-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
1
UNIVERSITY „LUCIAN BLAGA” SIBIU FACULTY OF MEDICINE „VICTOR
PAPILIAN” SIBIU
Ph.D. STUDENT Dr. FLEACĂ SORIN RADU, MD
ABSTRACT
PhD THESIS
OSTEOCHONDRAL AUTOLOGOUS TRANSPLANTATION
IN
ARTICULAR CARTILAGE LESIONS TREATMENT
Ph.D. ADVISOR
Prof. Dr. BAIER IOAN, MD, PhD
SIBIU 2009
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
2
Contents 1 - Introducere 2 - NoŃiuni de anatomie a cartilajului
articular 3 - Fiziologia şi fiziopatologia cartilajului articular 4
- Diagnosticul leziunilor cartilajului articular 5 - Clasificarea
leziunilor cartilajului articular 6 - IncidenŃa şi PrevalenŃa
leziunilor cartilajului articular 7 - Tratamentul leziunilor
cartilajului articular 8 - Transplantul osteocondral autolog 9 -
Analiza prin Metoda Elementului Finit a comportării la încărcare
statică a femurului uman 10 - Instrumentar original pentru
efectuarea transplantului osteocondral autolog 11 - Stand
experimental pentru încercarea la compresiune a articulaŃiei
genunchiului 12 - Studiu biomecanic asupra rezistenŃei la presiune
a cilindrilor osteocondrali transplantaŃi la nivelul condilului
femural de vită 13 - Concluzii finale. Principalele contribuŃii ale
lucrării
ABSTRACT
Cartilajul articular are un potenŃial limitat de reparare
spontană. Atunci când se produce, repararea unei leziuni condrale
este parŃială, iar Ńesutul de reparaŃie este un fibrocartilaj cu
proprietăŃi mecanice mult inferioare cartilajului hialin. Lezarea
mecanică a unei suprafeŃe articulare vă conduce la dezvoltarea
prematură a artrozei. Tratarea acestei patologii prin endoprotezare
prezintă mai multe dezavantaje, cu atât mai mult în cazul
pacienŃilor tineri la care durată de viaŃă a unei proteze este mai
scurtă decât la pacienŃii mai vârstnici. Din acest motiv în ultimii
ani s-a pus tot mai mult problema regenerării şi reparării
suprafeŃelor cartilaginoase, în acest sens dezvoltându-se mai multe
tehnici chirururgicale. Dintre acestea, singura care realizează
repararea cu cartilaj hialin este transplantul osteocondral
autolog. Această tehnică constă în recoltarea a unuia sau mai
multor cilindri osteocondrali dintr-o zonă donoare (de obicei o
zonă neportantă a genunchiului) şi implantarea acestora la nivelul
defectului condral. Această tehnică se realizează cu ajutorul unui
instrumentar special. Avantajele tehnicii constau în posibilitatea
efectuării într-un singur timp operator, posibilitatea efectuării
chiar dacă există leziuni ale osului subcondral (osteocondrită,
leziuni degenerative), costul redus, timp mai redus de recuperare
comparativ cu implantul de condrocite autologe. Dezavantajele
metodei constau în principal în efecte adverse legate de zona
donoare şi de limitarea suprafeŃei care poate fi acoperită datorită
limitării zonei de unde se pot recolta cilindri. Deşi tehnica
chirurgicală este oarecum standardizată, comportarea cartilajului
transplantat, a cilindrilor osteocondrali transplantaŃi şi nu în
ultimul rând a femurului în sine prezintă încă numeroase
necunoscute, ceea ce se conturează însă e faptul că toŃi aceşti
factori influenŃează decisiv rezultatul biologic şi funcŃional al
transplantului.
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
3
Tema tezei de doctorat se înscrie în preocupările autorului şi
este un subiect de actualitate datorită dezvoltării în ultimii ani
a chirurgiei conservative, minim invazive şi în special a
chirurgiri reparative şi reconstructive a cartilajului.
În formularea obiectivelor lucrării de faŃă au stat la bază
concluziile desprinse din analiza şi sinteza stadiului actual al
cercetărilor în domeniul chirurgiei cartilajului.
Obiectivele tezei de faŃă sunt evaluarea leziunilor cartilajului
articular şi analiza teoretică şi experimentală a comportării la
încărcare a cilindrilor osteocondrali transplantaŃi.
