Možnost využití počítačového modelování při analýze specifických komplikací metody DHS

Souhrn

Cílem studie je definovat vztah mezi vznikem specifických komplikací dlahy se skluzným šroubem (DHS) a umístěním šroubu v krčku stehenní kosti s pomocí analýzy metodou konečných prvků. Specifické komplikace tohoto implantátu jsou různorodé. Autoři zhodnotili 336 osteosyntéz DHS u 324 pacientů se stabilní pertrochanterickou zlomeninou. K výpočtové analýze metodou konečných prvků byl použit program ABAQUS 6.9. Bylo analyzováno 5 modelových situací podle umístění šroubu v krčku femuru. Incidence komplikací v souboru pacientů celkově byla 10%, incidence reoperací byla 4%. Nejvyšší riziko selhání implantátu a osteosyntézy bylo při umístění šroubu v horní třetině krčku femuru. Analýza s pomocí metody konečných prvků potvrdila klinickou zkušenost, kdy nejvhodnější pozice pro šroub je ve střední třetině krčku femuru. Technická chyba operatéra během osteosyntézy téměř vždy vede k selhání s nutností reoperace.

Klíčová slova:
dynamický skluzný šroub, metoda konečných prvků, specifické komplikace

Úvod

Zlomeniny proximálního femuru jsou závažným a zatím ne zcela vyřešeným medicínským a též sociálně-ekonomickým problémem, jehož důležitost narůstá spolu s postupně se prodlužujícím věkem populace. V literatuře je dostatečně rozebraná problematika jejich klasifikace a léčby [4,7,10,12]. Méně pozornosti je však věnováno specifickým komplikacím léčby a analýze jejich příčin [8,15]. Na našem oddělení se této problematice věnujeme již více než 25 let, naše výsledky jsme několikrát publikovali [14,21]. Metodu Dynamic Hip Screw (DHS) – osteosyntézu s použitím dynamického skluzného šroubu (obr. 1) používáme 15 let k ošetření pertrochanterických zlomenin. Principem tohoto implantátu je možnost stabilní osteosyntézy (sešroubování stehenní kosti) se skluzným efektem a vzájemnou kompresí fragmentů během hojení při zátěži. Několikrát jsme pozorovali selhání materiálu (obr. 2) ale jen málokdy se jednalo o chybu implantátu. Proto jsme se rozhodli analyzovat specifické komplikace léčby stabilních pertrochanterických zlomenin metodou DHS u vlastního souboru pacientů a porovnat je s výsledky dosaženými na počítačovém modelu.

Metody

Sledovaný soubor tvořilo 324 pacientů starších 50 let, u kterých bylo provedeno 336 operací (12 pacientů bylo operováno oboustranně). Ve všech případech se jednalo o ošetření stabilní pertrochanterické zlomeniny femuru pomocí 135° jednocoulové tříotvorové DHS (firma Medin, Česká republika) v období let 1997–2009. Doba sledování byla dva roky.

Diagnózu jsme stanovili standardně na základě zhodnocení předozadních RTG snímků pánve a poraněného kyčelního kloubu (obr. 3). Do souboru byli zařazeni pacienti se stabilní pertrochanterickou zlomeninou (31-A1.1, 31-A1.2 podle AO klasifikace). Operace byla provedena ve spinální anestézii standardním postupem s použitím kompletního firemního instrumentária dle doporučeného postupu výrobcem implantátu. Pooperačně byli pacienti ponecháni jeden až dva dny na jednotce intenzívni péče, další léčba pak probíhala na standardním ortopedickém oddělení. Vertikalizováni o berlích byli pacienti 3. až 4. den po operaci. Celková doba hospitalizace byla 4 až 23 dní (průměrně 7 dní). Chůze o berlích s odlehčením operované končetiny byla doporučována minimálně do první RTG kontroly 6 týdnů po operaci, plná zátěž povolována při dobrém klinickém a RTG nálezu po 12 týdnech od operace. Další klinické a RTG kontroly probíhaly po 6, 12 a 24 měsících od operace.

