СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНДИВИДУАЛИЗИРОВАННОГО АРТИКУЛЯЦИОННОГО 3D ЭНДОПРОТЕЗ-СПЕЙСЕРА КОЛЕННОГО СУСТАВА
METHOD OF MAKING INDIVIDUAL ARTICULATORY 3D ENDOPROSTHESIS REPLACEMENT SPACER OF KNEE-JOINT

Изобретение относится к медицине, а именно  к онкоортопедии, в частности  на этапе лечения осложнений эндопротезирования коленного сустава после дистальных сегментарных резекций бедренной кости, при инфекционно-воспалительных заболеваниях различной этиологии, требующих удаление имплантата, как этап лечения.
Мировой стандарт лечения больных с первичными и метастатическими опухолями костей – комбинированный подход, одним из этапов которого является хирургическое лечение. Эндопротезирование костей и суставов является методом выбора лечения злокачественных опухолей костей, улучшает качество жизни пациентов и может быть выполнено у 85-90 % больных. Однако, несмотря на совершенствование онкологических систем эндопротезирования и методик операций, частота послеоперационных осложнений при онкологическом эндопротезировании остается высокой и по данным разных источников составляет от 5 до 50%. Одним из осложнений является перипротезная инфекция, требующая двухэтапного хирургического лечения. На первом этапе проводится удаление имплантата с дебридментом ложа эндопротеза и установкой цементного спейсера, импрегнированного антибиотиком. Проводится системная антибактериальная терапия, подобранная в соответствии с последним положительным микробиологическим исследованием и полученной бактериограммой. На втором этапе после купирования инфекционно-воспалительного процесса проводится повторное эндопротезирование.
Спейсер - приспособление на основе биосовместимых, сертифицированных для использования в медицине материалов (полиметилметакрилата, металлов) с включением в состав веществ с антимикробной активностью, применяемое для временного заполнения полости сустава, в период между этапом удалением инфицированного имплантата и этапом установки постоянного эндопротеза у пациентов перипротезной инфекцией (Применение спейсеров для лечения глубокой перипротезной инфекции тазобедренного и коленного суставов / В.Ю. Мурылев [и др.] // Вестник травматологии и ортопедии имени Н.Н. Приорова. - 2013. - № 3. - С. 18-24).
Первое упоминание об использовании спейсеров на основе «костного цемента», импрегнированных антибиотиками, для лечения глубокой перипротезной инфекции, датируется 1988-89 годами (Wilde A.H., Ruth J.T. Two-stage reimplantation in infected total knee arthroplasty // Clin. Orthop. Relat. Res. 1988. Vol. (236). Р.23-35;  Booth R.E.Jr., Lotke P.A. The results of spacer block technique in revision of infected total knee arthroplasty // Clin. Orthop. Relat. Res. 1989. Vol. 248. Р.57-60), а первый промышленный артикуляционный спейсер был представлен в 1992 году – система для коленного сустава PROSTALAC - Prosthesis with AntibioticLoaded Acrylic Cement (DePuy, США) (Duncan C.P., Beauchamp C.P., Masri B. The antibiotic loaded joint replacement system: A novel approach to the management of the infected knee replacement. J. Bone Joint Surg. (Br). (suppl III). 1992. Vol. 74. Р.296;  The PROSTALAC functional spacer in two-stage revision for infected knee replacements / Haddad F.S., Masri B.A., Campbell D. [et all.] // J. Bone Joint Surg. (Br). 2000. Vol.82. Р.807-812).
С развитием наукоёмких 3D технологий, в том числе технологии 3D-принтинга, появилась возможность производства индивидуализированных артикуляционных 3D цементных эндопротез-спейсеров, повторяющих форму удаляемой конструкции, что способствует сохранению необходимого объёма перипротезного ложа для установки стандартной конструкции эндопротеза. Так же конструкция 3D спейсера позволяет больному ходить с дозированной нагрузкой на оперированную конечность с сохранением флексии в суставе, что улучшает функциональные результаты и сокращает сроки реабилитации после ревизионного эндопротезирования (Соколовский А.В., Соколовский В.А., Алиев М.Д. Отдалённые результаты онкологического эндопротезирования области тазобедренного сустава при поражении первичными и метастатическими опухолями // Саркомы костей, мягких тканей и опухоли кожи. № 3–2019 г. Стр. 5-15; Курильчик А.А., Стародубцев А. Л., Зубарев А.Л., Иванов В.Е., Кудрявцев Д.В. Ревизионное эндопротезирование у онкологических больных, опыт МРНЦ // Саркомы костей, мягких тканей и опухоли кожи. № 3–2019 г. Стр. 35-42).