Teza de doctorat este structurată în treisprezece capitole în
care sunt prezentate aspecte privind anatomia şi biomecanica
cartilajului articular şi a articulaŃiei genunchiului, stadiul
actual al fiziologiei şi fiziopatologiei cartilajului articular,
stadiul actual al tratamentului leziunilor cartilajului articular,
tehnica operatorie în transplantul osteocondral autolog, o evaluare
a leziunilor cartilajului articular al genunchiului în cazuistica
artroscopică a autorului, analiza teoretică prin metoda elementului
finit a comportării la încărcare a unui femur la nivelul căruia a
fost realizat un transplant osteocondral autolog, realizarea unui
instrumentar original pentru efectuarea transplantului
osteocondral, realizarea unui stand experimental, precum şi o serie
de cercetări experimentale pentru determinarea caracteristicilor
biomecanice ale femurului si cilindrilor osteocondrali
transplantaŃi.
În finalul tezei sunt prezentate sintetic concluziile desprinse
în fiecare etapă de elaborare a tezei de doctorat precum şi
posibilele direcŃii de continuare a cercetărilor.
Capitolul 2 prezintă noŃiuni despre anatomia cartilajului
articular. Prima parte a capitolului prezintă anatomia macroscopică
şi microscopică a cartilajului articular. Este pus accentul pe
anatomia structurală şi funcŃională a cartilajului, necesare pentru
înŃelegerea proceselor de uzură şi repare ale acestuia. Sunt
prezentate componentele cartilajului articular: condrocitele şi
matricea extracelulară. In continuare sunt prezentate componentele
matricei extracelulare, punându-se accent pe relaŃtiile funcŃionale
dintre acestea. Următorul subcapitol prezintă anatomia structurală
a cartilajului, cu zonele acestuia diferenŃiate prin componente şi
proprietăŃi mecanice. Regiunile matricii sunt prezentate în
subcapitolul următor. În continuare sunt prezentate noŃiuni de
anatomie a genunchiului. Aceasta este una dintre cele mai mari
articulaŃii a corpului omenesc şi prezintă o importanŃă deosebită
şi datorită anumitor particularităŃi anatomice şi funcŃionale care
grăbesc uzura mai precoce şi accentuată a cartilajului articular şi
evoluŃia spre artroză. De asemenea, datorită solicitărilor mari la
care este supus, a traumatismelor frecvente la acest nivel,
genunchiul este sediul cel mai comun al leziunilor posttraumatice
ale cartilajului articular. Datorită particularităŃilor anatomice
genunchiul este folosit şi pentru prelevarea grefelor osteocondrale
sau a recoltării de condrocite pentru culturi celulare necesare
pentru realizarea transplantului de Ńesuturi în chirurgia
cartilajului articular. Prezentarea suprafeŃelor articulare, a
elementelor importante structurale ale capsulei articulare a fost
făcută însoŃită de imagini ale unor piese de disecŃie realizate de
autor. NoŃiuni despre anatomia cartilajului articular al
genunchiului sunt prezentate în urmatorul subcapitol. Geometria
suprafeŃelor osoase ale femurului distal diferă de cele
cartilaginoase. Această diferenŃa trebuie luată în considerare
atunci când se interpretează rezultate ale investigaŃiilor
imagistice. Măsurători realizate la nivelul articulaŃiei
femuropatelare în diferite grade de flexie au găsit diferenŃe
semnificative între suprafeŃele cartilaginoase şi osoase ale
trohleei femurale. Există o mare variabilitate în ceea ce priveşte
grosimea maximă şi medie a cartilajului articular la
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
4
nivelul genunchiului, atât între diferitele suprafeŃe articulare
cât şi între diferiŃi indivizi. Ultimul subcapitol prezintă noşiuni
de biomecanică a genunchiului. Capitolul 3 prezintă fiziologia şi
fiziopatologia cartilajului articular, necesare pentru înŃelegerea
mecanismelor care duc la menŃinerea funcŃiei cartilajului, a
proceselor care determină degenerarea şi repararea Ńesutului
condral. ProprietăŃile unice mecanice şi biologice ale cartilajului
articular depind de structura Ńesutului şi de interacŃiunile dintre
condrocite şi matricea cartilaginoasă. Condrocitele formează
reŃeaua proteică ce asigură integritatea structurală a matricei şi
prin aceasta a cartilajului. Colagenul de tip II, IX şi XI formează
o reŃea care conferă forma, rigiditatea şi rezistenŃa la solicitare
mecanică a cartilajului. Agrecanii (molecule mari de proteoglicani
agregate) contribuie la rezistenŃa Ńesutului şi la asigurarea
integrităŃii structurale a acestuia alături de moleculele mici de
proteoglicani (decorina, biglicani, etc.) prin legarea proteinelor
matricei, ajutând la stabilizarea acesteia. De asemenea, aceste
molecule influenŃează la rândul lor activitatea condrocitelor şi
prin legarea citokinelor.
