A túlsúly és az elhízás teljes térdízületi műtétre gyakorolt ​​hatásainak numerikus vizsgálata

1 Alkalmazott Mechanikai és Orvostechnikai Intézet, Taiyuan Műszaki Egyetem, Taiyuan, Shanxi 030024, Kína

térdízületi

2 Műszaki és Informatikai Iskola, Sussexi Egyetem, Brighton BN1 9QJ, Egyesült Királyság

3 Bioengineering Science Research Group, University of Southampton, Southampton SO17 1BJ, Egyesült Királyság

Absztrakt

A túlsúly és az elhízás növeli a térd osteoarthritisének kockázatát, amely a fogyatékosság egyik fő oka. A súlyos térdízületi osteoarthritis térdízületi műtéttel kezelhető. A teljes térdízületi műtétet túlsúlyos és elhízott betegeknél alkalmazták; a klinikai jelentések azonban azt mutatták, hogy ennek a betegcsoportnak az eredménye nem volt jó, mint a normál testsúlyú betegeké. Két számítógépes modellt hoztak létre ebben a cikkben, hogy szimulálják a túlzott terhelésnek a distalis femoralis csontra gyakorolt ​​hatását és az érintkezési nyomást a teljes térdízületi műtét során egy járási ciklus alatt. A számszerű eredmények azt mutatták, hogy a perifrosztetikus disztális combcsontokban fokozott a stressz, és a tibialis polietilén betétnél nagyobb az érintkezési nyomás a stance fázisban. A számítógépes szimulációs eredmények és a publikált kutatómunka alapján a cement nélküli teljes térdízületi műtét vastagabb tibialis polietilén betéttel jobb megoldás lehet a túlsúlyos betegek számára.

1. Bemutatkozás

Az elhízás világszerte elérte a járvány mértékét, az Egészségügyi Világszervezet adatai szerint 2014-ben több mint 1,9 milliárd felnőtt volt túlsúlyos, és közülük legalább 600 millióan klinikailag elhízottak. A túlsúly a testtömeg-index (BMI), amely 25 kg/m 2 vagy annál nagyobb, az elhízás legalább 30 kg/m 2, a kóros elhízás pedig 40 kg/m vagy nagyobb. 2. Az elhízás jelentősen megnöveli számos olyan betegség kialakulásának kockázatát, beleértve az osteoarthritist is, amely az Egyesült Királyságban és Észak-Amerikában az idős emberek körében a súlyos fogyatékosság leggyakoribb oka [1]. A longitudinális adatok azt mutatják, hogy az elhízás erős kockázati tényező a térd osteoarthritisének kialakulásában; minden 5 kg-os súlynövekedés esetén a kockázat 30% -kal nő [2]. Leung és mtsai. [3] a testtömeg-index és a teljes térdprotézis kockázata közötti összefüggést tanulmányozta; arra a következtetésre jutottak, hogy a BMI az egyik legfontosabb előrejelzője a térd osteoarthritisének és a teljes térdprotézis kockázatának.

A térd osteoarthritisét konzervatív módon vagy műtéti úton lehet kezelni. Jelenleg a fő műtéti beavatkozás a térdprotézis, és bár a legtöbb beteg számára rendkívül hatékony, az összes ízületprotézis idővel kudarcot vall, ezért ezt felül kell vizsgálni [1]. Az eddigi vizsgálatok ellentmondó eredményeket közölnek az elhízásnak a teljes térdízületi műtét (TKA) kimenetelére gyakorolt ​​hatásával kapcsolatban. Számos tanulmány arról számolt be, hogy az elhízás negatívan befolyásolja a TKA-t követő eredményeket, konkrétan jelentősen megnöveli a revíziós műtét szükségességét [4], növeli a rehabilitáció költségeit [5], és csökkenti a protézis túlélését [6] és a fokális osteolysis [7] . Ezzel ellentétben más tanulmányok arról számoltak be, hogy az elhízott és nem elhízott betegek között a TKA-t követően összehasonlíthatóak az eredmények, különösen a szövődmények és a térdfunkció gyakorisága [8], valamint az egészség és a működés általános és betegségspecifikus mértékei [9] szempontjából. Foran és mtsai. [10] beszámolt arról, hogy a térdtáji pontszám (KSS) változása, amely az elhízott betegek térdfájdalmát és működését értékeli a teljes térdprotézis után, körülbelül 20% -kal kevesebb, mint a nem elhízott betegeknél. Deakin és mtsai. [11] 2017-ben arról számolt be, hogy az elhízott és nem elhízott betegekhez képest a TKA-ban átesett, morbid elhízott betegeknél négy ponttal alacsonyabb volt az oxfordi térd pontszám.

A közvéleményben elterjedt tévhit, hogy az osteoarthritis elhízáshoz vezet, és hogy ennek a fogyatékossággal élő ízületi betegségnek a műtéti kezelése (ízületpótlás) a betegek súlyvesztéséhez vezet. Booth [12] arról számolt be, hogy az elhízott betegek csak 18% -a fogy le az ízület pótlása után. Friss tanulmány Schwartsmann et al. A posztoperatív elemzésből [13] kiderült, hogy a TKA-n átesett betegek csak kissé, 0,08 kg/m 2 csökkentik a BMI-t. Ezért fontos megvizsgálni a túlsúly hatását a teljes térdprotézisre a műtét után.