Při hodnocení RTG snímků jsme sledovali známky hojení zlomeniny, kompresi fragmentů a dále specifické komplikace: změnu pozice či protruzi šroubu z hlavice femuru („cut-out“ fenomén), rozlomení osteosyntetického materiálu, rozvoj avaskulární nekrózy hlavice femuru a pakloub. RTG nálezy byly rozděleny do 5 skupin podle pozice krčkového šroubu v předozadní projekci. Těchto 5 variant (obr. 4) bylo použito při numerických simulacích metodou konečných prvků (MKP). Vedle RTG nálezů byl sledován též počet nutných reoperací. U selhaných a reoperovaných osteosyntéz byla zpětně analyzovaná RTG dokumentace. Následně byl podle nejčastějších RTG nálezů vypracován numerický MKP model se stanovením výchozích pozic:

• a – proximální femur s kolodiafyzárním úhlem (CCD) 135° a anteverzí 15°,
• b – stabilní pertrochanterická zlomenina – linie lomu probíhá tesně nad malým trochanterem, ventrálně v oblasti linea intertrochanterica, dorsálně probíhá v oblasti crista intertrochanterica,
• c – možnost rozevření linie lomu mediálně v oblasti Adamsova oblouku o 4 mm (na základě pozorování vlastního souboru pacientů, kde bylo rozevření o 3-5 mm bylo u 20 pacientů),
• d – umístění krčkového šroubu v axiální pozici bylo vždy v ose krčku a centrálně v hlavici (obr. 5).

Geometrický model proximálního femuru byl vytvořen ze série CT snímků zdravého femuru. Snímky byly pořízeny v rozlišení 512x512 pixelů, velikost pixelu byla 0.412 mm a vzdálenost jednotlivých řezů byla 0.5 mm. CT snímky byly importovány ve formátu *.DICOM do programu Mimics 12 (Materialise, Belgie) ve kterém byla provedena 3D rekonstrukce fragmentů stehenní kosti. Geometrický model byl vytvořen pomocí povrchové trojúhelníkové sítě, která byla importována do výpočtového programu ABAQUS 6.9. ve formátu *.inp. V tomto programu byla následně z povrchové sítě automaticky vygenerována objemová konečněprvková síť. Jednotlivé části zlomené stehenní kosti, DHS a kortikálních šroubů byly vysíťovány objemovými lineárními čtyřstěnnými elementy C3D4. Pro zhodnocení deformační a napěťové odezvy kostní tkáně na modelové zatížení byla použita metoda konečných prvků. V provedených výpočtových analýzách byla hodnocena odezva kostní tkáně na rozdílné umístění DHS.

Jako hraniční stav, kdy dojde k selhání fixačního prvku nebo selhání jeho uchycení v kosti bylo považováno takové zatížení, při kterém vznikla napětí překračující mez kluzu (σ_k) nebo mez pevnosti (R_m) v kterékoliv části modelovaného systému DHS-šrouby-kost.

Model DHS byl poskytnut firmou MEDIN, a.s. ve formátu *.SAT, který byl importován do výpočtového programu ABAQUS 6.9 (Simulia, Francie). S ohledem na náročnost výpočtů bylo provedeno zjednodušení - na žádné části modelu nebyl modelován detailní profil závitu. Závity na krčkovém šroubu a šroubech v dlaze byly nahrazeny hladkou plochou, jejíž rozměr odpovídal střednímu průměru daného závitu. Ve všech provedených numerických MKP analýzách byla nerezová ocel použitá pro výrobu DHS modelována jako homogenní izotropní elasto-plastický materiál, jehož materiálové charakteristiky jsou následovné: modul pružnosti E 210 000 MPa, Poissonovo číslo µ 0.3, mez pevnosti R_m 860 MPa a mez kluzu σ_k 690 MPa.

Kostní tkáň byla ve všech provedených analýzách modelována jako nehomogenní, izotropní a elasto-plastický materiál. Materiálové vlastnosti byly pro každý element stanoveny v závislosti na hustotě kostní tkáně ρ [g/cm³]. Tato hustota byla určena v závislosti na stupni šedé barvy u CT snímků proximálního konce stehenní kosti podle vztahu [1]

kde ρ [g/cm³] je hustota kalibračního vzorku [2]. Elastické moduly pružnosti E [MPa] byly pro oba typy kostní tkáně (kompaktní a spongiózní) určeny pomocí vztahů [3-4]

Stejným způsobem byla stanovena hodnota meze kluzu σ_k [MPa] jako funkce závislá na hodnotě hustoty kostní tkáně podle

Ve výpočtových analýzách byla kostní tkáň modelována také jako materiál, u kterého dojde po překročení mezního zatížení k degradaci jeho mechanických vlastností. Tuto vlastnost lze v jistém přeneseném smyslu chápat jako "porušení" kostní tkáně.