Однако недостатками существующей конструкции эндопротез-спейсера в настоящий момент остаются:
- необходимость дозированной нагрузке на конструкцию эндопротез-спейсер для достижения длительной эксплуатации (невозможность полной нагрузке на конечность);
- риск поломки конструкции эндопротез-спейсера при перегрузке, в том числе резких не осевых нагрузках (травмы, падения);
- конструктивное ограничение объема сгибания коленного сустава, не более 90 градусов.
Техническим результатом изобретения является:
-  изготовление  эндопротез-спейсера в точном соответствии с индивидуальными размерами удаляемого эндопротеза и анатомической формой с сохранением  качественного состояния костей в местах фиксации элементов спейсера;
- сохранение  функциональной  области удалённого сустава;
- сохранение  частичной опороспособности конечности;
- изготовление  компонентов спейсера во время операции;
- облегчить установку эндопротеза на II-ом этапе реэндопротезирования;
- увеличить длительность использования эндопротез-спейсера;
- снижение интенсивности остеопении костных структур конечности после удаления эндопротеза;
- сохранение  функционального  потенциала сустава после I-го этапа реэндопротезирования;
- разработать  программу восстановительного лечения после II-го этапа реэндопротезирования.
Указанный технический результат достигается тем, что так же, как и в известном способе создают индивидуализированный артикуляционный 3D цементный эндопротез-спейсер, повторяющий форму удаляемой конструкции.
Особенностью заявляемого способа является то, что в КТ изображении формата DICOM выделяют фрагмент изображения, соответствующий конечности с ранее установленным эндопротезом, проводят пространственно-частотную фильтрацию и сегментацию изображения с выделением поверхностей костной ткани, внутренних границ интрамедуллярных каналов, поверхностей металлических имплантатов и областей костного цемента, полученные поверхности сохраняют в виде точек, которые аппроксимируют в множество треугольников и получают трехмерный файл формата STL и методом обратного проектирования по опорным точкам выполняют построение полноценных замкнутых 3-D моделей тибиальной и феморальной частей, их сборки и узлов соединения, далее проводят «виртуальную примерку» эндопротеза-спейсера в трехмерных графических редакторах, оценивают биоадекватность конструкции, мобильность сустава, удобство изготовления и имплантации, разрабатывают металлическую армирующий часть эндопротез-спейсера, моделируют пиковую нагрузку с построением эпюр напряжений и деформаций методом конечных элементов с помощью современных САПР, после получения итоговой модели эндопротез-спейсера в масштабе 1:1 ее разделяют на части и печатают на 3D-принтере, полученную мастер-модель будущего эндопротеза-спейсера склеивают, производят постобработку поверхности и заливают высокотемпературным биоинертным силиконом, причем в модели имеются технологические углубления для централизации металлических каркасов из медицинской нержавеющей стали, которые после установки металлического каркаса залепливаются костным цементом и перед операцией, полученные литейные формы и металлические основания, проходят стерилизацию, по объему 3-D модели вычисляют необходимое количество костного цемента, в процессе ревизионной операции производят артротомию коленного сустава, удаляют компоненты эндопротеза, производят механическую и медикаментозную обработку перипротезной, полости, замешивают необходимое количество, заранее рассчитанного объёма костного цемента, импрегнированного антибиотиком, проводят инсталляцию металлического каркаса спейсера в силиконовую форму, в процессе полимеризации заполняют силиконовые формы компонентов спейсера, после затвердевания костного цемента элементы спейсера извлекают из форм и производят окончательную обработку поверхности спейсера, элементы спейсера фиксируют в канале бедренной и большеберцовой кости с помощью костного цемента по принципу соосности топографическим ориентирам кости, в соответствии с индивидуальной анатомией, элементы спейсера соединяют между собой посредством конгруэнтных поверхностей, восстанавливают правильную ось нижней конечности, поверхности спейсера дополнительно покрывают биогубками, пропитанными гентамицином, устанавливают вакуум, дренажную систему, рану ушивают наглухо.