łesutul cartilaginos este supus unei remodelări continue în
cursul vieŃii datorită condrocitelor care înlocuiesc
macromoleculele matriceale degradate. Turn-overul matricei depinde
de abilitatea condrocitelor de a detecta alterări în compoziŃia
macromoleculelor matriceale, a macromoleculelor degradate şi de a
răspunde prin sintetizarea tipului şi cantităŃii adecvate de
proteine. Matricea funcŃionează ca un transductor pentru
condrocite. Încărcarea cartilajului datorită solicitărilor mecanice
ale articulaŃiei crează stimuli mecanici, electrici şi chimici care
influenŃează direct activitatea de sinteza a condrocitelor.
Creşterea solicitării funcŃionale a articulaŃiei produce un răspuns
din partea condrocitelor în sensul creşterii anabolismului care se
manifestă prin remodelarea internă şi creşterea în volum a
Ńesutului. O suprasolicitare de durată a articulaŃiei generează
alterări în compoziŃia matricii cu o eventuală pierdere a
integrităŃii structurale şi mecanice a acesteia. De asemenea,
vârsta aduce alterări în activitatea metabolică a condrocitelor şi
deci şi în compoziŃia matricii, determinarea unui răspuns inadecvat
a Ńesutului la solicitare, ceea ce creşte posibilitatea degenerării
cartilajului. Încărcarea mecanică a articulaŃiei este esenŃială
pentru buna pentru păstrarea integrităŃii structurale şi
funcŃionale a cartilajului articular. Studii experimentale au
arătat că o scădere persistentă a încărcării mecanice a
cartilajului articular sau o imobilizare prelungită a articulaŃiei
scade concentraŃia de proteoglicani şi gradul agregării acestora,
ceea ce duce la alterarea proprietăŃilor mecanice ale cartilajului.
Pentru a menŃine integritatea funcŃională şi structurală a
cartilajului articular este necesară o minimă încărcare şi
mobilitate a articulaŃiei. Pe de altă parte, suprasolicitarea
mecanică a articulaŃiei va determina un răspuns al condrocitelor
prin creşterea activităŃii de sinteză proteică a acestora ceea ce
va determina creşterea volumului matricii şi deci o expandare a
volumului tisular. Este pe deplin acceptat faptul că nutriŃia
condrocitelor este facilitată de compresia şi relaxarea
cartilajului în timpul solicitărilor mecanice, în strânsă legătură
cu mişcarea apei la nivelul Ńesutului, însă nutriŃia condrocitelor
din starturile profunde (sub tidemark) pare a fi realizată şi din
capilarele de la nivelul osului subcondral. Integritatea
structurală şi funcŃională a cartilajului articular depinde de
interdependenŃa dintre matrice şi condrocite. Condrocitele formează
matricea extracelulară şi contribuie la integritatea structurală a
acesteia, iar matricea la rândul ei protejează condrocitele în
timpul solicitărilor mecanice la care este este supus cartilajul
articular în cadrul mişcărilor articulaŃiilor. De asemenea,
condrocitele
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
5
sintetizează macromoleculele matricei. Condrocitele sunt legate
de matricea extracelulară de molecule de suprafaŃă care se numesc
integrine şi care reacŃionează la încărcare mecanică. De asemenea,
condrocitele prezintă la suprafaŃă receptori pentru o mare
varietate de factori de creştere şi citokine cu rol în reglarea
metabolismului Ńesutului, secretă şi degradează componentele
proteice ale matricei, fiind astfel responsabile de homeostazia
Ńesutului. Matricea transmite solicitările mecanice dinspre
suprafaŃa articulară spre condrocite, funcŃionând astfel ca un
transductor pentru condrocite. Totodată, prin matrice sunt
transportate şi stocate multiple molecule: nutrienŃi ai
condrocitelor, proteine sintetizate, proteine matriceale degradate,
citokine, factori de creştere, etc. CompoziŃia şi organizarea
matricii precum şi tipul şi concentraŃia proteinelor structurale
