CC BY
20
УДК 616.711-089.84 : 616.71-007.234
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ БЕСЦЕМЕНТНОЙ И ЦЕМЕНТНОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ТРАНСПЕДИКУЛЯРНЫХ ВИНТОВ В ПОЗВОНКИ С ПОНИЖЕННОЙ МИНЕРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТЬЮ КОСТНОЙ ТКАНИ
Л.Л. Лфаунов1, В.Д. Усиков2, Д.Л. Пташников2, К.К. Тахмазян1, М.Ю. Докиш2
' ГОУ ВПО «Кубанский государственный медицинский университет >>, ректор - К..М.П. СЛ. Алексеенко г, Краснодар
- ФГУ «•Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. P.P. Вредена Росмедтехнологий >>, директор - д.м.н. профессор P.M. Тихилов Санкгп -Петербург
В эксперименте изучена стабильность цементной и бесцементной имплантации транснедикулярных винтов в позвонки с пониженной минеральной плотностью костной ткани. Проанализирована дестабилизация винтов дистракционной нагрузкой, приложенной вдоль продольной оси винта на универсальной серво-гидравлической испытательной машине «Walter+bay ag>> LFV-10-T50. Показатели жёсткости костно-цементно-металлическою блока при цементной имплантации кашолированных транснедикулярных винтов в 2,10-2,38 раза выше аналогичных показателей при обычной имплантации транснедикулярных винтов.
Ключевые слова: транснедикулярная фиксация, остеонороз, эксперимент, костный цемент, стабильность.
EXPERIMENTAL STUDY OF STABILITY AT CEMENT AND CEMENTLESS IMPLANTATION OF TRANSPEDICULAR SCREWS INTO VERTEBRAE WITH LOW MINERAL DENSITY OF BONE
AA Afaunov, V.D. Usikov, D.A Ptashnikov, K.K. Talthmazyan, M.Yu. Doltish
The stability of cemented and noncemented transpedicular screw implantations in vertebra with low mineral bone density was studied in experiment. We analyzed the destabilization of screw under distraction load, attached along longitudal axis of the screw on universal servo-hydraulic test machine <<Walter+bay ag>> LFV-10-T50. The factors of bone-cement-metallic block rigidity of cemented screw was in 2,10-2,38 times more then in situation with traditional transpedicular screw
Key words: transpedicular screw fixation, osteoporosis, experiment, bone cement, stability.
Проблема остеопороза в хирургии позвоночника является одной из наиболее авральных [3, 6, 7, 8]. С одной стороны, это связано с участнв-шимися случаями тяжёлых переломов тел позвонков на фоне остеопороза. С другой стороны, накопленный опыт показывает, что стандартные приёмы и методы хирургического лечения при наличии остеопороза малоэффективны или неприемлемы [2, 6]. На сегодняшний день описано несколько вариантов хирургического лечения больных с переломами позвоночника на фоне системного остеопороза, но ни один из них не может считаться оптимальным [3, 6, 8]. В сложившейся ситуации вполне обоснованно выглядит появление траиспедшсз^лярных спипальпых систем, предполагающих имплантацию винтов с использованием костного цемента [9]. Вопро-
сы экспериментального и клинического обоснования применения таких спипальпых систем остаются не достаточно освещёнными в специальной медицинской литературе.
Известно, что клиническая эффективность остеосинтеза во многом определяется его стабильностью [4]. Именно этот фактор является критическим при наличии остеопороза. Экспериментальное обоснование применения спипальпых систем, предполагающих цементную имплантацию винтов, может быть основано на сравнении основных параметров стабильности остеосинтеза позвоночника такими системами, и системами, широко применяемыми в клинической практике.
Цель работы - провести экспериментальное сравнение стабильности бесцементной и цемен-
тной имплантаций транспедикулярных винтов в позвонки с пониженной минеральной плотностью костной ткани.
