этиология этого заболевания многогранна и связана с нарушениями сустава различными факторами: травматическими, биомеханическими, метаболическими, нервно-мышечными, послеоперационными и др. [2, 3]. Наиболее частой причиной заболевания является уплощение сводов стопы и перегрузка ее передних отделов. Из всех деформаций I пальца стопы по распространенности среди населения она занимает второе место после hallux valgus. В среднем это заболевание встречается, по данным разных авторов [4], у 2,5—7,8% населения в мире.

С давних времен были разработаны и описаны многочисленные способы консервативного и оперативного лечения артроза первого плюснефалангового сустава. Артродез длительное время был «золотым стандартом» при лечении тяжелых стадий данного заболевания во всем мире, так как с помощью этой операции была решена основная задача по стабилизации медиальной колонны стопы, и это позволяло полноценно переносить вес тела человека через передний отдел стопы при ходьбе, купируя болевой синдром. Однако артродезирование не обходится без осложнений, таких как несращение, искривление оси 1-го луча и излом металлофиксаторов. Кроме того, данный способ лечения приводит к ограничению функций стопы, что нежелательно для пациентов молодого и среднего возраста. Поэтому в настоящее время возросла популярность эндопротезирования первого плюснефалангового сустава. Хирургия суставов сейчас сосредоточена на восстановительном эндопротезировании, при котором используют имплантаты, выдерживающие вес тела человека, восстанавливающие движения в суставе, поддерживающие функцию плюснесесамовидных суставов, а также сохраняющие длину плюсневой кости [5]. Выделяют следующие виды эндопротезов первого плюснефалангового сустава: связанные и несвязанные конструкции из силикона, а также изготавливаемые из металл-полиэтилена, пирокарбона и циркониевой керамики. Из представленных видов несвязанных эндопротезов циркониевая керамика обладает рядом преимуществ, таких как хорошая способность врастания, высокая износостойкость, отсутствие реакций отторжения, близость к модулю упругости костной ткани [6].

Эндопротезирование первого плюснефалангового сустава, согласно исследованию зарубежных авторов, сопровождается следующими осложнениями [7]:

— перипротезным переломом кости;

— образованием остеолиза у основания компонетов эндопротеза, что свидетельствует о развивающейся нестабильности эндопротеза;

— вывихом эндопротеза;

— металлозом (отложение и накопление металлических обломков в мягких тканях тела) при использовании эндопротезов с парой трения металл—полиэтилен;

— переломом ножки импланта.

Лишь немногие исследования посвящены послеоперационным осложнениям, которые имплантаты могут вызвать в первом плюснефаланговом суставе стопы, а также их биомеханическому поведению в условиях повседневной нагрузки.

Цель исследования — проведение анализа биомеханики первого плюснефалангового сустава после эндопротезирования, изучение взаимодействия костей и двух имплантатов суставов с использованием скелетной модели стопы. Важно отметить, что ранее подобные исследования провели Lewis Gladius и Alva Preetam, однако используемые ими модели были ограничены режимом 2D [8]. Наш анализ проведен с использованием целостной 3D-модели стопы, что позволяет добиться лучшего распределения нагрузок между костями и точного воздействия на костную ткань во время фаз ходьбы. Данный метод может использоваться травматологами-ортопедами в предоперационном планировании, что в свою очередь может помочь наиболее точно подобрать размер импланта, избежать технических трудностей и уменьшить риск послеоперационных осложнений. Кроме того, это исследование необходимо для определения критических областей соприкосновения протеза и кости, что в дальнейшем поможет нам провести работу по усовершенствованию имплантатов, чтобы сделать их более эффективными, долговечными и удобными в использовании.

Материал и методы

В основу исследования легли клинические наблюдения за 40 пациентами, обратившимися на консультацию к травматологу-ортопеду СГКБ №1 им. Н.И. Пирогова в период с 2016 по 2021 г. с жалобами на боль, умеренный отек, гиперемию в области первого плюснефалангового сустава, изменение походки, хромоту, затруднение ношения узкой обуви. У некоторых из них отмечалось наличие кератом под плюснефаланговым и межфаланговым суставами I пальца стопы вследствие компенсаторного распределения нагрузки на оба сустава. Среди больных было 12 (30%) мужчин и 28 (70%) женщин, средний возраст пациентов составил 48±2,5 года (минимальный — 41 год, максимальный — 72 года). Анализ функции первого плюснефалангового сустава и болевого синдрома проведен при помощи шкалы оценки заболеваний стопы и голеностопного сустава Американской ассоциации ортопедов стопы и голеностопного сустава (AOFAS), предложенной H. Kitaoka и соавт. в 1994 г. [9]. Исходная средняя оценка составила 25±2,5 балла, средний объем движений в суставе: тыльное сгибание — 23±1,7°, подошвенное сгибание — 32,7±1,7°.