Изобретение поясняется подробным описанием, клиническим примером и иллюстрациями, на которых изображено:
Фиг. 1 - Цифровая обработка трехмерного изображения формата DICOM: а) выделен интересующий фрагмент изображения, соответствующий конечности с ранее установленным эндопротезом; б) после проведения  пространственно-частотной фильтрации; в) сегментация изображения.
Фиг. 2 – иллюстрация полученной поверхности: а) в виде облаков точек; б)  в виде множества микро треугольников; в) трехмерный  файл формата STL.
Фиг. 3 -  иллюстрация построения полноценной замкнутой 3-D модели: а) Разбиение облака треугольников файла формата STL параллельными плоскостями; б) Построение на плоскостях опорных эскизов с помощью инструментов окружностей и полилиний;  в) прозрачная 3д-модель поверхности спейсера, демонстрация ограничительного замка между компонентами; г) передняя и боковая проекция 3д-модели спейсера в сборе, д) демонстрация исходных данных об установленном эндопротезе (сверху) в сравнении с вновь разработанной 3-д моделью по опорным сечениям (снизу).
Фиг. 4 – Сопоставление получившихся 3D-моделей с фрагментами костной ткани, выделенной из томографических снимков («виртуальная примерка»): а) показан нестандартный случай примерки спейсера с бедренной костью с большим углом отклонения назад, спейсер повторяет этот угол, б) изначально зашумленная модель костной ткани; в) примерка тибиального компонента к 3д модели очищенной от шума костной ткани.
Фиг. 5 - пример исследования нагружения усилителя диаметром 12 мм с ножкой 8 мм из нержавеющей стали 12х18н10т: а) изображение начальных условий теста (закрепленная интрамедуллярная ножка и дистальное боковое усилие при массе пациента 100кг), б) эпюра распределения напряжений, в) эпюра деформаций.
Фиг. 6 -  точная модель разработанного эндопротез-спейсера в масштабе 1:1.
Фиг.7 – напечатанные части эндопротез-спейсера  а) передняя проекция, б) боковая проекция;
Фиг. 8 - Изготовление мастер-модели будущего эндопротеза-спейсера
Фиг. 9 – Рентгенолограмма пациента Ш.:  a) прямая проекция; б) боковая проекция.
Фиг.10 – установка эндопротеза фирмы Prospon (Чехия): a) прямая проекция; б) боковая проекция.
Фиг. 11- Рентгенограмма пациента Ш.,  перед операцией: a) прямая проекция; б) боковая проекция.
Фиг. 12 – изготовление  компонентов спейсера: а) заполнение костным цементном; б) извлечение из формы; в) и г)  удалены  монтажные избытки костного цемента, окончательная обработка поверхности эндопротез-спейсера.
Фиг. 13 – установка эндопротез-спейсера во время операции.
Фиг. 14 – Рентгенограмма коленного сустава пациента после установки эндопротез-спейсера: а) бедренная часть эндопротез-спейсера (прямая проекция); б) бедренная, большеберцовая часть и коленная часть эндопротез-спейсера (прямая проекция); в) бедренная часть эндопротез-спейсера (боковая проекция); г) бедренная, большеберцовая часть и коленная часть эндопротез-спейсера (боковая проекция).
Способ осуществляют следующим образом.
Для разработки артикуляционного эндопротез-спейсера используют компьютерные томографические изображения формата DICOM, с точностью исследования не более 2 мм: выделяют интересующий фрагмент изображения, соответствующий конечности с ранее установленным эндопротезом (Фиг. 1 а), проводят пространственно-частотную фильтрацию (Фиг. 1 б) и сегментацию изображения с целью выделения поверхностей костной ткани, внутренних границ интрамедуллярных каналов, поверхностей металлических имплантатов и областей костного цемента (Фиг. 1 в).