Серия проведённых нами экспериментов включала 16 опытов, в которых использовали анатомические препараты позвоночных сегментов Th - L , извлекаемые на секции у лиц женского пола старше 65 лет в течение 24-48 часов после смерти. Причины смерти в указанной группе не оказывали влияния на структуру тканей позвонков. Изъятие блоков позвоночных сегментов проводили в соответствии с требованиями подготовки тканей человека для биомеханических исследований в морге кафедры судебной медицины КГМУ. Перед началом исследования производили визуальную макроскопическую оценку и морфометршо анатомических препаратов, рентгенографию препаратов в стандартных проекциях, а так же КТ-денситометрию, которая подтверждала снижение минеральной плотности костной ткани. После этого во все позвонки имлантировали транспедикулярные винты «Синтез» (ООО МТФ «Синтез», г. Санкт-Петербург) диаметром 6,5 мм с длиной резьбовой части 50 мм. Винты проводили параллельно за-мыкательным пластинам, а их конвергенция составляла 12-18 градусов. При этом в правую часть каждого позвонка имплантировали стандартные винты, применяемые в клинической практике [1], а в левую - кашолированные винты, имплантацию которых осуществляли с использованием костного цемента. Формирование цементной мантии осуществляли после имплантации винтов путём введения 2,5 мл костного цемента через канюлю винта с помощью инжектора. Корректность проведения винтов и цементной мантии контролировали рентгенографией в стандартных проекциях. Подготовленные к экспериментам препараты хранили при температуре - 18 градусов С. Перед проведением нагрузочных тестов их размораживали в течение 6-8 часов.
Нагрузочные тесты были проведены в испытательной лаборатории ЦИТО им. H.H. Приорова на универсальной испытательной машине «Walter+bay ag>> LFV-10-T50. Тестирование предполагало поочерёдную дестабилизацию имплантированных винтов путём воздействия на них дистракционной нагрузкой, приложенной вдоль продольной оси винта в направлении от заострённой носовой части к головке. Для выполнения тестирования анатомические препараты позвонков закрепляли в неподвижной траверсе испытательной машины за тело позвонка таким образом, что продольная ось испытуемого винта была направлена к подвижной траверсе параллельно вектору прилагаемого днст-
ракционного воздействия. Головку винта закрепляли к подвижной траверсе, после чего она приводилась в движение со скоростью 3 мм в минуту, передавая днстракцнонную нагрузку на имплантированный винт, дестабилизируя его и извлекая из позвонка. Возрастающая по мере движения траверсы нагрузка регистрировалась измерительным комплексом испытательной машины. Запись параметров зависимости величины дислокации испытуемого винта от прилагаемой нагрузки осуществлялась автоматически в виде диаграмм в координатах «днстракцнонное усилие (14) - линейная величина дислокации (миллиметры)». Движение траверсы и увеличение нагрузки производили до появления явных признаков дестабилизации винта и локальных разрушений костной ткани вокруг его резьбы. Разрушением тестируемого препарата считали момент снижения его сопротивления дистракционной нагрузке, определяемый по началу прогрессивного нарастания дислокации винта без дальнейшего адекватного увеличения нагрузки. Разрушение фиксировалось испытательной машиной, контролировалось визуально и регистрировалось цифровой фотосъёмкой. Сразу после разрушения препарата нагрузку прекращали. Исследуемый образец извлекали для регистрации и морфометрии, после чего позвонок перезакрепляли в неподвижной траверсе испытательной машины и аналогичным образом проводили тестирование второго винта. После дестабилизации всех винтов выполняли рентгенографию анатомических препаратов позвонков в стандартных проекциях. По полученным диаграммам составляли таблицы зависимости дислокации испытуемых винтов от прилагаемой нагрузки. Дискретность дислокации винтов в таблицах составляла 0,25 мм.
Очевидно, что, с клинической точки зрения, наибольший интерес представляют экспериментальные данные, полученные в диапазоне тестирующих нагрузок, провоцирующих начальные проявления дестабилизации. Исходя из этого и учитывая возможности электронного измерительного комплекса испытательной машины, для сравнения стабильности стандартной и цементной имплантаций винтов в позвонки с пониженной минеральной плотностью нами проводилось сопоставления нагрузок, вызывающих дислокации винтов до 1 мм. Сопоставление производили отдельно по каждому позвонку, принимая за 100% величину нагрузки, провоцирующую дислокацию стандартного винта в дор-залыюм направлении. Равноценная дислокация кашолированного винта из того же позвонка после цементной имплантации провоцировалась большей дистракционной нагрузкой. Её процен-
тное соотношение с соответствующей нагрузкой стандартного винта для каждого позвонка определяли по формуле:
РсДМОО, " (1)
в которой й - днстракцнонная нагрузка, провоцирующая дислокацию стандартного винта, а А; -днстракцнонная нагрузка провоцирующая равноценную дислокацию кашолированного винта после цементной имплантации. Полученные цифровые характеристики результатов проведённых экспериментов подвергались статистической обработке с определением стандартной ошибки средних значений, с учетом, прежде всего, процентных соотношений дистракционных нагрузок, вызывающих равноценные дислокации стандартных и кашоли-рованных винтов для каждого позвонка. Также учитывали и абсолютные величины этих нагрузок, которые существенно отличались в различных позвонках. За счёт такого подхода к анализу результатов нам удалось избежать существенных погрешностей, связанных со значительной вариабельностью механических свойств костной ткани позвонков у различных лиц.
