CC BY
77
УДК 621.372.542+577.1+591.1
С. И. Геращенко, С. М. Геращенко, А. И. Кислов,
Н. Н. Янкина, А. С. Кибиткин
ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ КОСТНОГО РЕГЕНЕРАТА ДЖОУЛЬМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
В статье представлены материалы джоульметрических исследований костного регенерата при переломах костей. Исследования показали, что с помощью джоульметрического метода можно осуществлять ежесуточный контроль формирования костной ткани при переломах костей, определять оптимальный момент начала дистракции и ежесуточную величину дозированных однократных перемещений костных фрагментов. Установление зависимости джоульметрических параметров и формирующейся костной ткани позволяет существенно повысить качество оценки состояния костной ткани на протяжении периода лечения по сравнению с рентгеновским методом.
При удлинении конечности производят остеотомию кости в метафизар-ных отделах, затем фиксируют фрагменты костей в компрессионно-дистрак-ционном аппарате (на практике в основном используется аппарат Илизарова).
В участке сочленения костных фрагментов образуется костный регенерат, который постепенно преобразовывается в костную ткань. При созревании костного регенерата до определенной степени, при которой можно производить его растягивание, опоры аппарата Илизарова перемещают вместе с костными фрагментами на определенную дозированную величину. Перемещение опор производится через определенный интервал времени (обычно перемещение осуществляют ежесуточно) до достижения необходимой для удлинения конечности величины в течение периода дистракции.
После окончания периода дистракции наступает период фиксации, когда конечность остается жестко фиксированной в компрессионно-дистрак-ционном аппарате до окончания лечения больного, т.е. до образования в участке удлинения нормальной костной ткани.
Серьезной проблемой при удлинении конечности является определение оптимального момента начала дистракции, т.к. преждевременная дистракция или дистракция, проведенная с запозданием, приводит либо к дистракции костного регенерата, когда дистракционный костный регенерат еще не достиг оптимального созревания, либо к дистракции, проведенной с запозданием, когда дистракционный костный регенерат уже перешел в стадию формирования костной ткани. В первом случае происходит формирование неполноценного дистракционного костного регенерата, что может привести к перелому на этом участке, а во втором - разрыв дистракционного костного регенерата, вследствие чего возникает необходимость выждать время (7-10 дней) для образования нового участка сочленения (зоны роста) дистракционного костного регенерата [1]. Затем дистракция возобновляется. В целом подобная тактика приводит к различным осложнениям, к увеличению случаев травматичности и сроков реабилитации больных.
Необходимо также определить оптимальную скорость и дробность дистракции, т.к. эти величины, наряду с другими биологическими факторами,
существенно влияют на репаративную регенерацию кости и функциональное состояние удлиняемой конечности.
Скорость дистракции характеризуется величиной суточного удлинения (мм в сутки), дробность дистракции - количеством дистракционных перемещений за сутки. Этими двумя факторами определяется величина разового удлинения (мм) [2-6].
В настоящее время для контроля формирования костной ткани как при переломах костей, так и при удлинении конечности используется в основном рентгеновский метод, не дающий объективной оценки изменений, происходящих в зоне перелома [7].
Заживление перелома происходит главным образом за счет периостальной грануляционной ткани, из которой формируется так называемая костная мозоль.
Формирование мозоли проходит три стадии: соединительнотканную, остеоидную и костную. Излившаяся из разорванных сосудов кровь образует в области перелома гематому. В течение первых 7-10 дней в области перелома формируется желвак пролиферирующей соединительной ткани. Затем в течение примерно такого же времени происходит метапластическое превращение незрелой соединительной ткани в остеоидную. В образовавшееся остеоидное вещество откладывается известь, таким образом идет формирование костной мозоли.
Процесс регенерации кости проходит стадию уплотнения линии перелома (костного шва). У взрослых первые нежные облаковидные очаги обызвествления появляются на рентгенограмме в среднем не раньше 3-4 недель. Линия перелома на рентгенограмме исчезает в периоде между четвертым и восьмым месяцем.
