Устройство для обработки вертлужной впадины при эндопротезировании тазобедренного сустава
DEVICE FOR THE TREATMENT OF THE ACETABULUM IN HIP ARTHROPLASTY

Изобретение относится к медицине, а именно к оперативной ортопедии, и может быть использовано при эндопротезировании тазобедренного сустава у пациентов с дефектами вертлужной впадины различного генеза, например, посттравматическими, после ревизионных вмешательств, в результате парапротезной инфекции.
При значительных разрушениях вертлужной впадины стандартные вертлужные компоненты, которые используются при первичном эндопротезировании, неприменимы. Замещение костных дефектов возможно различными способами. Это могут быть аугменты из пористого металла, ревизионные вертлужные компоненты, укрепляющие кольца, индивидуально изготавливаемые вертлужные компоненты эндопротеза. Геометрическая форма дефектов вертлужной впадины может быть различной, что создает значительные технические трудности при ее обработке и подготовке к имплантации вертлужного компонента эндопротеза.
В настоящее время известны следующие устройства для обработки вертлужной впадины.
Известно устройство для обработки вертлужной впадины, патент US 2008/0009874 А1. Устройство состоит из направителя полусферической формы, устанавливаемого в вертлужную впадину, соединенного с корпусом, который надевается на ример. Устройство позволяет фиксировать ример в необходимом положении и обрабатывать край вертлужной впадины для установки аугмента.
Недостатком устройства является то, что для обработки впадины используются фрезы, соответственно, оно не позволяет выполнить обработку мелких кист и дефектов. В процессе обработки вертлужной впадины при помощи данного устройства фактически вырабатывается кость под конкретный аугмент, что приводит к избыточному удалению костной ткани. Также недостатком данного устройства является то, что оно не позволяет обрабатывать вертлужную впадину для установки индивидуально изготовленных чашек, имеющих сложную геометрическую форму.
Известны устройства для обработки вертлужной впадины, патент US 9,526,514 В2, патент WO 2014/164864 А1. Устройства представляют собой индивидуально изготавливаемые шаблоны, а также направители, при помощи которых они соединяются с римером для обработки вертлужной впадины. На основании данных компьютерной томографии изготавливают индивидуальные шаблоны-отпечатки периацетабулярной области, содержащие каналы для стержней. Во время операции шаблон-отпечаток устанавливают на неизмененную тазовую кость, проводят через каналы стержни, после чего убирают шаблон-отпечаток. На спицы устанавливают направитель, соединенный с римером, исключающий его альтернативное положение. Далее производится обработка вертлужной впадины и установка вертлужного компонента эндопротеза.
Недостатком данных устройств, так же, как и предыдущего аналога, является обработка вертлужной впадины при помощи фрезы, что не позволяет обрабатывать дефекты сложной геометрической формы и приводит к избыточному удалению костной ткани.
Известны устройства для обработки вертлужной впадины, описанные Marius Dettmer, Stefan Kreuzer, Amir Pourmoghaddam Robot-assisted Total Hip Arthroplasty After Chiari Pelvic Osteotomy: A Case Report // Reconstructive Review. - Vol. 6. - №3. - September 2016 http://dx.doi.org/10.15438/rr.6.3.130. Обработка вертлужной впадины проводится при помощи робота. Используется специальное программное обеспечение и данные компьютерной томографии пациента. Недостатками устройства является необходимость установки в крыло подвздошной кости пинов для фиксации маркерных сфер, что увеличивает травматичность вмешательства, а также необходимость наличия робота, специализированной операционной, высокая стоимость оборудования и программного обеспечения для работы робота.
Наиболее близким из известных к заявляемому является устройство для обработки вертлужной впадины, патент SU на изобретение №1664294 А1.
Устройство содержит фрезу со штоком и рукояткой, которая расположена во втулке. Втулка соединена посредством изогнутых петель и кронштейнов со стержнями, которые вворачиваются в тазовую кость. После вворачивания стержней в тазовую кость образуется треножник, на котором устройство неподвижно фиксируется над вертлужной впадиной в необходимом положении. Затем проводят обработку вертлужной впадины при помощи фрезы.
Недостатком данного устройства является невозможность обработки дефектов вертлужной впадины, имеющих сложную геометрическую форму, обрабатывать мелкие дефекты, кисты вертлужной впадины. При установке индивидуально изготовленных вертлужных компонентов приходится моделировать их, упрощая конструкцию. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению площади контакта между чашкой и тазовой костью.