Таким образом, в нашей работе было проведено сравнение величин механических нагрузок, способных вызвать начальную дисло-
кацию и дестабилизацию транспедикулярных винтов после стандартной имплантации и ка-июлированиых винтов после цементной имплантации. Сравниваемые величины характеризуют показатели жёсткости костно-метал-лических и костно-цементно-металлических блоков, формирующиеся после имплантации винтов в позвонки [5].
Показатели днстракцнонной нагрузки, провоцирующей дислокацию стандартных транспедикулярных винтов в дорзалыюм направлении, представлены в таблице 1. По результатам восьми экспериментов дислокация на 0,25 мм происходила при нагрузке 26+7 N. Дислокация на 0,5 мм - при нагрузке 43+26 N. Дислокация на 0,75 мм происходила при нагрузке 56+15 N и на 1 мм - при нагрузке 67+16 N.
Показатели днстракцнонной нагрузки, провоцирующей аналогичную дислокацию кашолиро-ваииых винтов после цементной имплантации в позвонки, представлена в таблице 2. По результатам восьми экспериментов дислокация на 0,25 мм происходила при нагрузке 54+17 N. Дислокация на 0,5 мм - при нагрузке 89+26 N на 0,75 мм - при нагрузке 120+31 N и на 1 мм - при нагрузке 155±37 N.
Таблица 1
Зависимость величины линейной дислокации стандартных транспедикулярных винтов от прилагаемой дистракционной нагрузки
Дислокация винтов,мм Дистракционная нагрузка на стандартные винты (II) Средняя величина дистракционной нагрузки
Номер эксперимента
1 2 3 4 5 6 7 8
0,25 10 10 60 60 10 20 15 20 26+7
0,5 20 23 95 100 20 30 20 35 43+26
0,75 25 33 115 130 31 45 30 40 56+15
1,0 30 40 138 150 40 50 40 50 67+16
Таблица 2
Зависимость величины линейной дислокации канюлированных трнспедикупярных винтов от прилагаемой дистракционной нагрузки
Дислокация винтов,мм Дистракционная нагрузка на канюлированные винты Средняя величина дистракционной нагрузки
Номер эксперимента
1 2 3 4 5 6 7 8
0,25 20 18 90 160 20 40 40 45 54+17
0,5 40 42 150 250 45 65 50 70 89+26
0,75 60 64 210 300 80 85 70 90 120+31
1,0 80 100 280 360 110 100 90 120 155+37
Абсолютные величины дистракционных нагрузок, провоцирующих равноценные дислокации стандартных и кашолированных винтов, для каждого позвонка были сопоставлены между собой. При этом, дислоцирующая нагрузка на стандартный винт принималась за 100%. Процентное соотношение между нагрузками, прилагаемыми на кашолированный и стандартный винты при их равноценных дислокациях определялось для каждого позвонка по формуле (1). В таблице 3 наглядно продемонстрировано, что для равноценной начальной дислокации кашолированных винтов после их цементной имплантации днстракцнонная нагрузка должна составлять в среднем 210-238% от соответствующей нагрузки, прилагаемой на стандартные винты, то есть быть больше в 2,10-2,38 раза.
Из представленных в таблице 3 данных видно, что, несмотря на значительный разброс аб-
солютных величин дистракционных нагрузок, провоцирующих равноценные дислокации винтов из различных позвонков, процентное соотношение нагрузок для стандартных и кашолированных винтов в каждом отдельно взятом позвонке находится в значительно более узком диапазоне. Зависимость линейных величин дислокаций винтов в от прилагаемых дистракционных нагрузок представлена в графическом виде на рисунке 1.
Таким образом, показатели жёсткости кост-но-цементно-металлического блока при цементной имплантации кашолированных транспеди-кз^лярпых винтов в позвонки с пониженной минеральной плотностью костной ткани в 2,10-2,38 раза выше аналогичных показателей костно-металлического блока при обычной имплантации стандартных винтов соответствующего размера.
