Р.Ф. ХАСАНОВ¹, А.П. АНДРЕЕВ¹, А.П. СКВОРЦОВ¹, О.А. САЧЕНКОВ², И.В. ЯШИНА¹

¹Республиканская клиническая больница МЗ РТ ,420064, г. Казань, Оренбургский тракт, д. 138

²Казанский (Приволжский) федеральный университет, 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, д. 18

Хасанов Руслан Фаридович — врач травматолого-ортопедического (детского) отделения, тел. (843) 296-31-40, e-mail: rkb_nauka@rambler.ru

Андреев Петр Степанович — кандидат медицинских наук, заведующий травматолого-ортопедическим (детским) отделением, тел. (843) 296-31-40, e-mail: rkb_nauka@rambler.ru

Скворцов Алексей Петрович — доктор медицинских наук, главный научный сотрудник научно-исследовательского отдела, тел. (843) 296-31-40, e-mail: rkb_nauka@rambler.ru

Саченков Оскар Александрович — кандидат физико-математических наук, ассистент кафедры теоретической механики, тел. (843) 233-71-85, e-mail: 4works@bk.ru

Яшина Ирина Владимировна — врач травматолого-ортопедического (детского) отделения, тел. (843) 296-31-40, e-mail: rkb_nauka@rambler.ru

В статье авторы представляют биомеханическое обоснование хирургического лечения болезни Легг ― Кальве ― Пертеса при помощи компьютерного моделирования тазобедренного сустава на основе концепции трехплоскостной коррекции пространственной патологической ориентации проксимального отдела бедренной кости с учетом локализации дегенеративно-дистрофического процесса и тяжести поражения у детей и подростков на примере болезни Легга ― Кальве ― Пертеса.

Ключевые слова: болезнь Легг ― Кальве ― Пертеса, ротационно-флексионная остеотомия, компьютерное моделирование тазобедренного сустава.

 

R.F. KHASANOV¹, А.P. ANDREEV¹, А.P. SKVORTSOV¹, О.А. SACHENKOV², I.V. YASHINA¹

¹Republican Clinical Hospital of the MH of RT, 138 Orenburgskiy trakt, Kazan, Russian Federation, 420064

²Kazan (Volga region) Federal University, 18 Kremlevskaya St., Kazan, Russian Federation, 420008 

Biomechanical study of surgical treatment of Legg ― Calve ― Perthes disease

Khasanov R.F. — doctor of the Traumatology-Orthopedics (children’s) Department, tel. (843) 296-31-40, e-mail: rkb_nauka@rambler.ru

Andreev P.S. — Cand. Med. Sc., Head of the Traumatology-Orthopedics (children’s) Department, tel. (843) 296-31-40, e-mail: rkb_nauka@rambler.ru

Skvortsov A.P. — D. Med. Sc., Chief Researcher of Scientific-Research Department, tel. (843) 296-31-40, e-mail: rkb_nauka@rambler.ru

Sachenkov O.A. — Cand. Phys. and Math. Sc., Assistant of the Department of Theoretical Mechanics, tel. (843) 233-71-85, e-mail: 4works@bk.ru

Yashina I.V. — doctor of the Traumatology-Orthopedics (children’s) Department, tel. (843) 296-31-40, e-mail: rkb_nauka@rambler.ru 

In this study, the authors present biomechanical surgery Legg ― Calve ― Perthes disease, with the help of computer simulations of the hip joint on the concept of three-plane spatial correction of pathological orientation of the proximal femur with the localization of degenerative-dystrophic process and severity in children and adolescents as an example Legg ― Calve ― Perthes disease.

Key words: Legg ― Calve ― Perthes disease, rotary flexion osteotomy, computer simulation of the hip joint.