Выраженное клиническое сращение переломов различных костей наступает в разные сроки: кости фаланг - 2,5 недели; метакарпальные, метатарзальные кости и ребра - 3 недели; ключица - 3,5-4 недели; кости предплечья, лодыжки - 7-8 недели; диафиз плеча - 6-7 недель; диафиз большеберцовой кости, шейка плеча - 8-9 недель; обе кости голени - 10 недель; позвонки -16-18 недель; таз - 10 недель. Сроки формирования костной мозоли зависят от многих причин: локализации перелома, возраста и общего состояния пациента, наличия сопутствующих заболеваний, инфицирования, степени фиксации отломков и других причин. Процесс перестройки костной структуры продолжается около года [8].
В костной ткани постоянно протекают метаболические процессы как минеральных, так и органических компонентов, интенсивность которых в ряде случаев превышает активность метаболизма таких органов, как печень, кожа и др. Именно эти указанные особенности позволяют кости, адаптируясь к воздействию усилий аппарата чрескостного остеосинтеза, формировать ди-стракционный регенерат и в конечном итоге восстанавливать длину конечности пациента [9-11].
Степень кристаллизации минерала в новообразованной костной ткани регенератов характеризует величина отношения концентрации кальция и фосфора (Ca/P) (таблица 1) [12].
Дистракционные регенераты имеют пять зон, различающихся по своей объемно-пространственной организации: зона слабоминерализованной сре-
динной прослойки, примыкающие к ней по обе стороны зоны цилиндрических первичных остеонов и граничащие с ними зоны сфероидальных костных лакун, располагающиеся у концов отломков и в их костномозговом канале.
Таблица 1
Содержание кальция и фосфора в регенератах и в неповрежденном диафизе большеберцовой кости (корковый слой вместе с костномозговым каналом)
(в процентах)
Исследованные элементы Продолжительность эксперимента (сутки) Неповрежден- ный диафиз
3 5 12 19
Кальций 0,14 ± 0,01 0,21 ± 0,01 6,08 ± 0,29 8,56 ± 0,41 10,7 ± 0,12
Фосфор 0,09 ± 0,01 0,14 ± 0,01 3,07 ± 0,15 4,22 ± 0,19 5,06 ± 0,06
Кальций / фосфор 1,55 ± 0,01 1,50 ± 0,01 1,98 ± 0,12 2,03 ± 0,13 2,11 ± 0,02
Ширина срединной прослойки, составляющая через 7-14 суток дист-ракции 0,5-0,8 мм, к концу периода удлинения увеличивается до 2-3 мм. Через 30 суток последующей фиксации оперированной конечности в аппарате ширина прослойки вновь сокращается, а на отдельных участках полностью замещается костной тканью. В этот период начинает формироваться и кортикальный слой новообразованного участка диафиза, компактизация которого продолжается и через 180 суток после снятия аппарата [13, 14].
В течение периода лечения минеральная плотность костного регенерата изменяется. По данным, представленным в таблице 2, можно проследить изменения в костном регенерате от начала периода дистракции до окончания периода фиксации [15].
Результаты в таблице 2 представлены в виде М ± т, где М - среднее арифметическое выборки, т - стандартная ошибка (ошибка среднего), р -уровень значимости г-критерия Стьюдента.
Изменение минеральной плотности костного регенерата по мере его созревания приводит к изменению его электрических и электрохимических свойств. При воздействии на него электрического тока в нем протекают сложные электрохимические процессы, меняющие его свойства. Поэтому оценивать состояние костного регенерата можно с помощью электрохимических методов анализа.
Наиболее приемлемым из электрохимических методов для решения подобных задач является джоульметрический метод [16], позволяющий отслеживать динамику изменения состояния при воздействии тока.
Исследования с помощью джоульметрического метода проводились в травматологическом отделении областной клинической больницы им. Н. Н. Бурденко. Больным с переломами нижних конечностей и с необходимостью удлинения в процессе проведения операции с закреплением отломков костей в аппарате Илизарова в участке сочленения костных фрагментов устанавливались электроды, выполненные в виде изолированной от мягких тканей иглы.
Измерения проводились с помощью джоульметрического прибора «ДИВО» на четырех токах 8 мкА, 22 мкА, 47 мкА, 104 мкА в течение периода лечения больных. Время измерений на каждом токе составляло 8 и 16 секунд.