Jednotlivé hodnoty jednoznačně popisující chování materiálového modelu při překročení σ_k byly stanoveny opět v závislosti na hustotě kostní tkáně ρ podle vztahů

Pro vlastní zhodnocení počítačového modelu ve vztahu ke klinickému souboru jsme simulovali těchto 5 situací (pozice – umístění implantátu v praxi, model – simulace):

Pozice 1 (Model IIa) – umístění šroubu v ose krčku femuru, proximálně v horní třetině krčku s ukotvením subchondrálně (obr. 4c).

Pozice 2 (Model 0) – umístění šroubu ve střední třetině krčku femuru s ukotvením subchondrálně – optimální situace (obr. 4a).

Pozice 3 (Model IIb) – umístění šroubu v distální třetině krčku femuru s ukotvením subchondrálně (obr. 4d) .

Pozice 4 (Model I) – umístění šroubu v střední třetině krčku femuru s ukotvením subchondrálně a rozevřením linie lomu distálně a mediálně o 4 mm (obr. 4b).

Pozice 5 (Model III) – umístění šroubu v střední třetině krčku femuru s ukotvením v centru rotace hlavice (obr. 4e).

Předmětem zájmu provedených analýz bylo určení odezvy kostní tkáně při zatížení modelu horního konce stehenní kosti v závislosti na místě implantace DHS. Proto bylo možné volit zjednodušený způsob uložení stehenní kosti na jejím proximálním konci jako nepohyblivé. Zatížení bylo realizováno zavedením vnějších osamělých sil, působících od svalů m. iliopsoas, mm. glutei a výsledné reakce působící v kyčelním kloubu. Pro zavedení vnějších sil do výpočtových MKP modelů byla použita vazba DISTRIBUTED COUPLING, pomocí které byly osamělé síly působící v referenčním uzlu rovnoměrně distribuovány na kostní tkáň v místě svalových úponů a kontaktu hlavice stehenní kosti s kloubní jamkou. Při provedených analýzách byl model zatížen osamělými silami F_glut = 642.3 N, F_iliop= 376.4 N a F_reac = 1000 N, které působí na kyčelní kloub při chůzi bez opory u člověka s hmotností 80 kg.

Mezi fragmenty stehenní kosti byl modelován normálový kontakt typu "HARD" s koeficientem tření f=0.3. Tato vazba simulovala reálnou situaci, kdy nemůže dojít k vzájemnému proniknutí jednotlivých částí, ale je přípustné jejich vzájemné odlehnutí. Stejným způsobem byly modelovány i kontaktní vazby mezi krčkovým šroubem a kostí (f=0.3), mezi krčkovým šroubem a dlahou (f=0.15) a mezi dlahou a kostí (f=0.3). Spojení kosti s fixačními šrouby, spojení fixačních šroubů s DHS dlahou a spojení krčkového šroubu s kostí bylo s ohledem na rychlost a stabilitu výpočtů modelováno pomocí vazby TIE. Tento specifický typ kontaktu představuje pevné spojení dvou částí, přičemž tato vazba přenáší stejnou hodnotu velikosti posuvů z řídící kontaktní plochy na podřízenou kontaktní plochu. Tuto vazbu lze zjednodušeně chápat jako "lepený" spoj dvou dílů.

Výsledky

Věk pacientů sledovaného souboru byl v rozmezí 50-102 let s průměrem 83,6 let. Pacientů starších 70 let bylo 288 (89 %). Žen bylo 240 (74 %) a mužů 84 (26 %), ženy tedy převažovaly nad muži v poměru 3:1. Stranové postižení bylo téměř vyrovnané (167krát vpravo, 169krát vlevo). Oboustranně byla osteosyntéza DHS provedena u 12 pacientů s odstupem 4–42 měsíců, průměrně po 15 měsících.

