Анализ биомеханики проксимального межфалангового сустава после эндопротезирования

Введение. Современное состояние проблемы эндопротезирования мелких суставов кисти, в частности проксимального межфалангового сустава, характеризуется необходимостью создания анатомически адаптированных конструкций с использованием оптимальных материалов. Внедрение нового медицинского изделия требует его комплексного доклинического испытания.

Цель. Определить допустимый диапазон нагрузок на проксимальный межфаланговый сустав после эндопротезирования путём анализа его биомеханики для предупреждения развития критических состояний – осложнений.

Материалы и методы. В период с 2016 по 2021 год был разработан цельнокерамический несвязанный анатомически адаптированный эндопротез проксимального межфалангового сустава на основании комплексного подхода, включающего доклинические испытания и клиническое исследование 42 пациентов (25 мужчин, 17 женщин) с остеоартритом проксимального межфалангового сустава. При помощи 3D-моделирования создана цифровая модель эндопротеза. С использованием метода конечных элементов изучены критические состояния разработанной цифровой модели, имитирующей стереотипные движения в суставе, получены объективные результаты, которые имеют применение в клинической практике.

Результаты. При нагрузке до 5 килограммов устойчивость биомеханической конструкции не нарушается при амплитуде движений от 0 до 60 градусов, при нагрузке до 20 килограммов в пределах 0-30 градусов. Кортикальная костная ткань выдерживает нагрузки до 20 килограммов при амплитуде движений от 0 до 60 градусов.

Обсуждение. Был проведён анализ предельных нагрузок на эндопротез с учетом прочностных характеристик костной ткани и циркониевой керамики как материала. Данное исследование задало вектор для разработки в дальнейшем оптимального режима двигательной активности в раннем послеоперационном периоде и наметило оптимальный диапазон движений после эндопротезирования ПМФС.

Заключение. Прилагаемая нагрузка в раннем послеоперационном периоде до 5 кг является оптимальной для пациента, при этом диапазон сгибания не должен превышать 90°. Использование нагрузки в диапазоне от 5 до 20 кг возможно, но без превышения угла сгибания в проксимальном межфаланговом суставе более 30°. При заданной нагрузке в 20 кг при угле сгибания более 30° вероятен вывих компонентов эндопротеза, при угле сгибания более 60° крайне вероятно возникновение перипротезного перелома.

1. Yamamoto M, Malay S, Fujihara Y, et al. A Systematic Review of Different Implants and Approaches for Proximal Interphalangeal Joint Arthroplasty. Plast Reconstr Surg. 2017;139(5):1139e-1151e. doi: 10.1097/PRS.0000000000003260

2. Harris CA, Shauver MJ, Yuan F, et al. Understanding Patient Preferences in Proximal Interphalangeal Joint Surgery for Osteoarthritis: A Conjoint Analysis. J Hand Surg Am. 2018;43(7):615-624.e4. doi: 10.1016/j.jhsa.2018.03.001

3. Millrose M, Gesslein M, Ittermann T, et al. Arthrodesis of the proximal interphalangeal joint of the finger – a systematic review. EFORT Open Rev. 2022;7(1):49-58. doi: 10.1530/EOR-21-0102

4. Zhu AF, Rahgozar P, Chung KC. Advances in Proximal Interphalangeal Joint Arthroplasty: Biomechanics and Biomaterials. Hand Clin. 2018;34(2):185-194. doi: 10.1016/j.hcl.2017.12.008

5. Николаенко А.Н., Иванов В.В., Згирский Д.О. и др. Эндопротезирование проксимального межфалангового сустава. Обзор литературы. Medline. 2022;23:748-766.

6. Forster N, Schindele S, Audigé L, Marks M. Complications, reoperations and revisions after proximal interphalangeal joint arthroplasty: a systematic review and meta-analysis. J Hand Surg Eur Vol. 2018;43(10):1066-1075. doi: 10.1177/1753193418770606

7. Castagnini F, Cosentino M, Bracci G, et al. Ceramic-on-Ceramic Total Hip Arthroplasty with Large Diameter Heads: A Systematic Review. Med Princ Pract. 2021;30(1):29-36. doi: 10.1159/000508982

8. Lakhdar Y, Tuck C, Binner J. et al. Additive manufacturing of advanced ceramic materials. Progress in Materials Science. 2021;116. doi: 10.1016/j. pmatsci.2020.100736

9. Backes LT, Oldorf P, Peters R, et al. Study of the tribological properties of surface structures using ultrashort laser pulses to reduce wear in endoprosthetics. J Orthop Surg Res. 2020;15(1):205. doi: 10.1186/s13018-020-01719-1

10. Rivière C, Vendittoli PA, editors. Personalized Hip and Knee Joint Replacement [Internet]. Cham (CH): Springer; 2020. doi: 10.1007/978-3-030-24243-5