Полученные поверхности сохраняют в виде облаков точек (Фиг. 2 а), которые в последствие аппроксимировались множеством микро треугольников (Фиг. 2 б) с получением удобных для трехмерного редактирования файлов формата STL (Фиг. 2 в).
В связи с неоднородной плотностью костных структур, опухолевыми процессами, а  также возможным импичментом металлических компонентов, полученная поверхность  может иметь существенные дефекты, такие как разрывы, дублирование, различные шумы. Методом обратного проектирования по опорным точкам выполняют  построение полноценной замкнутой 3-D модели с учетом требований, выработанных оперирующим хирургом при предоперационном планировании  (Фиг. 3 а, б, в, г, д).
Далее проводят  «виртуальную примерку» (Фиг. 4 а, б, в) эндопротеза-спейсера в трехмерных графических редакторах, оценивают  биоадекватность конструкции, мобильность сустава, удобство изготовления и имплантации, рассчитывают нагрузку на армирующую часть эндопротез-спейсера с зацементирванной интрамедуллярной ножкой. Далее создают нагрузку и  получают эпюры напряжений и деформации при боковой нагрузке 100 кг, такое может быть при подъёме человека из позиции «сидя» в позицию «стоя» (Фиг. 5 а, б, в).  Получены эпюры напряжений и деформации при боковом векторе нагрузке 100 кг, что соответствует изменению позиции человека из положения «сидя» в положение «стоя».
Аналогичным образом производится расчет осевой нагрузки на разрабатываемый эндопротез-спейсер.
С использованием технологии 3-D принтинга создают точную модель разработанного эндопротез-спейсера в масштабе 1:1 (Фиг.6). Полученную 3-D модель разделяют  на несколько частей для удобства 3-D печати (Фиг.7 а, б). Собранные компоненты проходят постобработку и полировку. Далее мастер-модель будущего эндопротеза-спейсера заливают  высокотемпературным биоинертным силиконом.
Далее мастер-модель будущего эндопротеза-спейсера заливают высокотемпературным биоинертным силиконом (Фиг.8).
Использование вибрирующего стола обеспечивает быстрый выход пузырьков воздуха из силикона. В модели имеются технологические углубления и выступы для центрирования усиливающих металлических каркасов, которые в последствие залепливаются костным цементом вручную. Каркас  изготавливают  из медицинской нержавеющей стали. Полученные литейные формы и металлические основания проходят  стерилизацию при температуре 145 градусов в автоклаве. По объему 3-D модели вычисляют  необходимое количество костного цемента.
Эндопротез-спейсер устанавливают следующим образом.
В процессе ревизионной операции производят артротомию коленного сустава. Удаляют компоненты эндопротеза. Производят механическую и медикаментозную обработку перипротезной полости (дебридмент). Замешивают необходимое количество, заранее рассчитанного объёма костного цемента, импрегнированного антибиотиком (гентамицином, ванкомицином и т.д.) или добавляют его в течение подготовки костного цемента, при необходимости. Проводят инсталляцию металлического каркаса спейсера в силиконовую форму. В процессе полимеризации (состояние подобное «мягкому тесту») заполняют силиконовые формы компонентов спейсера. После затвердевания костного цемента элементы спейсера извлекают из форм  и производят окончательную  обработку поверхности спейсера (удаляются монтажные избытки костного цемента).
Элементы спейсера фиксируют в канале бедренной и большеберцовой кости с помощью костного цемента по принципу соосности топографическим ориентирам кости, в соответствии с индивидуальной анатомией. Элементы спейсера соединяют между собой посредством конгруэнтных поверхностей, восстанавливают правильную ось нижней конечности. Поверхности спейсера дополнительно покрывают биогубками, пропитанными гентамицином, устанавливают  вакуум, дренажную  систему, рану ушивают  наглухо.
Клинический пример.