Z  336 provedených a sledovaných osteosyntéz bylo zaznamenáno celkem 33 specifických komplikací (10 %). Celkem 13 pacientů (4 %) bylo pro specifické komplikace reoperováno. Přehled komplikací vzniklých při 5 sledovaných pozicích šroubů je uveden v tabulce 1. Z ní je patrné, že nejzávažnějším problémem bylo umístění krčkového šroubu do pozice 1 (obr. 4c), která si vyžádala reoperaci ve 100 % případů, a do pozice 5, kdy jsme museli reoperovat 10 % případů.

Všechny provedené výpočtové analýzy byly modelovány jako kontaktní, nelineární a statické úlohy, při kterých byla zjišťována odezva celého systému na aplikované zatížení. Z výsledků MKP simulací uvedených v tabulce 2 je patrné, že napjatost v celém modelu stehenní kosti a DHS dlahy je při uvažovaném zatížení dost značná. Kostní tkáň stehenní kosti (distální fragment) je u všech modelů zatížena nejvíce v oblasti nejspodnějšího kortikálního šroubu, který fixuje dlahu ke kosti. V této části stehenní kosti se vyskytují maximální hodnoty redukovaných napětí σ_HMH v rozsahu 164.2 MPa (Model III) až 192.9 MPa (Model IIa). V této části modelu také dochází k porušení kostní tkáně v těsném okolí roviny zlomeniny a otvoru, kterým prochází krčkový šroub. Kostní tkáň stehenní kosti (proximálního fragmentu ) je u všech modelů kromě Modelu I zatížena nejvíce v oblasti dolní hrany krčku stehenní kosti v místě roviny zlomeniny. V tomto místě dochází k opření proximálního fragmentu o distální. Maximální hodnoty redukovaných napětí σ_HMH jsou zde v rozsahu 106.7 MPa (Model IIa) až 165.0 MPa (Model III). Naproti tomu u Modelu I dochází k maximálnímu zatížení kostní tkáně v místě otvoru, ve kterém je umístěn krčkový šroub, blízko roviny zlomeniny. Z pohledu úspěchu implantace DHS dlahy je důležité rovnoměrné rozložení napětí v celém objemu hlavice stehenní kosti. Optimální stav je patrný na obr. 4a, kdy krček femuru je zatížen rovnoměrně v jeho horní i dolní polovině. K přenosu zatížení z krčkového šroubu na hlavici stehenní kosti dochází spíše na úrovni rozhraní hlavice a krčku. Oproti tomu u Modelu IIa a Modelu IIb je patrné přemístění zatížení k hornímu resp. k dolnímu okraji krčku stehenní kosti v závislosti na umístění krčkového šroubu. Podobná je situace i u Modelu I, kde je klínová drážka v místě zlomeniny. Napjatost (zatížení) je přemístěna k hornímu okraji krčku stehenní kosti, zatímco dolní okraj přenáší zatížení jen minimální. Současně je patrné zvýšení napjatosti v oblasti hlavice stehenní kosti v místě závitu krčkového šroubu.

Výstupem provedených numerických MKP analýz je také hodnocení napjatosti DHS. Výsledné hodnoty redukovaných napětíσ_HMH  jsou uvedeny v tabulce 2. Z uvedených výsledků je patrné, že zatížení DHS je při uvažovaném zatížení dost značné a dokonce přesahuje velikost hodnoty meze kluzu σ_k. Zatímco hodnoty redukovaných napětí na dlaze a fixačních šroubech jsou sice blízké mezi kluzu, ale jejich velikost je ovlivněna použitou vazbou TIE pro spojení fixačního šroubu s dlahou. Maximální velikosti σ_HMH jsou u dlahy v rozsahu 436.5 MPa (Model 0) až 717.3 MPa (Model IIb) a u dolního kortikálního šroubu v rozsahu 693.1 MPa (Model 0) až 706.6 MPa (Model IIa). Oproti tomu odlišná situace je u krčkového šroubu , jehož napjatost není ovlivněna žádnými vazbami a přesto je σ_HMH vyšší než σ_k. Hodnota maximální velikosti σ_HMH byla zjištěna v rozsahu 435.3 MPa (Model 0) až 716.6 MPa (Model I).