Задача изобретения - упрощение обработки вертлужной впадины, расширение функциональных возможностей прототипа, повышение точности обработки костной ткани и, как следствие, сохранение максимально возможного количества обрабатываемой тазовой кости.
Для решения поставленной задачи в известном устройстве для обработки вертлужной впадины, состоящем из фрезы, стержней, направителя, дополнительно введены первый, второй, третий и четвертый блоки, модель отпечатка неизмененной кости для фиксации к участку неизмененной кости, выполненную на основании данных компьютерной томографии модели отпечатка неизмененной кости с двумя параллельными сквозными отверстиями под стержни, и пробный вертлужный компонент эндопротеза, идентичный устанавливаемому имплантату по форме и размерам, спроектированный виртуально и изготовленный из пластика. Направитель выполнен в виде трубки, первый и второй блоки выполнены с двумя параллельными сквозными отверстиями и неподвижно фиксированы на концах направителя таким образом чтобы параллельные сквозные отверстия блоков были попарно соосны. Третий блок выполнен подвижным и расположен на направителе между первым и вторым блоками и соединен при помощи пружины растяжения с фиксатором, расположенным на трубке в области второго блока, с возможностью вращения вокруг трубки и перемещения вдоль оси трубки. В третьем подвижном блоке перпендикулярно оси направителя имеются два параллельных сквозных отверстия, четвертый блок содержит фиксатор для бормашины с фрезой и неподвижно соединен с направляющими, расположенными в параллельных сквозных отверстиях третьего блока с возможностью перемещения в отверстиях и также содержит измеритель глубины, расположенный на одной оси с осью фрезы бормашины в отверстии с резьбой четвертого блока, выполненный в виде шпильки с резьбой, на конце которой располагается полусфера, диаметром равным диаметру фрезы. Пробный вертлужный компонент эндопротеза имеет возможность неподвижной фиксации ко второму блоку при помощи двух болтов с гайками, введенных через отверстия пробного вертлужного компонента эндопротеза и сквозные параллельные отверстия второго блока, последние выполнены соответствующими отверстиям модели отпечатка неизмененной кости. Направитель имеет возможность надевания на стержни таким образом, чтобы первый блок полностью соприкасался с отпечатком неизмененного участка кости.
При изучении других известных конструктивно-технических решений в данной области медицины указанная совокупность признаков, отличающая изобретение от прототипа, не была выявлена.
На фиг. 1 приведена схема устройства, на фиг. 2 - схема направителя, на фиг. 3 - схема третьего блока, на фиг. 4 - схема четвертого блока, на фиг. 5 - фотография модели тазовой кости с установленным устройством.
На фигуре 1 приняты следующие обозначения:
1 - направитель;
2 - болт с гайкой;
3 - соединительная планка;
4 - фиксатор;
5 - пружина растяжения;
6 - третий подвижный блок;
7 - сквозные отверстия третьего блока;
8 - параллельные направляющие четвертого блока;
9 - стержень;
10 - первый блок;
11 - отпечаток неизмененного участка кости;
12 - неизмененный участок тазовой кости;
13 - пробный вертлужный компонент эндопротеза;
14 - полусфера;
15 - второй блок;
16 - измеритель глубины;
17 - отверстие с резьбой;
18 - электрический провод;
19 - четвертый блок;
20 - фиксатор для бормашины;
21 - бормашина;
22 - фреза;
23 - участок разрушенной вертлужной впадины;
На фигуре 2 приняты следующие обозначения:
1 - направитель;
4 - фиксатор;
0 - первый блок;
15 - второй блок;
24 - сквозные параллельные отверстия второго блока;
25 - сквозные параллельные отверстия первого блока;
На фигуре 3 приняты следующие обозначения:
6 - третий подвижный блок;
7 - сквозные отверстия третьего блока;
На фигуре 4 приняты следующие обозначения:
8 - параллельные направляющие четвертого блока;
17 - отверстие с резьбой;
19 - четвертый блок;
20 - фиксатор для бормашины;
На фигуре 5 приняты следующие обозначения:
1 - направитель;
2 - болт с гайкой;
3 - соединительная планка;
4 - фиксатор;
5 - пружина растяжения;
6 - третий подвижный блок;
8 - параллельные направляющие четвертого блока;
9 - стержень;
10 - первый блок;
11 - отпечаток неизмененного участка кости;
12 - неизмененный участок тазовой кости;
13 - пробный вертлужный компонент эндопротеза;
14 - полусфера;
15 - второй блок;
16 - измеритель глубины;
17 - отверстие с резьбой;
18 - электрический провод;
19 - четвертый блок;
20 - фиксатор для бормашины;
21 - бормашина;
22 - фреза.