Таблица 2
Изменение минеральной плотности (г/см2) в дистракционном регенерате бедра
Этапы остеосинтеза Участки регенерата
Проксимальный Срединная зона Дистальный
МП на здоровой конечности - 1,499 ± 0,034
МП на удлиняемой конечности - 1,326 ± 0,041, р < 0,005
Дистракция 30 дней 0,450 ± 0,016 р < 0,001 0,230 ± 0,014 р < 0,001 0,413 ± 0,016 р < 0,001
Дистракция 60 дней 0,524 ± 0,020 р < 0,001 0,150 ± 0,009 р < 0,001 0,469 ± 0,022 р < 0,001
Конец периода дистракции 0,599 ± 0,024 р < 0,001 0,120 ± 0,008 р < 0,001 0,555 ± 0,022 р < 0,001
Компрессия 0,750 ± 0,025 р < 0,001 0,285 ± 0,018 р < 0,001 0,690 ± 0,021 р < 0,001
Фиксация 30 дней 0,810 ± 0,019 р < 0,001 0,408 ± 0,019 р < 0,001 0,735 ± 0,025 р < 0,001
Конец периода фиксации 0,824 ± 0,019 р < 0,001 0,854 ± 0,025 р < 0,001 0,795 ± 0,031 р < 0,001
Дни после снятия аппарата: - 30 дней; - 60 дней; - 90 дней; - 150 дней; - 1,5 года 0,944 ± 0,034 р < 0,001 1,043 ± 0,041 р < 0,001 1,169 ± 0,034 р < 0,001 1,434 ± 0,038 р > 0,1 1,511 ± 0,029 р > 0,1 0,932 ± 0,026 р < 0,001 0,989 ± 0,027 р < 0,001 1,081 ± 0,021 р < 0,001 1,419 ± 0,045 р > 0,1 1,542 ± 0,042 р > 0,1 0,914 ± 0,025 р < 0,001 0,996 ± 0,036 р < 0,001 1,124 ± 0,034 р < 0,001 1,458 ± 0,032 р > 0,1 1,525 ± 0,039 р > 0,1
Измерялись значения работы, затрачиваемой током на изменение костного регенерата; осуществлялась синхронная запись и оцифровка входного и выходного сигналов при каждом измерении, которые использовались в процедурах идентификации и получении параметров, характеризующих костный регенерат.
Графики входных и выходных сигналов, полученных при исследовании свойств костного регенерата у больных с переломом нижних конечностей, приведены на рисунке 1.
и,, в
Выходной сигнал
I, А
15
10
5
0
Входной сигнал
г, с
18
г, с
Рис. 1 Графики входных и выходных сигналов, полученных при исследовании свойств костного регенерата у больных с переломом нижних конечностей
На рисунке 2 приведена динамика работы тока 104 мкА при длительности воздействия на костный регенерат 16 с в течение периода лечения восьми больных с переломом нижних конечностей.
А, Дж Х10-6
Время (в сутках)
Рис. 2 Динамика работы тока 104 мкА при длительности воздействия на костный регенерат 16 с в течение периода лечения восьми больных с переломом нижних конечностей
На рисунке 3 приведена динамика работы четырех токов 8, 22, 47 и 104 мкА при длительности воздействия на костный регенерат 16 с в течение периода лечения больного А (19 лет, история болезни № 4519, операция была произведена 09.03.04 г., диагноз: неправильно консолидированный перелом нижней трети левого бедра).
Динамика работы тока 8 мкА
А, Дж Х1С-
Время (в сутках)
Динамика работы тока 22 мкА
А, Дж ' х10-7
Время (в сутках)
Динамика работы тока 47 мкА
А, Дж х10-7
Время (в сутках)
Динамика работы тока 104 мкА
А, Дж ХІ0-6
Время (в сутках)
Рис. 3 Динамика работы четырех токов в течение периода лечения больного А при длительности воздействия на костный регенерат 16 с
Больным для удлинения конечностей ежесуточно в одно и то же время осуществляли дистракцию и производили измерения до начала дистракции и после дистракции. Дистракция началась на седьмые сутки после операции.
На рисунке 4 приведена динамика работы четырех токов 8, 22, 47 и 1С4 мкА при длительности воздействия на костный регенерат 16 с в течение периода дистракции больного Б (36 лет, история болезни № 16721), поступившего в отделение травматологии и ортопедии 29.С8.С5 г. с диагнозом: по-стостеомиелитический дефект левой голени 6 см.
На рисунке 5 приведена динамика работы четырех токов 8, 22, 47 и 1С4 мкА при длительности воздействия на костный регенерат 8 с в течение периода дистракции больного Б.