Diskuze

Podle literárních údajů je incidence trochanterických zlomenin přibližně 55% ze všech zlomenin horní části stehenní kosti [20]. U pacientů ošetřených DHS byl zaznamenán 11% výskyt komplikací celkově [13]; v podskupině pertrochanterických zlomenin jsme zaznamenali 10% specifických komplikací. Na nespecifické komplikace jsme se v této studii nezaměřili [1]. Zjištěné specifické komplikace byly natolik různorodé, že při jejich rozřazení do jednotlivých typů není možné jejich statistické vyhodnocení s ohledem na jejich relativně malý počet. Proto byly pomocí numerických MPK simulací sledovány jednotlivé modelové situace na základě pozicí krčkového šroubu ve femuru. Domníváme se, že takto zvolená metoda porovnání klinicky získaných informací a modelových situací umožní prokázat, že z klinické praxe vytušené chyby při operačním postupu osteosyntézy jsou skutečně významně rizikové ze vzniku specifických komplikací [15]. Z pohledu věku a pohlaví se náš sledovaný soubor podobal souborům jiných autorů [11,18]. Náš soubor pacientů z pohledu výskytu komplikací byl vyhodnocen poprvé v roce 2009 [13]. Bylo zjištěno 39 komplikací, tedy 11% výskyt komplikací s nutnosti reoperace ve 4 % celkově. Jednoznačná souvislost s následnou komplikací s nutností reoperace byla zjištěna při šroubu umístěném v horní polovině krčku, což vedlo k proříznutí („cut-out“ fenoménu) mimo hlavici femuru u 3 našich pacientů. U všech byla následně nutná  reoperace. Klinickým sledováním byly pravidelně zjištěny nejlepší výsledky v situacích, kdy byla provedena anatomická repozice femuru (i v případě rozevření mediálně 3–5 mm, které umožňuje kontrolovanou kompresi zlomeniny skluzným efektem implantátu), dále s umístěním šroubu ve středu krčku nebo v jeho dolní polovině s ukotvením v hlavici subchondrálně (pozice 2–4). U pacientů v těchto skupinách je procento reoperací mezi od 0 do 3 %, což považujeme za údaj srovnatelný s dalšími publikovanými studiemi [6]. Nesprávné umístění šroubu v krčku femuru v axiální projekci též vede k selhání osteosyntézy [19], ale tuto situaci jsme nezkoumali, proto že jsme ji v našem souboru nezaznamenali. Ukotvení šroubu v centru hlavice (nikoli subchondrálně) má sice 10 % riziko reoperací, ale jedná se o malý počet pacientů. Tyto poznatky jsou ve shodě s výsledky provedených numerických MKP simulací. Nicméně je třeba brát v úvahu, že v provedených výpočtových analýzách byla použita určitá zjednodušení a nebyla posuzována kvalita kosti [16]. Především šroubové spoje byly realizovány pomocí vazby TIE, která neumožňuje odlehnutí kontaktních povrchů. Pro potřeby této srovnávací analýzy je ovšem podle našeho názoru toto zjednodušení zanedbatelné a nesnižuje vypovídací hodnotu získaných výsledků a vyslovených závěrů. Druhým významným faktorem, který výrazným způsobem ovlivňuje interpretaci získaných výsledků, je charakter celé úlohy. Výpočty byly modelovány jako statická úloha, která je schopna popsat pouze jediný okamžik zatížení a odezvu systému na toto zatížení. V reálné situaci jsou ovšem DHS a kostní tkáň namáhány opakujícím se zatížením, které navíc nemá konstantní velikost [2,3,5,9]. Právě tento způsob zatížení ovšem může zapříčinit postupné vylomení – „cut–out“ fenomén šroubu z hlavice femuru. Z prezentovaných výsledků provedených numerických MKP simulací lze, podle našeho názoru, vyslovit několik závěrů a doporučení. Všechny získané výsledky ukazují, že z pohledu biomechaniky je velmi důležité optimální umístění DHS při operaci [17]. Umístění DHS přímo ovlivňuje nejen velikost a způsob zatížení kostní tkáně stehenní kosti, ale i napjatost přímo DHS. Na tomto místě je nutné zdůraznit, že pokud není DHS umístěna optimálně, může její zatížení způsobit překročení povolených hodnot napětí a hrozí její úplné selhání. Z výsledků MKP analýz uvedených v tabulce 2 je patrné, že napjatost krčkového šroubu překračovala hodnoty meze kluzu σ_k. Hodnoty redukovaných napětí σ_HMH na konci krčkového šroubu v místě kontaktu s dlahou lze označit za parazitická napětí vzniklá z kontaktu šroubu s dlahou na velmi malé ploše (což je jistý druh nepřesnosti použité metody konečných prvků). Ovšem překročení hodnot meze kluzu σ_k v krčku nitrokostního hřebu nebylo ovlivněno žádnou použitou vazbou nebo zjednodušením. Riziko selhání DHS je dále výrazně zvýšeno cyklickým charakterem zatížení stehenní kosti (což ovšem nebylo v provedených analýzách uvažováno).