Проведено комплексное диагностическое исследование, включавшее сбор жалоб и анамнеза, осмотр, рентгенографию стопы в двух проекциях с нагрузкой, плантографию и подографию, денситометрию, компьютерную томографию (КТ). С целью наглядного биомеханического исследования здоровых и пораженных суставов выполнена 3D-визуализация КТ-сканов, в том числе произведены диссекции 22 кадаверных стоп для изучения анатомии капсульно-связочного аппарата первого плюснефалангового сустава.

По результатам исследований и анализа опыта зарубежных коллег в области эндопротезирования первого плюснефалангового сустава мы разработали персонифицированную конструкцию керамического несвязанного анатомически адаптированного эндопротеза первого плюснефалангового сустава (Патент РФ на полезную модель №202476 от 19.02.21. Бюл. №5) [10] (рис. 1).

Рис. 1. Цельнокерамический несвязанный анатомически адаптированный эндопротез первого плюснефалангового сустава, представленный в двух размерах.

Данное изделие выполнено из циркониевой керамики и является эндопротезом несвязанного типа. Суставная поверхность проксимального плюсневого компонента состоит из выпуклой поверхности, дистальный фаланговый компонент — из вогнутой суставной части. Ножки эндопротеза имеют коническую форму со скруглениями на верхушках для облегченной установки методом press-fit, на ножках выполнены продольные канавки при отсутствии поперечных неровностей, что является преимуществом по сравнению с другими эндопротезами и обеспечивает ротационную стабильность. На дорсальной поверхности проксимальной суставной части есть козырек, а на ее плантарной поверхности — перпендикулярный срез, что позволяет увеличить объем тыльного сгибания. При этом форма суставной части дистального компонента выполнена вогнутой и приближена к анатомической, а на ее дорсальной поверхности предусмотрен желобоватый срез. Размерная линейка представлена шестью позициями для каждого компонента и поставляется с набором инструментов для установки. Эндопротез прошел полный цикл доклинических технических и токсикологических испытаний: технические испытания пройдены на базе АНО «Центр качества, эффективности и безопасности медицинских назначений», Москва (акт №11/022.Р-2021 от 10.11.21). Токсикологические тесты выполнены в физико-химической лаборатории «Дельма», г. Пущино (программа токсикологических исследований медицинского изделия №МИ21-0208/02 от 02.08.21).

В настоящее время проектирование и производство в медицине невозможно представить без помощи IT-специалистов и инженеров. Поэтому для создания модели стопы мы применяли систему 3D-скульптинга (разновидность компьютерного 3D-моделирования объектов из виртуального материала), разработанную на базе Института инновационного развития СамГМУ. После выполнения диагностической КТ изображение получили в формате DICOM. Результаты томографии стопы импортировали в программный комплекс САПР (система автоматизированного проектирования), где провели первичную обработку цифровой информации.

Кортикальные и трабекулярные части кости смоделировали с учетом толщины кортикального слоя 1,5 мм. После чего кости были отделены друг от друга в монолитной геометрической модели так, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Конечная геометрическая модель.

Далее костную поверхность несколько упростили в редакторе программы САПР с целью проведения не менее достоверного конечно-элементного анализа при снижении расчетного времени. При обработке геометрической модели также учли значительное снижение механических свойств кости при переходе от кортикальной части к трабекулярной путем введения полостей внутри тел костей.

Расчеты проведены с учетом биомеханики ходьбы человека. Наибольшая нагрузка на первый плюснефаланговый сустав приходится в фазу толчка и подфазу переката и переноса опоры ноги на головки плюсневых костей. Полная амплитуда движений в этом суставе обеспечивает телу плавное ускорение по горизонтали [11].

Мы использовали следующие механические свойства кости и имплантата, представленные в таблице.