Заявляемое устройство для обработки вертлужной впадины при эндопротезировании тазобедренного сустава состоит из направителя 1, выполненного в виде трубки или прутка, к которому неподвижно присоединены первый 10 и второй 15 блоки, фиг. 1. Они содержат по два параллельных сквозных отверстия 24 и 25. При этом, сквозные параллельные отверстия второго блока 24 соосны со сквозными параллельными отверстиями первого блока 25, фиг. 2. Между первым 10 и вторым 15 блоками располагается третий подвижный блок 6, также выполненный в виде трубки, фиг. 3. Между третьим подвижным блоком 6 и фиксатором 4, расположенным на направителе 1, имеется пружина растяжения 5, фиг. 1. Таким образом, третий подвижный блок может вращаться вокруг трубки направителя 1 и перемещаться вдоль его оси. При этом пружина растяжения 5 обеспечивает притяжение третьего блока 6 ко второму блоку 15. В сквозных отверстиях 7 третьего блока 6, расположенных параллельно друг другу и перпендикулярно оси направителя 1, имеются параллельные направляющие 8 четвертого блока 19, фиг. 1, 3. Они также выполнены в виде трубок и имеют возможность свободного перемещения в сквозных отверстиях 7 в направлении, перпендикулярном оси направителя 1. Четвертый блок 19 содержит фиксатор для бормашины 20, который фиксирует бормашину 21 таким образом, чтобы ось фрезы 22, которую устанавливают в бормашину 21, была параллельна оси направителя 1, фиг. 1, 4. Также четвертый блок 19 содержит отверстие 17, в которое вкручивается измеритель глубины 16, выполненный в виде шпильки с резьбой. На шпильке нанесена шкала, по которой оценивают глубину обработки вертлужной впадины. Конец шпильки выполнен в виде полусферы, по диаметру совпадающей с диаметром фрезы 22.
Составные части заявляемого устройства для обработки вертлужной впадины при эндопротезировании тазобедренного сустава могут быть реализованы следующим образом.
Направитель 1, третий подвижный блок 6, первый блок 10, второй блок 15, четвертый блок 19 и их составные части могут быть выполнены из медицинской стали.
В качестве бормашины 21 могут быть использованы бормашины, применяемые в стоматологии или типовые дрели, применяемые в травматологии и ортопедии, нейрохирургии для обработки костей, питание к которым подается по электрическому проводу 18, например, Primado 2 slim motor (фирма NSK, Япония).
В качестве пружины растяжения 5 может быть использована любая пружина растяжения.
В качестве стержней 9 могут быть использованы спицы от аппарата Илизарова, также можно использовать спицы или стержни с резьбой для улучшения фиксации.
Отпечаток здоровой кости 11, пробный вертлужный компонент 13, соединительную планку 3 изготавливают из пластика, например, фотополимера, или ABC пластика с использованием технологий трехмерной печати.
Таким образом, реализация заявляемого устройства для позиционирования бедренного компонента эндопротеза тазобедренного сустава не вызывает сомнений, так как для его изготовления используются типовые медицинские инструменты, устройства и материалы.
Принцип работы заявляемого устройства заключается в следующем.
