Протезирование - что это?

Первое упоминание о протезировании в истории — побег из плена грека Фемистокла. Посаженный на цепь, он был вынужден отпилить себе ногу, а затем попросить знакомого плотника сделать ему протез. С этого момента протезирование развивалось достаточно мало, знаменитые пиратские крюки и деревянные ноги — протезы примерно того же уровня.

Протез в XIX веке

Протезирование — замена утраченных или необратимо поврежденных частей тела искусственными заменителями — протезами.

Далее будет немного истории: откуда пошли протезы, что такое эндопротезы и многое другое.

Протез глаза

Протезы были изобретены уже в глубокой древности. Прототип искусственных ног — деревяшка, подставка вместо потерянной нижней конечности, сохранилась до настоящего времени. С течением времени она подверглась многим изменениям, из которых упомянем о наиболее существенных. Нироп (Nyrop, Копенгаген) придумал приспособление — на нижней части деревяшки, которая при помощи полушария сделана вертящейся, чтобы избегать возможности застревания деревяшки между камнями. Для предупреждения трения культи на последнюю до вставления ее в тонкую сумку из липового дерева надевается кожаный мешок, мягко набитый. Американцы в XIX в. употребляли для искусственных ног, в особенности для стопы, дерево Гикори (белая волжская орешина) ввиду его большей крепости и все же значительной легкости.

После развития механики, ближе к современности, стали появляться более совершенные типы протезов, хорошо имитирующие потерянную часть тела или даже способные двигаться за счёт встроенных механизмов. Но это были лишь протезы внешних частей тела, протезы внутренних органов появились уже в век электроники. В современной медицине распространены процедуры протезирования суставов, зубов и также косметические протезы глаз и других частей тела. Косметические протезы помогают людям общаться с лицами, которые не привыкли общаться с изуродованными людьми без излишней эмоциональности. Помимо протезирования как такового, хирурги находили различные решения частичного возвращения функциональности изуродованным конечностям. Одним из таких решений является протез С-Leg. 

Впервые протез C-Leg был показан Otto Bock Orthopedic Industry на всемирном конференции по ортопедии в Нюрнберге в 1997 году. C-Leg использует гидроцилиндры для управления сгибанием колена. Датчики отправляют сигналы на микропроцессор, который анализирует их и сообщает, что сопротивление должно питать цилиндры. C-Leg является аббревиатурой от 3C100, номера модели оригинального протеза, но по-прежнему применяется ко всем Otto Bock протезам коленного сустава с микропроцессорным управлением. Функции C-Leg благодаря различным технологическим устройствам объединены в компоненты протеза. C-Leg использует датчик угла колена для измерения углового положения и угловой скорости сгибания сустава. Измерения производятся до пятидесяти раз в секунду. Датчик угла колена располагается прямо на оси вращения колена. Датчики момента расположены в трубке наконечника основания C-Leg. Эти датчики момента используют несколько тензодатчиков для определения, откуда была приложена сила к колену, с ноги, и величину этой силы. C-Leg контролирует сопротивление вращению и расширению колена с помощью гидравлического цилиндра. Представленный видео-ролик демонстрирует принцип работы С-Leg.

Все вышеупомянутое не подразумевает внутреннего вмешательства в организм человека, поэтому в данном случае термин "эндопротез" будет неуместен. В переводе с греческого приставка  "endon" означает "внутри". Таким образом, эндопротез - это замена суставов, межпозвоночных дисков в последствии заболеваний или травм, искусственными. 

Эндопротезирование суставов в его современном виде с успехом применяется во всех развитых странах с начала 70-х годов ХХ века. Только в США ежегодно проводится более 300 тысяч операций по эндопротезированию тазобедренного сустава.

Медицина накопила колоссальный опыт практического применения эндопротезирования суставов. Были существенно усовершенствованы конструкции эндопротезов, которые в настоящее время представляют собой сложнейшие в техническом отношении устройства. Изготовление качественных эндопротезов под силу лишь наиболее развитым государствам: США, Великобритании, Германии. Наибольшие успехи достигнуты в эндопротезировании тазобедренного и коленного суставов, хотя операции возможны и на других суставах.

Как правило, основными причинами, заставляющими отказываться от консервативного лечения в пользу эндопротезирования, являются:

• интенсивная боль, с трудом поддающаяся контролю путем приема больших доз обезболивающих препаратов
• значительные затруднения в самообслуживании больного из-за сильного ограничения подвижности в суставе

Еще одним показанием к эндопротезированию тазобедренного сустава являются переломы и ложные суставы шейки бедренной кости у пожилых пациентов.

За более чем 30-летнюю историю конструкция эндопротезов претерпела существенные изменения. Современный эндопротез состоит из высокопрочных и биоинертных металлических и полимерных частей (иногда - из керамики), форма которых в известной степени повторяет форму сустава, в который планируется установить эндопротез.