Пациент Ш., 28 лет с диагнозом: ГКО дистального отдела правой бедренной кости. Состояние после эндопротезирования правого коленного сустава в 2011 г. по месту жительства. Асептическая нестабильность бедренной ножки эндопротеза, нестабильность узла эндопротеза 07.2014 г. Состояние после реэндопротезирования правого коленного сустава 05.05.2016. Инфекция ложа эндопротеза. Состояние после двухэтапного реэндопротезирования правого коленного сустава 15.05.2018. Сопутствующие заболевания: нет.
Впервые симптомы заболевания появились осенью 2009 г., в виде появление опухолевого образование в проекции дистальном отделе правой бедренной кости. В июле 2010 г обратился в ОДО РНИОИ. Верифицирован диагноз гигантоклеточная опухоль.
05.08.2010 г. по месту жительства выполнена операция: экскохлеация опухоли с замещением гребнем подвздошной кости.
При контрольном обследовании в январе 2011 г. выявлен рецидив опухоли. Выполнена биопсия опухоли.
10.02.2011 г. верифицирован: рецидив гигантоклеточной опухоли.
02.03.2011 г. по месту жительства выполнена операция: резекция дистального правой бедренной кости с эндопротезированием правого коленного сустава. Установлен титановый, цементный эндопротез фирмы Prospon (Чехия).
В июле 2014 г. после травмы правой нижней конечности (падение с высоты собственного роста) отметил появление щелчков в области правого коленного сустава, появление и постепенное нарастание болевого синдрома  в области правого бедра.
22.10.2015 г. обратился в РОНЦ им. Н.Н. Блохина.
По данным рентгенографии от 28.10.2015 г. выявлено: Рентгенологическая нестабильность, осевая миграция бедренной ножки эндопротеза, истёртость и деформация большеберцового компонента узла эндопротеза (Фиг.9).
При осмотре выявлено: ротационная нестабильность бедренной ножки эндопротеза, нестабильность узла эндопротеза.
05.05.2016 г. выполнена операция: Реэндопротезирование правого коленного сустава.
Произведена замена цементного титанового эндопротеза фирмы Prospon (Чехия), на цементный титановый индивидуальный эндопротез фирмы Prospon (Чехия) (Фиг.10).
В феврале 2017 г. пациент отметил внезапное появление умеренной болезненности, отек и тугоподвижность правого коленного сустава, на фоне перенесённого ОРВИ. По месту жительства, проводилась антибактериальная терапия, без выраженного клинического эффекта. В июле пациент отметил ухудшение общего состояние, усиление отёка и прогрессирование тугоподвижности правого коленного сустава. Обратился в РОНЦ им Н.Н. Блохина.
5
07.07.2017 выполнена пункция ложа эндопротеза, получено около 160 мл парапротезной жидкости. Заключение микробиологического исследования от 07.07.2017: St. Aureus MRS 1х10 КОЕ/мл (Фиг. 11).
В течение 2-х месяцев перед операцией пациент получал системную антибактериальную терапию, подобранную согласно бактериограммы верифицированного бактериального штамма.
Для разработки артикуляционного эндопротез-спейсера использовали рентгенограммы с масштабируемой шкалой измерения и компьютерные томографические изображения формата DICOM, с точностью исследования не более 2 мм. Выделялись интересующие фрагменты изображения, соответствующий конечности с ранее установленным эндопротезом, производили пространственно-частотную фильтрацию и сегментацию изображения. В результате чего были выделены поверхности костной ткани, внутренние границы интрамедуллярных каналов, поверхности металлических имплантатов и границы костного цемента. Полученные поверхности были сохранены в виде облаков точек, которые в последствие аппроксимировались множеством микро треугольников с получением удобных для трехмерного редактирования файлов формата STL. Методом обратного проектирования по опорным точкам было выполнено построение полноценной замкнутой 3-D модели, с учетом выработанных требований при предоперационном планировании. Проводилась  «виртуальная примерка» эндопротеза-спейсера в трехмерных графических редакторах, оценивалась  биоадекватность конструкции, мобильность сустава, удобство изготовления и имплантации. Производился расчет нагрузки на армирующую часть эндопротез-спейсера.