 

Среди всех заболеваний тазобедренного сустава в детском возрасте болезнь Легг ― Кальве ― Пертеса (БЛКП), по данным различных авторов, составляет 25-30% [1]. Чаще всего поражается один сустав, однако в 10-20% случаев встречается двусторонняя форма [2, 3]. Прогноз при лечении болезни Пертеса при тяжелом поражении эпифиза до 89,5% случаев заканчивается остаточной деформацией и дисконгруэнтностью головки бедренной кости и вертлужной впадины и развитием коксартроза [4-6]. Хирургический метод лечения остеохондропатии головки бедра у детей имеет решающее значение. В основе реконструктивных методов оперативного лечения лежит выведение очага деструкции головки бедра из-под нагрузки (деторсионно-варизирующие и ротационно-флексионные остеотомии). Однако разработанные методы лечения предусматривают поворот головки бедра кпереди или кзади на 90˚, что зачастую приводит к скручиванию капсулы сустава и ишемии головки бедренной кости.

Цель исследования — определение направления и величины максимально возможного угла поворота эпифиза головки бедра при наличии очага деструкции, предусматривающий предупреждение развития асептических послеоперационных осложнений, с помощью компьютерного моделирования тазобедренного сустава с учетом степени локализации дегенеративно-дистрофического очага и тяжести поражения у детей и подростков, на примере болезни Легга ― Кальве ― Пертеса.

Материал и методы исследования

Совместно с кафедрой теоретической механики Института математики и механики Казанского федерального университета было проведено математическое моделирование процесса ротации проксимального отдела бедренной кости с учетом локализации очага деструкции эпифиза головки бедра и выведение его из под зоны нагрузки.

В рамках исследования была построена трехмерная параметрическая модель тазобедренного сустава [18, 19]. Расчет проводился на основе метода конечных элементов, при котором весь объем геометрии дискритизируется на упругие тетрайдеры. Механические характеристики костной ткани брались согласно известным исследованиям равными, так Модуль Юнга (E) = 6 ГПа, коэффициент Пуассона () = 0.3 [11].

При моделировании учитывалось влияние следующих мышц: mm. piriformis, rectus femoris, iliopsoas, obturator internus, gluteus minimus, medius et maximus. Для моделирования механического поведения мышц была использована модель Хилла [5], представляющая собой последовательно соединенные упругого и вязкого элементов, соединенные параллельно с ещё одним упругим элементом.

Расчеты проводились для мгновенного поворота на 10 , 15 , 20 , 25  и 30  град. вперед и назад.

Рисунок 1. Ротация проксимального отдела бедра на 15 градусов

Рисунок 2. Ротация проксимального отдела бедра на 30 градусов

На рисунке 1 и 2 приведены результаты растягивающих усилий (в Ньютонах), возникающие в мышцах при ротации вперед на 15  и 30  град. соответственно. Аналогичные усилия при ротации назад выше в 2,8-3,2 раза.

 

Так при одномоментном смещении на 15  град. максимальные усилия достигли 467 Н, в m. piriformis ― 233 Н; при мгновенном смещении на 30  град. ― в m. obturator internus ― 778 Н, в m. piriformis ― 389 Н.

Исследование проводилось на основе построенной кинематической модели тазобедренного сустава. Была построена детальная модель, позволяющая учитывать упругие свойства мышц, изменения их со временем, сопротивление, возникающее в организме при остеотомии, деформацию костной ткани.

При моделировании остеотомии считалось, что проксимальный отдел соединен с бедренной костью одноподвижной вращательной парой [13, 14]. Моделирование проводилось для различный анатомических параметров: шеечно-диафизарный угол (ШДУ), угол антеторсии (АТ). Поворот производился в трех плоскостях относительно оси вращения, при этом определялись удлинения мышечных групп при изменении величины ШДУ, АТ и ротационного поворота проксимального отдела бедра.