Na základě provedených MKP analýz a jejich výsledků je také patrné, že u obou fragmentů stehenní kosti v místě otvoru pro krčkový šroub a roviny zlomeniny dochází k trvalé degradaci kostní tkáně. Tento stav je způsoben tím, že se krčkový šroub poměrně značně ohýbá a tlačí do kostní tkáně. Pro dlouhodobé přežití DHS je důležité rovnoměrné rozložení napjatosti (zatížení) v okolní kostní tkáni . Jakékoliv odchýlení od optimální polohy (viz Model 0) má značný vliv na napjatost celého systému kost - DHS a rapidně narůstá riziko jeho selhání.

Z klinického pozorovnání jsme zjistili ze specifických komplikací nejen rozlomení kovů ale též proříznutí šroubu z hlavice femuru. Při retrospektivní analýze RTG dokumentace jsme pravidelně pozorovali chyby techniky operace, tedy ne problémy implantátu konstrukční ale chyby lidského faktoru. Tyto chyby jsou i podle provedené analýzy MPK naprogramovaným problémem vedoucím k následnému selhání osteosyntézy, kdy nejméně vhodné je umístění šroubu v horní části krčku femuru. Zajímavé je vedlejší zjištění, že šroub DHS vydrží přibližně 10 000 zátěžových cyklů, tedy při nezhojení kosti v této časové jednotce lze očekávat  jeho rozlomení. Toto můžeme potvrdit z praxe. U dvou pacientů při rozvoji pakloubu v oblasti proximálního femuru nepřevzala kost zátěž a s odstupem 11 a 24 měsíců (obr.2) byla zjištěna tato komplikace. Naštěstí u většiny pacientů se jedná o seniory, jejichž menší pohybové nároky umožní dřívější zhojení kosti než dojde k únavové zlomenině materiálu.

Závěr

Osteosyntézu metodou DHS považujeme za optimální volbu při ošetření stabilních pertrochanterických zlomenin. Pro dobrý výsledek a minimalizaci komplikací považujeme za zásadní správnou indikaci a samozřejmě bezchybné technické provedení osteosyntézy. Z provedených numerických MKP simulací vyplývá že nejvýhodnější je umístění šroubu DHS ve středu krčku nebo distálně od středu s ukotvením subchondrálně, kdy úhel šroubu koresponduje s kolodiafyzárním úhlem femuru. Případné rozevření linie lomu mediálně za dodržení výše uvedených pravidel nezvyšuje riziko komplikací vzhledem ke skluznému efektu implantátu. Výrazně rizikové je umístění šroubu v proximální části krčku femuru. U nedostatečně subchondrálně ukotvených šroubů je vyšší riziko „cut-out“ fenoménu během hojení, ale naštěstí tato technická chyba nebývá častá. Operační technika i implantát můžou selhat, ale většinou tehdy, když se jedná primárně o technickou chybu operatéra při provedení osteosyntézy.

Poděkování

Tato práce vznikla za podpory MŠMT ČR v rámci projektu MSM 6840770012 ”Transdisciplinární výzkum v oblasti biomedicínského inženýrství II”

MUDr. Maroš Hrubina

Ortopedické oddělení Nemocnice Pelhřimov

Ul. Slovanského bratrství 710

393 01, Pelhřimov

Tel: +420 565 355 305

E-mail: mhrubina@gmail.com