С использованием технологии 3-D принтинга была создана точная модель разработанного эндопротез-спейсера в масштабе 1:1. Далее мастер-модель будущего эндопротеза-спейсера была залита высокотемпературным биоинертным силиконом. Каркас изготовлен из медицинской нержавеющей стали. Полученные литейные формы и металлические основания прошли стерилизацию при температуре 145 градусов.
08.09.2017 г. выполнена операция: Удаление эндопротеза правого коленного сустава с замещением дефекта артикуляционным спейсером (1-й этап двухэтапного реэндопротезирования). Произведена артротомия коленного сустава. По ходу операции выполнен забор материала на микробиологическое исследование, среди которого: аспират ложа эндопротеза, мягкие ткани ложа эндопротеза, пластиковая втулка эндопротеза, фиброзная ткань из бедренного костномозгового канала. С помощью инерционного экстрактора эндопротеза произведено полное удаление имплантата. Произведена механическая и медикаментозная обработка перипротезной полости, костномозговых каналов (дебридмент), каждый в отдельности с их тампонированием. Экспозиция двумя антисептиками ложа удаленного эндопротеза. Выполнена интраоперационная верификация необходимой длины замещения после удаления эндопротеза и размеров изготовленного индивидуального спейсера.
Было подготовлено необходимое количество, заранее рассчитанного, по объему 3-D модели  костного цемента, импрегнированного антибиотиком гентамицином. Ванкомицин был добавлен в течение подготовки костного цемента, согласно бактериограммы, полученной перед операцией. Выполнена инсталляция металлического каркаса эндопротез-спейсера в силиконовую форму. В процессе полимеризации силиконовая форма компонентов спейсера была заполнена костным цементном (Фиг. 12 а, б). После затвердевания костного цемента элементы эндопротез-спейсера были извлечены из форм, произведена окончательная обработка поверхности эндопротез-спейсера (удалены  монтажные избытки костного цемента) (Фиг. 12 в, г).
Элементы спейсера были фиксированы в канале бедренной и большеберцовой кости с помощью костного цемента по принципу соосности топографическим ориентирам кости, в соответствии с индивидуальной анатомией (Фиг. 13). Элементы спейсера были соединены между собой посредством конгруэнтных поверхностей, восстановлена правильная ось нижней конечности. Поверхности спейсера дополнительно покрывают биогубками, пропитанными гентамицином, установлена диализная дренажная система. Рана ушита наглухо.
В полученном микробиологическом материале забранном во время операции роста флоры не обнаружено.
В течение 1,5 месяцев после операции проводилась антибактериальная терапия подобранная согласно чувствительности бактериальной флоры.
15.05.2018 г. выполнена операция: Реэндопротезирование правого коленного сустава (II этап). Установлен модульный цементный эндопротез фирмы Stryker (США). Материал эндопротеза CoСrMo (Фиг. 14).
Через  22 месяца данных за рецидив и инфекционно-воспалительный процесс нет.
Предложенный способ изготовления прецизионного индивидуализированного артикуляционного 3-D эндопротез-спейсера коленного сустава позволяет:
- изготовить  эндопротез-спейсер в точном соответствии с индивидуальными размерами удаляемого эндопротеза и анатомической формой, сохранить  качественное  состояние костей в местах фиксации элементов спейсера;
- сохранить  функциональность области удалённого сустава, за счет придания комплементарной формы бедренному и большеберцовому компонентам спейсера;
- сохранить частичную опороспособность конечности, за счет использования высокопрочного армирующего каркаса;
- изготовить  компоненты спейсера во время операции;
- облегчить  установку эндопротеза, на II-м этапе реэндопротезирования, за счет точного сохранения формы ложа удалённого эндопротеза;
- использовать эндопротез-спейсер длительное время, т.к. выполнен из  высокопрочного армирующего каркаса;
- снизить  интенсивность остеопении костных структур конечности после удаления эндопротеза;
- сохранить функциональный потенциал сустава после I-го этапа реэндопротезирования (удаления эндопротеза), возможность проведения более интенсивной программы восстановительного лечения после II-го этапа реэндопротезирования.