Рисунок 3. Напряжение в Паскалях, возникающее в вертлужной впадине при ротации проксимального отдела бедра на 30 градусов

При расчетах проводился также анализ, возникающих при ротации в вертлужной впадине напряжений, с учетом возникающих усилий [6, 7, 9, 10]. На рисунке 3 приведена картина распределения напряжений (в Паскалях) при ротации на 30°. Стоит отметить, что опасные участки (где напряжения достигают максимальных значений ― порядка 22 МПа) располагаются по внутренней окружности вертлужной впадины и в верхнем полюсе [17]. В этих участках может развиться нарушение структуры костной ткани [8, 12, 15, 16]. Оценка напряженно-деформированного состояния вертлужной впадины показала, что характер распределения напряжений схож, в зависимости от величины остеотомии локализуются зоны максимальных напряжений.

Для контроля истинного угла поворота при ротационной флексионой остеотомии был спроектирован и изготовлен датчик контроля угла поворота (рис. 4), который монтируется на аппарат внешний фиксации, что позволяет не только контролировать угол, на который происходит ротация, но и контролировать дозированную коррекцию угла поворота во время лечения в послеоперационном периоде.

Рисунок 4. Датчик контроля угла поворота

Таким образом, при одномоментной (мгновенной) ротации проксимального отдела бедра превышающие 30˚, возникают максимальные напряжения в элементах эпифиз головки бедра-вертлужная впадина с развитием нарушения структуры костной ткани.

На основании результатов биомеханического компьютерного моделирования, нами разработан способ оперативного лечения болезни Легг ― Кальве ― Пертеса, заключающийся в выполнении ротационно-флексионной остеотомии проксимального отдела бедра с разворотом головки кпереди или кзади, с выведением очага деструкции из под нагрузки, а так же позволяющий формировать биомеханические взаимоотношения с пораженном суставе, максимально приближенные к здоровому суставу или возрастным нормам при двустороннем поражении (патент на изобретение № 2440050 «Способ лечения болезни Пертеса»).

Клинический пример

Пациент А. обратился в детское отделение НИЦТ «ВТО» г. Казани в 7 летнем возрасте. Ему было предложено оперативное лечение. Однако, несмотря на рекомендации врачей,

родители отказались от оперативного вмешательства и данный пациент пропал из поля зрения на 4 года. При повторном обращении, рентгенологически отмечался значительный дефект верхнего полюса эпифиза головки бедренной кости (рис. 5).

Рисунок 5. Рентгенологическая картина при обращении в отделение

Рисунок 6. Ротационно-флексионная остеотомия проксимального отдела бедра, с фиксацией в аппарате внешней фиксации

Пациенту произведена ротационно-флексионная остеотомия проксимального отдела бедра, с постепенным выведением скомпрометированного участка из-под нагрузки, по разработанному нами методу (рис. 6). Результат лечения данного пациента через 1 год представлен на рисунке 7 и оценен, как хороший.

Рисунок 7. Результат лечения через 1 год с момента операции

Выводы

1. Целью оперативного лечения больных с наличием очага деструкции эпифиза головки бедра является выведение данного дефекта из под зоны нагрузки.

2. При одномоментной (мгновенной) ротации проксимального отдела бедра превышающей 30˚, возникают максимальные напряжения в элементах эпифиз головки бедра-вертлужная впадина с развитием нарушения структуры костной ткани.

3. Биомеханические результаты исследований при выведении очага деструкции эпифиза головки бедра из под зоны нагрузки вертлужной впадины показали, что растягивающие усилия, возникающие в мышцах при ротации кпереди на 15  и 30  меньше, чем создаваемые аналогичные усилия при ротации головки бедра кзади в 2,8-3,2 раза. Поэтому поворот эпифиза головки бедра кпереди предпочтительнее, чем кзади.