Механические свойства керамики

Величину нагрузок, приложенных к модели стопы, взяли из данных литературы, где рассматривается воздействие человека с массой тела 70 кг. Величина и направление нагрузки, которую человек с такой массой тела прикладывает к таранной кости в фазу «толчка», варьирует от 20 до 1805 Н [12, 13].

Для разработки цифровой геометрической модели взяли основные стереотипы движений тыльного сгибания, которые под нагрузкой в норме достигают 52°.

Далее разработали виртуальную модель костей, включающую установленные импланты, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Модель первого плюснефалангового сустава после установки эндопротеза.

Для расчетных условий, в большей мере соответствующих реальным, максимально возможное усилие, воздействующее на кости, соответствует 60—70 кг [14]. Указанный диапазон усилий соответствует нагрузке костей при изгибе, соответствующем 45^о.

Примеры анализа прочности указаны на рис. 4—6.

Рис. 4. Конечно-элементная модель первого плюснефалангового сустава без эндопротеза. Модель приведена при усилии нагрузки 110 кг. Угол тыльного сгибания соответствует 45°.

Рис. 5. Конечно-элементная модель имплантированного эндопротеза первого плюснефалангового сустава.

Модель приведена при усилии нагрузки 105 кг. Угол тыльного сгибания соответствует 45°.

Рис. 6. Конечно-элементная модель имплантированного эндопротеза первого плюснефалангового сустава.

Модель приведена при усилии нагрузки 122 кг. Угол тыльного сгибания соответствует 45°.

Результаты

Зависимость максимальных напряжений, возникающих в костях, от величины осевого усилия в соответствии с различными углами тыльного сгибания показана на рис. 7.

Рис. 7. Зависимость максимальных напряжений, возникающих в костях, от величины осевого усилия.

При анализе моделирования критических нагрузок в первом плюснефаланговом суставе получены следующие результаты:

1) при тыльном сгибании первого плюснефалангового сустава до 45° с наличием импланта кортикальная костная ткань выдерживает нагрузку до 40 кг (400 N);

2) кортикальная костная ткань с наличием импланта выдерживает нагрузку до 305 кг (3000 N) при отсутствии тыльного сгибания;

3) прочность элементов импланта из циркониевой керамики существенно превышает прочность костной ткани в соединении имплантат—костная ткань;

4) напряжения в костях с наличием имплантатов и без них очень близки по своим максимальным значениям; это вызвано в первую очередь тем, что с точки зрения прочности самым слабым звеном расчетной системы является костная ткань, и при установке эндопротеза нагрузка в полном объеме распределяется от имплантата по кортикальной части кости.

Обсуждение

Установлено, что область проксимальной фаланги I пальца стопы наиболее подвержена разрушению в зоне соприкосновения ножки эндопротеза и самой кости.

Исходя из результатов исследования доказано, что костная ткань подвергается значительно большей нагрузке после эндопротезирования сустава, поэтому к данному оперативному лечению необходимо специально готовить пациентов с избыточной массой тела заранее, следует назначать гипокалорийную диету и предупреждать их о риске возможных осложнений.

Следовательно, использование 3D-геометрических моделей суставов с наличием эндопротезов и испытание их с применением сил, воздействующих на костную структуру, является успешным методом разработки двигательной активности для пациентов в послеоперационном периоде. Данный способ анализа биомеханики суставов также может помочь врачам в предоперационном планировании, избежать осложнений и предостеречь пациентов от чрезмерной нагрузки на сустав.

Проведение подобных тестирований в дальнейшем поможет нам провести работу по усовершенствованию имплантатов, чтобы сделать их более эффективными, долговечными и удобными в использовании.

Заключение

Осевая нагрузка на первый плюснефаланговый сустав в послеоперационном периоде является наиболее подходящей в интервале до 35 кг при максимальном тыльном сгибании до 45°. При повышенной нагрузке на сустав и переразгибании >45° существует вероятность послеоперационных осложнений, таких как нестабильность имплантата, вывих и перипротезный перелом.

Информация об источнике поддержки в виде грантов, оборудования, лекарственных препаратов.

Работа выполнялась в соответствии с планом научных исследований Самарского государственного медицинского университета. Финансовой поддержки со стороны компаний-производителей лекарственных препаратов авторы не получали.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.