На рисунке 6 приведена динамика работы четырех токов 8, 22, 47 и 1С4 мкА при длительности воздействия на костный регенерат 16 с в течение периода дистракции больного В (32 года, история болезни № 17368), поступившего в отделение травматологии и ортопедии С4.С9.С5 г. с диагнозом: неправильно консолидированный перелом нижней трети левого бедра, укорочение левого бедра 4 см.
В результате исследований костной ткани у больных с переломами нижних конечностей и с необходимостью удлинения было установлено, что по мере преобразования костного регенерата в костную ткань значения работы тока уменьшаются и постепенно становятся постоянными, приближаются к значениям работы, измеренным в нормальной кости.
Динамика работы тока 8 мкА
A, Дж x10-
Время (в сутках)
Динамика работы тока 22 мкА
A, Дж x10-
Время (в сутках)
Динамика работы тока 47 мкА
A, Дж x10-3
Время (в сутках)
Динамика работы тока 104 мкА
A, Дж x10-3
Время (в сутках)
Рис. 4 Динамика работы четырех токов в течение периода дистракции больного Б при длительности воздействия на костный регенерат 16 с
Динамика работы тока 8 мкА
A, Дж x10-5
Динамика работы тока 22 мкА
A, Дж x10-
Время (в сутках)
Время (в сутках)
Динамика работы тока 47 мкА
A, Дж x10-4
Динамика работы тока 104 мкА
Время (в сутках)
A, Дж x10-
Время (в сутках)
Рис. 5 Динамика работы четырех токов в течение периода дистракции больного Б при длительности воздействия на костный регенерат 8 с
Динамика работы тока 8 мкА
Динамика работы тока 22 мкА
A, Дж x10-
A, Дж x10-
Динамика работы тока 47 мкА
0 7 15 20 40
Время (в сутках)
60
Динамика работы тока 104 мкА A, Дж x10-3
0 7 15 20 40
Время (в сутках)
60
Рис. 6 Динамика работы четырех токов в течение периода дистракции больного В при длительности воздействия на костный регенерат 16 с
На рисунке 7 приведена динамика работы четырех токов 8, 22, 47 и 1С4 мкА при длительности воздействия на костный регенерат 8 с в течение периода дистракции больного В.
Динамика работы тока 8 мкА
A, Дж x10 5
6
5
4
3,3
3
0 7 10 15 20 30 40 50 60
Время (в сутках)
Динамика работы тока 22 мкА A, Дж x10-5
Динамика работы тока 47 мкА
Динамика работы тока 104 мкА
A, Дж x10-
A, Дж x10-
Время (в сутках)
Рис. 7 Динамика работы четырех токов в течение периода дистракции больного В при длительности воздействия на костный регенерат 8 с
2
Рентгеновские снимки больных Б и В приведены на рисунке 8.
в) г)
Рис. 8 Рентгеновские снимки больных Б и В: а) рентгеновские снимки удлиняемой конечности больного Б спустя два месяца после начала дистракции; б) рентгеновские снимки удлиняемой конечности больного Б спустя два месяца и 10 дней после начала дистракции; в) рентгеновские снимки удлиняемой конечности больного В спустя 10 дней после начала дистракции; г) рентгеновские снимки удлиняемой конечности больного В спустя 20 дней после начала дистракции
У больных с необходимостью удлинения конечности значения работы тока, замеренные в период дистракции (измерения проводились равномерно спустя сутки после осуществления дистракции), остаются примерно одинаковыми в течение всего периода, что говорит о том, что костный регенерат за сутки после дистракции восстанавливается до исходного состояния при начальном моменте дистракции.
Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что с помощью джоульметрического метода можно осуществлять ежесуточный контроль формирования костной ткани как при переломах костей, так и при удлинении конечности. По оценкам джоульметрических параметров можно определять оптимальный момент начала дистракции и ежесуточную величину дозированных однократных перемещений костных фрагментов. Установление зависимости джоульметрических параметров и формирующейся костной ткани позволяет существенно повысить качество оценки состояния костной ткани на протяжении периода лечения по сравнению с используемым для этого рентгеновским методом. Предлагаемый метод запатентован в РФ [17].
Список литературы
1. Чиркова, А. М. Репаративная регенерация и перестройка кости после разрыва дистракционного регенерата / А. М. Чиркова, С. А. Ерофеев // Гений ортопедии. -1997. - № 4. - С. 39-42.
