1 Институт по приложна механика и биомедицинско инженерство, Тайюански технологичен университет, Тайюан, Шанси 030024, Китай

ефектите

2 Училище по инженерство и информатика, Университет в Съсекс, Брайтън BN1 9QJ, Великобритания

3 Научноизследователска група за биоинженеринг, Университет в Саутхемптън, Саутхемптън SO17 1BJ, Великобритания

Резюме

Наднорменото тегло и затлъстяването увеличават риска от артроза на коляното, която е основна причина за инвалидност. Тежката артроза на коляното може да бъде лекувана чрез артропластика на коляното. Тотална артропластика на коляното е била използвана при пациенти с наднормено тегло и затлъстяване; клиничните доклади обаче показват, че резултатът от тази група пациенти не е добър при пациенти с нормално тегло. В тази статия са създадени два компютърни модела, за да се симулира ефектът от излишните натоварвания върху дисталната бедрена кост и контактното налягане при обща артропластика на коляното по време на цикъла на походката. Числените резултати показват повишен стрес в перипротезните дистални бедрени кости и по-високо контактно налягане върху тибиалната полиетиленова вложка по време на фазата на стойката. Въз основа на резултатите от компютърната симулация и публикуваната изследователска работа, безцементовата артропластика на коляното с по-дебела тибиална полиетиленова вложка може да бъде по-добър вариант за пациенти с наднормено тегло.

1. Въведение

Затлъстяването е достигнало епидемични размери в световен мащаб, като над 1,9 милиарда възрастни са били с наднормено тегло през 2014 г. според Световната здравна организация и поне 600 милиона от тях са с клинично затлъстяване. Наднорменото тегло е индекс на телесна маса (ИТМ) по-голям или равен на 25 kg/m 2, затлъстяването е BMI по-голямо или равно на 30 kg/m 2, а заболеваемото затлъстяване е BMI по-голямо или равно на 40 kg/m 2. Затлъстяването значително увеличава риска от развитие на множество медицински състояния, включително остеоартрит, който е най-честата причина за тежка инвалидност сред възрастните хора във Великобритания и Северна Америка [1]. Надлъжните данни показват, че затлъстяването е мощен рисков фактор за развитието на остеоартрит на коляното; на всеки 5 кг увеличение на теглото рискът се увеличава с 30% [2]. Leung и сътр. [3] изследва връзката между индекса на телесна маса и риска от тотално заместване на коляното; те стигнаха до заключението, че ИТМ е един от най-важните предиктори за риска от остеоартрит на коляното и риска от тотално заместване на коляното.

Артрозата на коляното може да бъде лекувана консервативно или хирургично. Понастоящем основната хирургична интервенция е подмяна на коляното и макар да е високоефективна за повечето пациенти, всички ставни замествания ще се провалят във времето, което изисква ревизия [1]. Досегашните проучвания отчитат противоречиви резултати, свързани с въздействието на затлъстяването върху резултатите от общата артропластика на коляното (TKA). Редица проучвания съобщават, че затлъстяването влияе негативно върху резултатите след ТКА, по-специално значително увеличава нуждата от ревизионна хирургия [4], увеличава разходите за рехабилитация [5] и намалява оцеляването на протезата [6] и фокалната остеолиза [7] . И обратно, други проучвания съобщават, че резултатите между пациентите със затлъстяване и неносеб след TKA са сравними, по-специално по отношение на честотата на усложненията и функцията на коляното [8] и общи и специфични за заболяването мерки за здраве и функция [9]. Foran и сътр. [10] съобщава, че промяната на рейтинга на коляното общество (KSS), която оценява болката и функцията на коляното при пациенти със затлъстяване след пълна подмяна на коляното, е с около 20% по-малка от тази на пациентите с небъд. Deakin et al. [11] през 2017 г. съобщава, че в сравнение с пациенти със затлъстяване и пациенти с наднормено тегло, пациенти със затлъстяване, подложени на TKA, са имали четири точки по-нисък резултат за Оксфорд в коляното.

Често срещано погрешно схващане е, че артрозата води до затлъстяване и че хирургичното лечение (заместване на ставите) на това увреждащо заболяване на ставите води до загуба на тегло на пациента. Booth [12] съобщава, че само 18% от пациентите със затлъстяване отслабват след смяна на ставите. Скорошно проучване на Schwartsmann et al. [13] от постоперативен анализ показа, че пациентите, подложени на TKA, само намаляват леко ИТМ, 0,08 kg/m 2. Ето защо е важно да се проучи ефектът от наднорменото тегло върху общата смяна на коляното след операцията.