Выполняют компьютерную томографию таза, построение трехмерной модели области дефекта, пространственную ориентацию вертлужного компонента эндопротеза тазобедренного сустава, виртуальное проектирование имплантата с его оптимальным расположением. На основании данных компьютерной томографии проводят моделирование отпечатка неизмененной кости 11 с двумя параллельными сквозными отверстиями, как правило, в области крыши вертлужной впадины, фиг. 1. Фиксируют отпечаток 11 к участку неизмененной кости 12 при помощи двух стержней 9, введенных через отверстия, таким образом, чтобы он занимал единственно возможное пространственное положение с плотным контактом к костной поверхности. Виртуально проектируют и изготавливают пробный вертлужный компонент эндопротеза 13 из пластика таким образом, чтобы он был идентичен устанавливаемому имплантату по форме и размерам. Проектируют его таким образом, чтобы при неподвижной фиксации его со вторым блоком 15 со сквозными параллельными отверстиями 24, соответствующими отверстиям отпечатка неизмененной кости, перемещение пробного вертлужного компонента 13 эндопротеза вдоль осей стержней 9 до контакта с вертлужной впадиной, обеспечивало бы его оптимальное положение в обработанной вертлужной впадине 23. Неподвижная фиксация пробного вертлужного компонента эндопротеза 13 со вторым блоком 15 осуществляется через соединительную планку 3 при помощи винтов, фиг. 5. На стержни 9, на которые был установлен отпечаток неизмененного участка кости 11, надевают направитель 1 таким образом, чтобы первый блок 10 полностью соприкасался с отпечатком неизмененного участка кости 11. Ко второму блоку 15 при помощи двух болтов с гайками 2, введенных через отверстия пробного вертлужного компонента эндопротеза 13 и сквозные параллельные отверстия 24 второго блока 15 неподвижно фиксируют пробный вертлужный компонент эндопротеза 13. В параллельные сквозные отверстия 7 третьего подвижного блока 6 устанавливают параллельные направляющие 8 четвертого блока 19. В четвертый блок 19, содержащий фиксатор 20 для бормашины 21 с фрезой 22, неподвижно соединенный с направляющими 8, устанавливают и неподвижно фиксируют бормашину 21 с фрезой 22 таким образом, чтобы фреза 22 касалась дна вертлужной впадины 23. Место, в которое устанавливают фрезу, определяется хирургом при планировании операции на основании трехмерной модели таза. Наиболее эффективно устанавливать фрезу в ту часть разрушенной вертлужной впадины, в которой необходимо в процессе обработки удалить минимальное количество костной ткани. Затем выкручивают измеритель глубины 16, расположенный на одной оси с осью фрезы 22 бормашины 21 в отверстии с резьбой 17 четвертого блока 19, выполненный в виде шпильки с резьбой, на конце которой располагается полусфера 14, диаметром, равным диаметру фрезы 22, до соприкосновения с поверхностью пробного вертлужного компонента эндопротеза 13. Далее включают бормашину 21, проводят обработку места контакта фрезы 22 и дна вертлужной впадины 23, тем самым убирая рубцовые ткани, остатки хряща с поверхности кости. После этого снова выкручивают измеритель глубины 16 на необходимую глубину обработки вертлужной впадины 23. Глубина обработки рассчитывается при планировании операции, а также может быть скорректирована в процессе самой операции. Затем перемещая рукой четвертый блок 19 и, соответственно, измеритель глубины 16 вдоль всей поверхности пробного вертлужного компонента эндопротеза 13, осуществляют обработку вертлужной впадины и окружающих ее костей, на которые будут фиксироваться элементы устанавливаемого вертлужного компонента эндопротеза. После этого направитель 1 с блоками, пробным вертлужным компонентом эндопротеза 13, отпечаток неизмененной кости 11 снимают, удаляют стержни 9 и устанавливают вертлужный компонент эндопротеза.
Пример использования предлагаемого устройства.
3
Для апробирования предложенного устройства было проведено экспериментальное исследование на модели тазовой кости пациента С., 43 лет с дефектом вертлужной впадины 23. Модель тазовой кости была изготовлена из фотополимера с использованием технологий трехмерной печати на основании данных компьютерной томографии таза пациента. В программах 3D slicer, Компас 3D v.18 была построена трехмерная модель области дефекта, пробный вертлужный компонент эндопротеза 13 тазобедренного сустава с его оптимальным расположением. Пробный вертлужный компонент эндопротеза был изготовлен в виде индивидуального компонента с дополнительными фланцами для фиксации. На основании данных компьютерной томографии было выполнено моделирование отпечатка неизмененной кости 11, соединительной планки 3. Вышеуказанные элементы были распечатаны на 3D принтере, фиг. 5. Была проведена обработка вертлужной впадины и зоны дефекта с использованием предложенного устройства. Для оценки точности обработки после ее выполнения в зону обработки был залит жидкий силикон и установлен пробный вертлужный компонент эндопротеза 13. После застывания силикона пробный вертлужный компонент эндопротеза 13 был удален, после чего про-" вели оценку полученного застывшего силикона. Для этого были использованы два параметра - толщина полученного слоя и его объем. Толщина слоя силикона, измеренная при помощи штангенциркуля на всем его протяжении составила менее 1 мм, а его объем, т.е. объем пространства между чашкой и костью - 1,5 см. Полученные данные говорят о том, что предложенное устройство позволяет с высокой точностью проводить обработку кости, обеспечивая максимальную площадь контакта между костью и имплантатом.
Обработка всей поверхности контакта кости и имплантата обеспечивает создание условий для врастания кости в пористую поверхность имплантата.
Техническим результатом заявляемого изобретения является: упрощение обработки вертлужной впадины, расширение функциональных возможностей прототипа, повышение точности обработки костной ткани и, как следствие, сохранение максимально возможного количества обрабатываемой тазовой кости.