2. Шр ейнер, А. А. Теоретические аспекты дистракционного остеосинтеза. Значение ритма дистракции / А. А. Шрейнер, С. А. Ерофеев, М. М. Щудло // Гений ортопедии. - 1999. - № 2. - С. 13-17.
3. Наумов, А. Д. Влияние разных ритмов дистракции на костеобразование, концентрацию циклических нуклеотидов и гемодинамику в удлиняемой кости /
A. Д. Наумов, Н. И. Гордиевских, С. А. Ерофеев // Гений ортопедии. - 1996. -№ 1. - С. 34-36.
4. Илизаров, Г. А. Зависимость репаративной регенерации кости и функционального состояния удлиняемой конечности от дробности дистракции (экспериментальное исследование) / Г. А. Илизаров, С. А. Ерофеев, А. А. Шрейнер // Гений ортопедии. - 1995. - № 1. - С. 8-12.
5. Шевцов, В. И. Осложнения при удлинении бедра в высокодробном автоматическом режиме / В. И. Шевцов, А. В. Попков, Д. А. Попков // Гений ортопедии. -1997. - № 4. - С. 24-27.
6. Попков, А. В. Скорость удлинения конечности / А. В. Попков, Э. В. Бурлаков, Д. А. Попков // Гений ортопедии. - 1996. - № 1. - С. 44-46.
7. Попков, А. В. Оперативное удлинение бедра методом Г. А. Илизарова : учебно-методические разработки / А. В. Попков. - Курган : Российский научный центр «Восстановительная травматология и ортопедия» им. Г. А. Илизарова, 1994. - 19 с.
8. Власов, П. Рентгенодиагностика переломов скелета / П. Власов, О. Нечволодо-ва // Медицинская газета. - 2003. - № 91. - С. 8-9.
9. Попков, А. В. Биомеханические аспекты адаптационно-восстановительных изменений в дистракционном регенерате кости / А. В. Попков, А. Д. Попков,
B. А. Немков // Гений ортопедии. - 1996. - № 1. - С. 47-49.
10. Ньюман, У. Минеральный обмен кости / У. Ньюман ; пер. с англ. О. Я. Терещенко ; под ред. И. И. Демина. - М. : Изд-во иностр. литературы, 1961. - 270 с.
11. Куфтырев, Л. М. Динамика минерализации новообразованных участков кости при замещении оперативного дефекта берцовых костей удлинением проксимального отломка большеберцовой кости с образованием дополнительной зоны регенерации (экспериментальное исследование) / Л. М. Куфтырев, Н. В. Петровская, Д. Ю. Борзунов // Гений ортопедии. - 1999. - № 2. - С. 86-91.
12. Ирьянов, Ю. М. Пространственная организация и особенности минерализации регенератов, формирующихся при стабильной фиксации костных отломков аппаратом Илизарова / Ю. М. Ирьянов // Гений ортопедии. - 1998. - № 1. - С. 39-44.
13. Ирьянов, Ю . М . Пространственная организация костной ткани дистракцион-ных регенератов по данным сканирующей электронной микроскопии / Ю. М. Ирьянов // Гений ортопедии. - 1998. - № 1. - С. 22-27.
14. Ирьянов, Ю. М. Пространственная организация микроциркуляторного русла в дистракционных регенератах / Ю. М. Ирьянов // Гений ортопедии. - 1996. - № 1. - С. 14-18.
15. Свешников, А. А. Плотность минеральных веществ в дистракционном регенерате при стимуляции регенерации по способу В. И. Швецова - А. В. Попкова / А. А. Свешников, А. В. Попков, Д. А. Попков [и др.] // Гений ортопедии. - 2001. -№ 4. - С. 61-65.
16. Геращенко, С. И. Джоульметрия и джоульметрические системы: теория и приложение : монография / С. И. Геращенко. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2000. - 192 с.
17. Пат. 2264796 РФ, МКИ А 61 В 17/66. Устройство для контроля состояния дист-ракционного костного регенерата / С. И. Геращенко, А. И. Кислов, С. М. Геращенко, Н. Н. Янкина, А. С. Кибиткин, В. А. Спиридонов. - № 2003132627/14 ; за-явл. 06.11.2003 ; опубл. 27.11.2005, Бюл. № 33.