Анализът на походката при затлъстели индивиди е идентифицирал кинематични адаптации, включително по-бавна скорост, по-кратка дължина на стъпката, увеличено време за двойна опора, намален обхват на движение на коляното и по-големи сили на наземна реакция при затлъстели в сравнение с слаби индивиди [14]. Spyropoulos et al. [15] сравнява движението на тазобедрената става, коляното и глезена при мъже със затлъстяване и нормално тегло, докато субектите вървят по равна земя с предпочитаната от тях скорост. Установено е, че възрастните с наднормено тегло приемат по-бавна скорост на ходене от неносените субекти по време на тестването. DeVita и Hortobagyi [16] тестваха ефектите на затлъстяването върху кинетиката и енергетиката на ставите на долните крайници по време на ходене, като анализираха движението на затлъстели здрави възрастни и слаби възрастни. Те открили, че участниците със затлъстяване използват променена биомеханика на походката и имат по-малък въртящ момент и сила на коляното при самоизбраната им скорост на ходене и еднакъв въртящ момент и мощност на коляното, докато ходят със същата скорост като слабите.

Физиологични натоварвания, пораждащи относителни микродвижения на костите на импланта от порядъка на 100 или 200 μm може да инхибира нарастването на костите, което води до образуването на влакнест тъканен слой около протезата и в крайна сметка насърчава разхлабването на импланта [17]. Тейлър и Танер [18] предполагат, че миграцията на имплантанта се дължи на прогресиращото разрушаване на поддържащата губеста кост. Степента на миграция на импланта зависи от първоначалната механична среда и може да бъде определена чрез специфичен за пациента анализ на крайни елементи [19].

Au et al. [20] разработи триизмерен модел на крайни елементи, за да изследва напреженията на костите и интерфейса за четири различни конструкции на тибиална протеза. Всички модели на импланти демонстрират намаляване на стъпаловидния костен стрес плюс висока компресия под централните фиксиращи стълбове. Shi et al. [21] разработи модел на крайни елементи и проучи контактното налягане при два вида тотална смяна на коляното; те идентифицираха ефектите от неравнопоставеността и различните натоварвания върху резултата от пълната подмяна на коляното.

Уокър и сътр. [22] измерва количествените промени в костната минерална плътност (КМП) в дисталната част на бедрената кост след циментирана обща артропластика на коляното при остеоартрит на колянните стави. Средно намаление на костната плътност от 17,1% е измерено в съседство с протезата при 12-месечен последващ преглед. Костната загуба беше най-бърза през първите 3 месеца след TKA. Spittlehouse et al. [23] съобщава за най-голямо намаление на КМП с 16% в дисталната предна бедрена кост през първия 6-месечен следоперативен период при 16 пациенти с нецементирани коленни протези.

Режимът за рехабилитация на упражненията, приет непосредствено след TKA, е много важен фактор поради известната връзка между остеоинтеграцията и микродвижението на импланта. Бут [12] предполага, че са необходими модифицирани следоперативни режими за пациенти със затлъстяване, но липсват изследвания, посочващи модификацията, необходима в режима на упражнения. Bizzini et al. [24] съобщава, използвайки произволна извадка, че допълването на режим за рехабилитация на упражнения с адаптирана програма за обучение по ловкост и смущения може да позволи на пациентите да възвърнат по-добри функции в ежедневните дейности през първите 3 следоперативни месеца. Въпреки това все още има оскъдни изследвания, свързани с пациенти със затлъстяване и болестно затлъстяване.

Най-честите причини за ревизиите на TKR са износването на полиетилен и асептичното разхлабване. Генерирането на износващи се частици от полиетилен и произтичащата от това остеолиза е причина за дълготрайно разхлабване на TKR ставата. Поради промяната на състоянието на стрес след операцията, ремоделирането на костите след TKA също е важен фактор, причиняващ неравномерност и разхлабване. Следователно, ефектът от наднорменото тегло и затлъстяването върху TKA трябва да бъде проучен; в статията компонентите на TKA са моделирани в долния крайник по време на цикъла на походката и е изследван ефектът от наднорменото тегло върху напреженията в дисталната бедрена перипротезна кост. Промените на контактните налягания върху тибиалната полиетиленова вложка поради наднорменото тегло също бяха симулирани.

2. Методи

2.1. Компютърни модели