4. Анализ расчетов показал, что при повороте кпереди поведение мышц стабильней при изменении анатомических параметров, в то время как при по вороте происходит относительное укорочение задней группы мышц проксимального отдела бедра.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 14-01-31291.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Абальмасова Е.А., Балаба Т.Я., Лаврищева Г.И. К этиологии и
   патогенезу юношеского эпифизеолиза // Актуальные вопросы травматологии и ортопедии. ― М., 1981. ― Вып. 23. ― С. 87-91.
2. Weiner S.D., Weiner D.S., Riley P.M. Pitfalls in treatment of Legg ― Calvé ― Perthes disease using proximal femoral varus osteotomy // J. Pediatr. Orthop. ― 1991. ― 11. ― P. 20-24.
3. Cтуденикина М.Я., Яковлева А.А. Руководство по детской артрологии. ― Л.: Медицина, 1987. ― 334 с.
4. Белецкий А.В. Оперативное лечение аваскулярного некроза головки // Актуальные вопросы лечения заболеваний и повреждений опорно-двигательного аппарата у детей: Материалы Всероссийская научно-практическая конференция детских ортопедов-травматологов в г. Владимире. ― СПб, 1994. ― С. 175.
5. Тарасов В.И. Роль центрирующих остеотомий бедренной кости в лечении остеохондропатии тазобедренного сустава у детей // Актуальные вопросы лечения заболеваний и повреждений опорно-двигательного аппарата у детей: Материалы Всероссийская научно-практическая конференция детских ортопедов-травматологов в г. Владимире. ― СПб, 1994. ― С. 178-179.
6. Bennett J.T., Marurek R.T., Cash J.D. Chiarie’s osteotomy in the
   treatment of Perthes Disease // J. Bone Jt. Surg. ― 1991. ― Vol. 73-B, № 2. ― P. 225-228.
7. Коноплев Ю.Г., Митряйкин В.И., Саченков О.А. Применение математического моделирования при планировании операции по эндопротезированию тазобедренного сустава // Ученые записки казанского университета. Серия: физико-математические науки: К(П)ФУ Казань. ― 2011. ― Т. 153, № 4. ― С. 76-83.
8. Закиров Р.Х., Коноплев Ю.Г., Митряйкин В.И., Саченков О.А. Математическое моделирование биомеханики сустава // Научно-технический вестник Поволжья. ― 2012. ― № 1. ― С. 31-37.
9. Акулич Ю.В., Акулич А.Ю., Денисов А.С. Предоперационное определение индивидуальных физических характеристик губчатой костной ткани проксимального отдела бедра человека // Российский журнал биомеханики. ― 2011. ― Т. 15, № 1. ― C. 33-41.
10. Галямова Е.В., Гуськов А.М., Сюзев В.В. Механико-математическая модель поперечнополосатой мышцы // Наука и образование Эл. № ФС 77 — 48211 от 9 сентября 2010 г.
11. Шевцов В.И., Долганова Т.И., Карасева Т.Ю., Карасев Е.А. Показатели опорной реакции стоп у больных с гонартрозом после корригирующей остеотомии в сочетании с артроскопией // Российский журнал биомеханики. ― 2009. ― Т. 13, № 3. ― С. 83-88.
12. Измайлова З.Т. Предоперационная диагностика модульной трансформации при чрескостном остеосинтезе бедренной кости // Российский журнал биомеханики. ― 2009. ― Т. 13, № 2. ― С. 93-98.
13. Климов О.В. Расчет и контроль биомеханической оси нижней конечности во фронтальной плоскости при ее коррекции по Илизарову // Российский журнал биомеханики. ― 2014. ― Т. 18, № 2. ― С. 239-247.
14. Менщикова Т.И., Долганова Т.И., Аранович А.М. Влияние силы мышц бедра и голени на опорные реакции стоп у больных ахондроплазией после коррекции роста // Российский журнал биомеханики. ― 2014. ― Т. 18, № 2. ― С. 247-258.
15. Витензон A.С., Петрушанская К.А., Спивак Б.Г., Матвеева И.А., Гриценко Г.П., Сутченков И.А. Особенности биомеханической структуры ходьбы у здоровых детей разногo возраста // Российский журнал биомеханики. ― 2013. ― Т. 17, № 1. ― С. 78-93.
16. Щуров В.А., Новиков К.И., Мурадисинов С.О. Влияние разновысокости нижних конечностей на биомеханические параметры ходьбы // Российский журнал биомеханики. ― 2011. ― Т. 15, № 4. ― С. 102-107.
17. Беджинский Р., Подрез-Радзишевска М., Тиндик М., Кржеминский М. Анализ напряженно-деформированного состояния в проксимальном эпифизе бедренной кости при болезни Легга ― Кальве ― Пертеса // Российский журнал биомеханики. ― 2002. ― Т. 6, № 3. ― С. 66-76.
18. Акулич Ю.В., Акулич А.Ю., Денисов А.С., Мерзляков М.В., Шулятьев А.Ф. Влияние геометрических, биомеханических и хирургических факторов на величины индивидуальных моментов закручивания фиксаторов при контролируемом остеосинтезе перелома шейки бедра // Российский журнал биомеханики. ― 2013. ― Т. 17, № 2. ― С. 64-74.
19. Акулич Ю.В., Акулич А.Ю., Денисов А.С. Индивидуальный остеосинтез шейки бедра резьбовыми фиксаторами // Российский журнал биомеханики. ― 2010. ― Т. 14, № 1. ― С. 7-16.
20. Акулич Ю.В., Акулич А.Ю., Денисов А.С., Подгаец Р.М. Адаптационные процессы в кости после остеосинтеза шейки бедра упругими резьбовыми фиксаторами // Российский журнал биомеханики. ― 2007. ― Т. 11, № 3. ― С. 39-53.
21. Рубленик И.М., Билык С.В., Шайко-Шайковский О.Г. Применение металлополимерных фиксирующих систем для интрамедуллярного остеосинтеза // Российский журнал биомеханики. ― 2003. ― Т. 7, № 1. ― С. 84-89.