11. Zhang D, Bauer AS, Blazar P, Earp BE. Three-Dimensional Printing in Hand Surgery. J Hand Surg Am. 2021;46(11):1016-1022. doi: 10.1016/j. jhsa.2021.05.028

12. Shegokar R. Preclinical–testing understanding the basics first. Drug Delivery Aspects. 2020:19-32. doi: 10.1016/b978-0-12-821222-6.00002-6

13. Helder O, Marks M, Schweizer A, et al. Complications after surface replacing and silicone PIP arthroplasty: an analysis of 703 implants. Arch Orthop Trauma Surg. 2021;141(1):173-181. doi: 10.1007/s00402-020-03663-5

14. Wagner ER, Weston JT, Houdek MT, et al. Medium-Term Outcomes With Pyrocarbon Proximal Interphalangeal Arthroplasty: A Study of 170 Consecutive Arthroplasties. J Hand Surg Am. 2018;43(9):797-805. doi: 10.1016/j.jhsa.2018.06.020

15. Колсанов А.В., Николаенко А.Н., Ушаков А.А. и др. Эндопротез проксимального межфалангового сустава кисти. Патент РФ на полезную модель № 202476 U1. 19.02.2021. Бюл. № 5. Доступно по: https://patents.s3.yandex.net/RU202476U1_20210219.pdf. Ссылка активна на 29.06.2023.

16. Chien S, Bashir R, Nerem RM, Pettigrew R. Engineering as a new frontier for translational medicine. Sci Transl Med. 2015;7(281):281fs13. doi: 10.1126/scitranslmed.aaa4325

17. Angeles Maslucan R, Dominguez JA. A Finite Element Stress Analysis of a Concical Triangular Connection in Implants: A New Proposal. Materials (Basel). 2022;15(10):3680. doi: 10.3390/ma15103680

18. Wei Y, Zou Z, Wei G, et al. Subject-Specific Finite Element Modelling of the Human Hand Complex: Muscle-Driven Simulations and Experimental Validation. Ann Biomed Eng. 2020;48(4):1181-1195. doi: 10.1007/s10439-019-02439-2

19. Duruöz MT. Assessment of hand functions. In: Duruöz, M. (eds) Hand Function. Springer, New York, NY. 2014:41-55. doi: 10.1007/978-1-4614- 9449-2_3

20. Pang EQ, Yao J. Anatomy and Biomechanics of the Finger Proximal Interphalangeal Joint. Hand Clin. 2018;34(2):121-126. doi: 10.1016/j.hcl.2017

21. Вороков А.А., Бортулев П.И., Хайдаров В.М. с соавт. Эндопротезирование тазобедренного и коленного суставов: показания к операции. Ортопедия, травматология и восстановительная хирургия детского возраста. 2020;8(3):355-364. doi: 10.17816/PTORS34164

22. Maradit Kremers H, Larson DR, Crowson CS, et al. Prevalence of Total Hip and Knee Replacement in the United States. J Bone Joint Surg Am. 2015;97(17):1386-97. doi: 10.2106/JBJS.N.01141

23. Singh JA, Yu S, Chen L, Cleveland JD. Rates of Total Joint Replacement in the United States: Future Projections to 2020-2040 Using the National Inpatient Sample. J Rheumatol. 2019;46(9):1134-1140. doi: 10.3899/jrheum.170990

24. Vakalopoulos K, Arner M, Denissen G, et al. Current national hand surgery registries worldwide. J Hand Surg Eur Vol. 2021;46(1):103-106. doi: 10.1177/1753193420970155

25. Swann J. The world at your finger tips: how the hand functions. Nursing and Residential Care. 2015;17(8):444-448. doi: 10.12968/nrec.2015.17.8.444

26. Conson M, Di Rosa A, Polito F, et al. "Mind the thumb": Judging hand laterality is anchored on the thumb position. Acta Psychol (Amst). 2021;219:103388. doi: 10.1016/j.actpsy.2021.103388

27. Young RW. Evolution of the human hand: the role of throwing and clubbing. J Anat. 2003;202(1):165-74. doi: 10.1046/j.1469-7580.2003.00144.x

28. Qiu S., Kermani M.R. Inverse Kinematics of High Dimensional Robotic Arm-Hand Systems for Precision Grasping. J Intell Robot Syst. 2021;101(4). doi: 10.1007/s10846-021-01349-7

29. Leibovic SJ, Bowers WH. Anatomy of the proximal interphalangeal joint. Hand Clin. 1994;10(2):169-78. 1994;10(2):169-178. doi: 10.1016/S0749- 0712(21)01280-4

30. Groenwold RHH, Dekkers OM. Measurement error in clinical research, yes it matters. Eur J Endocrinol. 2020;183(3):E3-E5. doi: 10.1530/EJE20-0550