Таблица 3
Процентное соотношение дистракционных нагрузок на стандартные и канюлированные винты, провоцирующих их равноценную дислокацию в дорзальном направлении
Дислокация винтов,мм Процентное соотношение дистракционных нагрузок на стандартные и канюлированные винты, % Среднее процентное соотношение
Номер эксперимента
1 2 3 4 5 6 7 8
0,25 200 180 150 267 200 200 267 225 211+14,3
0,5 200 183 158 250 225 217 250 200 210+11,2
0,75 240 194 183 230 258 189 233 225 219+9,6
1,0 267 250 203 240 275 200 225 240 238+9,6
Рис. 1. График зависимости величины начальных дислокаций транспсдикулярных винтов от прилагаемых
дистракционных нагрузок
По оси абсцисс — величина линейной дислокации транспсдикулярных винтов, мм; по оси ординат — величина дистракционных нагрузок, действующих на транспедикулярные винты (N1); линия 1 — зависимость величины начальных дислокаций стандартных транспсдикулярных винтов от прилагаемых дистракционных нагрузок; линия 2 — зависимость величины начальных дислокаций канюлированных транспсдикулярных винтов от прилагаемых
дистракционных нагрузок
Литература
1. Афаунов, A.A. Транспедикулярный остеосинтез при повреждениях грудного и поясничного отделов позвоночника : автореф. дис. ... д-ра мед. наук / Афаунов A.A. - СПб., 2006. - 36 с.
2. Борисов, А.К. Оперативное лечение переломов грудного и поясничного отделов позвоночника с применением транспедикулярной фиксации : дис. ... канд. мед. наук / Борисов А.К. — М., 2001. — 250 с.
3. Ветрилэ, С .Т. Особенности хирургического лечения больных с осложнёнными компрессионными переломами тел позвонков грудного и поясничного отделов позвоночника на фоне системного остеопоро-за / С.Т. Ветрилэ, A.A. Кулешов, А.Ю. Дарчия // Вестник травматологии и ортопедии им. H.H. Приорова. - 2009. - № 2. - С. 34-39.
4. Мюллер, М.Е. Руководство по внутреннему остео-синтезу / М.Е. Мюллер, М. Альговер, Р. Шнайдер, Ч. Виллинегер. — М., 1996. — 750 с.
5. Образцов, И.Ф. Проблемы прочности в биомеханике / И.Ф. Образцов [и др.]. — М. : Высшая школа, 1988. - 311 с.
6. Chung, S.K. Treatment of lower lumbar radiculopathy caused by osteoporotic compression fracture: the role of vertebroplasty / S.K. Chung [etal.] //J. Spin. Disord. Tech. - 2002. - Vol. 15, N 6. - P. 461-468.
7. Nguyen, H .V. Osteoporotic vertebral burst fractures with neurologic compromise / H.V. Nguyen, S. Ludwig, D. Gelb // J. Spin. Disord. Tech. - 2003. - Vol. 16, N 1.
- P. 10-19.
8. Saita, K. Posterior spinal shortening for paraplegia after vertebral collapse caused by osteoporosis / K. Saita, Y. Hoshino, I. Kikkawa, H. Nakamura // Spine. — 2000.
- Vol. 25. - P. 2832-2835.
9. Wittenberg, R.H. Effect of screw diameter, insertion technique and bone cement augmentation of pedicular screwfixation strength / R.H. Wittenberg [et al.] // Clin. Orthop. - 1993. - N296. - P. 278-287.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:
Афаунов Аскер Алиевич - д.м.н. заведующий кафедрой ортопедии, травматологии и ВПХ ГОУ ВПО «Кубанский государственный медицинский университет» e-mail: afaunovkr@mail.ru,
Усиков Владимир Дмитриевич - д.м.н. профессор, научный руководитель отделения нейроортопедии и костной онкологии ФГУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. P.P. Вредена Росмедтехнологий», Пташников Дмитрий Александрович - д.м.н. профессор, заведующий травматолого-ортопедическим отделением №1 8 ФГУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. P.P. Вредена Росмедтехнологий», Тахмазян Карапет Карапетович - ассистент кафедры ортопедии, травматологии и ВПХ ГОУ ВПО «Кубанский государственный медицинский университет»,
Докиш Михаил Юрьевич - врач-нейрохирург травматолого-ортопедического отделения №18 ФГУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. P.P. Вредена Росмедтехнологий».