 

 

REFEREENCES

1. Abal’masova E.A., Balaba T.Ya., Lavrishcheva G.I. K etiologii ipatogenezu yunosheskogo epifizeoliza [By etiology and Pathogenesis youth epiphysiolysis]. Aktual’nye voprosy travmatologii i ortopedii. Moscow, 1981. Iss. 23. Pp. 87-91.
2. Weiner S.D., Weiner D.S., Riley P.M. Pitfalls in treatment of Legg – Calvé – Perthes disease using proximal femoral varus osteotomy. J. Pediatr. Orthop., 1991, 11, pp. 20-24.
3. Ctudenikina M.Ya., Yakovleva A.A. Rukovodstvo po detskoy artrologii [Guide to Child arthrology]. Leningrad: Meditsina, 1987. 334 p.
4. Beletskiy A.V. Operativnoe lechenie avaskulyarnogo nekroza golovki [Surgical treatment of avascular necrosis of the head]. Aktual’nye voprosy lecheniya zabolevaniy i povrezhdeniy oporno-dvigatel’nogo apparata u detey: Materialy Vserossiyskaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya detskikh ortopedov-travmatologov v g. Vladimire. Saint Petersburg, 1994. P. 175.
5. Tarasov V.I. Rol’ tsentriruyushchikh osteotomiy bedrennoy kosti v lechenii osteokhondropatii tazobedrennogo sustava u detey [The role of centering the femoral osteotomy in the treatment of osteochondropathy hip in children]. Aktual’nye voprosy lecheniya zabolevaniy i povrezhdeniy oporno-dvigatel’nogo apparata u detey: Materialy Vserossiyskaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya detskikh ortopedov-travmatologov v g. Vladimire. Saint Petersburg, 1994. Pp. 178-179.
6. Bennett J.T., Marurek R.T., Cash J.D. Chiarie’s osteotomy in the treatment of Perthes Disease. J. Bone Jt. Surg., 1991, vol. 73-B, no. 2, pp. 225-228.
7. Konoplev Yu.G., Mitryaykin V.I., Sachenkov O.A. Using the mathematical modeling for planning operations for hip replacement. Uchenye zapiski kazanskogo universiteta. Seriya: fiziko-matematicheskie nauki: K(P)FU Kazan’, 2011, vol. 153, no. 4, pp. 76-83 (in Russ.).
8. Zakirov R.Kh., Konoplev Yu.G., Mitryaykin V.I., Sachenkov O.A. Mathematical modeling of biomechanics of the joint Scientific and Technical. Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Povolzh’ya, 2012, no. 1, pp. 31-37 (in Russ.).
9. Akulich Yu.V., Akulich A.Yu., Denisov A.S. Preoperative identification of individual physical characteristics of cancellous bone of the proximal femur human. Rossiyskiy zhurnal biomekhaniki, 2011, vol. 15, no. 1, pp. 33-41 (in Russ.).
10. Galyamova E.V., Gus’kov A.M., Syuzev V.V. Mechanics and mathematical model of striated muscle. Nauka i obrazovanie El. № FS 77 — 48211 ot 9 sentyabrya 2010 g. (in Russ.)