В здоровом суставе человека трение происходит между суставными хрящами. В исскуственном суставе трущиеся поверхности чаще всего изготавливаются из:

• металлического сплава и высокопрочного полимера, называемого полиэтиленом высокого давления (пара трения "металл - пластик")
• керамики (пара трения "керамика - керамика")
• металлического сплава (пара трения "металл - металл")

Эндопротез тазобедренного сустава

На сегодняшний день наиболее распространенной парой трения является "металл - пластик". Эта комбинация материалов обеспечивает длительное функционирование сустава, однако имеет недостаток: износ пластика. Микрочастицы пластика, попадая в окружающие сустав ткани, способствуют постепенному расшатыванию компонентов эндопротеза. Со временем, это приводит к необходимости повторной операции по замене исскуственного сустава.

Пара трения "керамика - керамика" лишена этих недостатков, однако имеет и свои: недостаточную механическую прочность и сложность изготовления. По этим причинам такие эндопротезы применяются значительно реже.

Наиболее совершенной комбинацией сегодня считается пара трения "металл - металл". Высочайшая прочность сочетается в ней с минимальным износом. Это гарантирует наибольший срок службы таких эндопротезов (до 20 лет и более). 

Существует два типа фиксации эндопротезов внутри организма: цементная и безцементная. В первом случае части сустава крепятся к костям при помощи специального высокопрочного полимера, именующегося не вполне удачным термином костный цемент. Во втором случае поверхность эндопротеза еще на этапе его изготовления покрывается специальным материалом, к которому как бы «прирастают» окружающие его кости.

Оба способа фиксации обеспечивают надежное крепление эндопротеза. Тем не менее считается, что более молодым и физически активным пациентам лучше подходят безцементные эндопротезы, тогда как пожилым – цементные. Не следует забывать, однако, что на выбор эндопротеза оказывает влияние множество других факторов, поэтому правильно подобрать тип эндопротеза может только врач.

На сегодняшний день также встречаются операции на шейном отделе позвоночника, в частности это эндопротезирование диска шейного позвоночника.  Межпозвоночный диск служит для соединения тел позвонков друг с другом, а также для амортизации вертикальных статических и динамических нагрузок во время физической активности. Причиной эндопротезирования являются шейные повреждения и травмы в области шеи. Шейные повреждения – очень тяжелые виды травм, поскольку высок риск фатальности или параплегии (паралич верхних или нижних конечностей). Любое шейное повреждение может иметь разрушительный характер. Было разработано много защитных изобретений, чтобы защитить человеческую шею для участия в автогонках, в горнолыжном спорте и других экстремальных видах деятельности. К сожалению, есть недостаток в биомеханических данных и понимании механизмов повреждения, и поэтому эти безопасные изобретения не оптимальны. Шейный позвоночник – сложный механизм с точки зрения механики и структуры. Спинной хребет имеет две главные функции: стабилизация головы и защита спинного мозга. Поэтому шейные спинные повреждения являются потенциальной угрозой спинному мозгу и должны быть рассмотрены с пониманием и осторожностью. Эффекты повреждений спинного мозга серьезны, как упомянуто выше, начиная от паралича четырех конечностей и заканчивая смертью.

На сегодняшний день существуют компьютерная томография и магниторезонансная томография, которые являются хорошими диагностическими инструментами и могут предоставить информацию относительно расположения и вида повреждения.

При лечении заболеваний в позвоночно-двигательном сегменте шейного отдела позвонка (ШОП) (остеохондроз, сколиоз, травмы, состояния после операций и т.д.) используются различные ортопедические средства, что способствует ранней реабилитации и сокращению сроков пребывания пациентов в стационаре, а также предохраняет от возможной или дальнейшей деструкции.

Созданию максимального покоя в позвоночно-двигательном сегменте способствует иммобилизация пораженных отделов позвоночника с помощью ортезов. Ортез – это функциональное приспособление, обеспечивающее фронтальную (препятствует наклону головы вправо-влево) и сагиттальную (препятствует сгибанию и разгибанию вперед-назад) фиксацию ШОП, ограничивает ротационно-корригирующую функцию и разгружает ШОП. В настоящее время проводится экспериментальные исследования по применению ортезов, но экспериментальные исследования имеют свои ограничения, в связи с чем в настоящее время в мировой практике прибегают к математическому и численному моделированию.

Темой моего курсового проекта является анализ прочности и жесткости эндопротеза. Соответственно для этого мне необходимо построить геометрию в среде SolidWorks, после чего экспортировать ее в CAE-cистему FEMAP для дальнейшего анализа на прочность и деформации. С трудностями и этапами работы я Вас познакомлю в следующей статье, а пока спасибо за внимание.

С Уважением, Ерохин Алексей