Az elhízott egyének gait-elemzése kinematikai adaptációkat azonosított, beleértve a lassabb sebességet, a rövidebb lépéshosszat, a megnövekedett kettős támasztási időt, a térd mozgási tartományának csökkenését és a nagyobb talajreakciós erőket az elhízottakban a sovány egyedekhez képest [14]. Spyropoulos és mtsai. [15] összehasonlította a csípő, a térd és a boka mozgását elhízott és normál testsúlyú férfiaknál, miközben az alanyok vízszintesen haladtak a kívánt sebességgel. Az elhízott felnőtteknél a teszt során lassabb járási sebességet tapasztaltak, mint a nem elhízott alanyok. DeVita és Hortobagyi [16] elhízott egészséges felnőttek és sovány felnőttek mozgásának elemzésével tesztelték az elhízás hatásait az alsó végtagok ízületi kinetikájára és energetikájára a gyaloglás során. Azt találták, hogy az elhízott résztvevők megváltoztatták a járás biomechanikáját, és kevesebb térdnyomatékot és -hatalmat értek el saját maguk választott járási sebességüknél, valamint azonos térdnyomatékkal és erővel, miközben ugyanolyan sebességgel jártak, mint a sovány egyének.

Az élettani terhelések 100 vagy 200 nagyságrendű implantátum-csont relatív mikromozgásokat eredményeznek μAz m gátolhatja a csont növekedését, ami rostos szövetréteg kialakulását eredményezheti a protézis körül, és elősegítheti az implantátum fellazulását [17]. Taylor és Tanner [18] azt javasolta, hogy az implantátum vándorlása a támogató rákos csont progresszív kudarcának tudható be. Az implantátum migrációjának mértéke a kezdeti mechanikai környezettől függ, és betegspecifikus végeselemzéssel határozható meg [19].

Au és mtsai. [20] háromdimenziós végesmodellt dolgozott ki a csont- és az interfészfeszültségek tanulmányozására négy különböző tibialis protézis kialakításnál. Valamennyi implantátummodell kimutatta a csontritkulás csökkenését és a magas összenyomódást a központi rögzítőoszlopok alatt. Shi és mtsai. [21] kifejlesztett egy végeselemű modellt, és a teljes térdprotézis kétféle érintkezési nyomását tanulmányozta; azonosították a rendellenességek és a különböző terhelések hatásait a teljes térdprotézis kimenetelére.

Walker és mtsai. [22] a distalis combcsontban a csont ásványianyag-sűrűségének (BMD) kvantitatív változását mértük, miután cementált totális térdízületi műtétet végeztek osteoarthritis térdízületekben. A 12 hónapos utánkövetéses vizsgálat során a protézis mellett 17,1% -os átlagos csontsűrűség-csökkenést mértek. A csontvesztés a TKA után az első 3 hónapban volt a leggyorsabb. Spittlehouse et al. [23] a disztális elülső combcsont legnagyobb 16% -os csökkenését jelentette az első 6 hónapos posztoperatív periódusban 16 betegnél térdprotézis nélküli betegnél.

A TKA után azonnal elfogadott testmozgási rehabilitációs rend nagyon fontos tényező az osseointegráció és az implantátum mikromozíciója közötti ismert összefüggés miatt. Booth [12] azt javasolta, hogy az elhízott betegeknél módosított posztoperatív kezelésekre van szükség, de nem voltak olyan kutatások, amelyek jeleznék a testmozgási rendben szükséges módosítást. Bizzini és mtsai. [24] véletlenszerű minta alapján beszámolt arról, hogy a testmozgás rehabilitációs programjának hozzáigazítása egy adaptált agilitási és perturbációs edzésprogrammal lehetővé teheti a betegek számára, hogy az első 3 posztoperatív hónapban jobb funkciókat nyerjenek vissza a mindennapi élet tevékenységeiben. Az elhízott és kórosan elhízott betegekkel kapcsolatos kutatások azonban továbbra is szűkösek.

A TKR felülvizsgálatának leggyakoribb okai a polietilén kopása és az aszeptikus lazítás. A polietilén kopórészecskék keletkezése és az ebből eredő oszteolízis a TKR ízület hosszú távú fellazulásának oka. A műtét utáni stressz állapot változása miatt a TKA után a csontok átalakulása szintén fontos tényező a rendellenességek és lazulások kialakulásában. Ezért meg kell vizsgálni a túlsúly és az elhízás hatását a TKA-ra; A cikkben a TKA komponenseket egy alsó végtagon belül modelleztük egy járási ciklus alatt, és a túlsúly súlyának a distalis femoralis periprosthetikus csont feszültségeire gyakorolt ​​hatását vizsgálták. Szintén szimulálták a tibialis polietilén betét érintkezési nyomásának változását a túlsúly miatt.

2. Módszerek

2.1. Számítógépes modellek