11. Shevtsov V.I., Dolganova T.I., Karaseva T.Yu., Karasev E.A. Indicators support reaction stop patients with knee OA after corrective osteotomy combined with arthroscopy. Rossiyskiy zhurnal biomekhaniki, 2009, vol. 13, no. 3, pp. 83-88 (in Russ.).
12. Izmaylova Z.T. Preoperative diagnosis of modular transformations in transosseous osteosynthesis femoral. Rossiyskiy zhurnal biomekhaniki, 2009, vol. 13, no. 2, pp. 93-98 (in Russ.).
13. Klimov O.V. Calculation and control of biomechanical axis of lower limbs in the frontal plane at its correction by Ilizarov. Rossiyskiy zhurnal biomekhaniki, 2014, vol. 18, no. 2, pp. 239-247 (in Russ.).
14. Menshchikova T.I., Dolganova T.I., Aranovich A.M. The impact strength of the muscles in the thigh and lower leg support reactions in patients with achondroplasia stop after correction of growth. Rossiyskiy zhurnal biomekhaniki, 2014, vol. 18, no. 2, pp. 247-258 (in Russ.).
15. Vitenzon A.S., Petrushanskaya K.A., Spivak B.G., Matveeva I.A., Gritsenko G.P., Sutchenkov I.A. Features of biomechanical structure of walk in healthy children aged raznogo. Rossiyskiy zhurnal biomekhaniki, 2013, vol. 17, no. 1, pp. 78-93 (in Russ.).
16. Shchurov V.A., Novikov K.I., Muradisinov S.O. Effect of uneven lower limbs and biomechanical parameters walk. Rossiyskiy zhurnal biomekhaniki, 2011, vol. 15, no. 4, pp. 102-107 (in Russ.).
17. Bedzhinskiy R., Podrez-Radzishevska M., Tindik M., Krzheminskiy M. Analysis of stress-strain state in the proximal epiphysis of the femur at the Legg – Calve – Perthes. Rossiyskiy zhurnal biomekhaniki, 2002, vol. 6, no. 3, pp. 66-76 (in Russ.).
18. Akulich Yu.V., Akulich A.Yu., Denisov A.S., Merzlyakov M.V., Shulyat’ev A.F. Influence of geometrical, biomechanical and surgical factors on the individual moments of twist locks at controlled osteosynthesis of hip fracture. Rossiyskiy zhurnal biomekhaniki, 2013, vol. 17, no. 2, pp. 64-74 (in Russ.).
19. Akulich Yu.V., Akulich A.Yu., Denisov A.S. Individual fixation of the femoral neck screw clamp. Rossiyskiy zhurnal biomekhaniki, 2010, vol. 14, no. 1, pp. 7-16 (in Russ.).
20. Akulich Yu.V., Akulich A.Yu., Denisov A.S., Podgaets R.M. Adaptation processes in the bone after osteosynthesis of femoral neck elastic thread-lock. Rossiyskiy zhurnal biomekhaniki, 2007, vol. 11, no. 3, pp. 39-53 (in Russ.).
21. Rublenik I.M., Bilyk S.V., Shayko-Shaykovskiy O.G. The use of metal-fixing systems for intramedullary nailing. Rossiyskiy zhurnal biomekhaniki, 2003, vol. 7, no. 1, pp. 84-89 (in Russ.).