matriceale (în special proteoglicanii) influenŃează tipul
diverselor molecule care o pot străbate, precum şi viteza de
trecere a acestora. Degenerarea cartilajului articular cu pierderea
structurii şi funcŃionalităŃii acestuia precum şi modificările
articulaŃiei sinoviale care decurg din această generează durere şi
pierderea funcŃiei normale a articulaŃiei. Durerea şi scăderea
mobilităŃii articulare sunt printre cauzele cel mai frecvente de
morbiditate a populaŃiei adulte şi vârstnice. Cel mai frecvent
degenerarea cartilajului articular se manifestă ca osteoartroză,
care poate fi primitivă (idiopatică), dar poate fi şi urmarea
traumatismelor sau a bolilor reumatismale inflamatorii care distrug
suprafaŃa articulară, generând osteoartroza secundară. ReacŃia de
reparare şi regenerare după degradarea posttraumatică sau
degenerarea cartilajului articular matur este minimă, Ńesutul
cartilaginos neavând capacitatea de a repara prin restitutio ad
integrum alterările structurale odată apărute. Aceste observaŃii au
contribuit la interpretarea cartilajului articular ca fiind un
Ńesut inert de rezistenŃă la presiune, similar cu polietilena şi
metalul, şi că degenerarea cartilajului apărută odată cu vârsta
este rezultatul încărcării mecanice a acestuia cu pierderea
ireversibilă a integrităŃii structurale şi a proprietăŃilor
mecanice ale acestuia. În consecinŃă, pentru a se preveni
degradarea cartilajului nu se poate face aproape nimic în afară de
a limita încărcarea mecanică a acestuia, şi deci, cel mai adecvat
tratament pentru degradarea avansată a cartilajului este
artroplastia cu înlocuire suprafeŃelor articulare degradate. Un alt
punct de vedere faŃă de cel prezentat mai sus este acela că,
Ńesutul cartilaginos nefiind inert, este capabil într-o oarecare
măsură de reparare şi regenerare, astfel că încărcarea articulară
nu va duce inevitabil la artroză, şi deci, există posibilitatea
efectuării unui tratament care să restaureze cel puŃin parŃial şi
în anumite cazuri integritatea cartilajului articular. Ultimul
subcapitol prezintă câteva consideraŃii biologice în artroză.
Procesul de îmbătrânire se asociază cu alterări ale metabolismului
cartilajului articular care duc la degenerarea suprafeŃei
articulare. Acest proces este probabil determinat genetic, însă
este influenŃat de traumatisme şi alŃi factori care alterează
integritatea structurală sau metabolică a cartilajului articular.
Remarcabila rezistenŃă şi durabilitate într-un mediu solicitant
mecanic a cartilajului articular reprezintă una dintre
extraordinarele caracteristici ale acestuia. MenŃinerea
integrităŃii structurale a suprafeŃei cartilajului se datorează
unui fragil echilibru al metabolismului acestuia. Dacă acest
echilibru se rupe în sensul accelerării catabolismului se produce o
degradare a matricii care scade rezistenŃa Ńesutului la stresul
mecanic şi se produce degradarea Ńesutului cartilaginos. Deşi ca
reacŃie la această degenerare se produce un răspuns catabolic de
regenerare a matricii, a componentei colagene şi proteoglicanice a
acesteia, nu se mai restabileşte delicatul echilibru metabolic al
Ńesutului.
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
6
Capitolul 4 prezintă elemente de diagnosticare a leziunilor
cartilajului articular. Primul subcapitol tratează diagnosticul
clinic al leziunilor cartilajului.
Diagnosticul leziunilor cartilajului articular este dificil de
efectuat şi deseori aceste leziuni rămân nediagnosticate de către
chirurg. Diagnosticul este în principal unul de excludere, şi
deseori se efectuează în cursul examinării artroscopice.
Antecedentele personale patologice sunt de multe ori decisive
pentru a suspiciona o leziune condrală: prezenŃa în istoric a unui
traumatism, modificări ale axelor mecanice ale membrului, semne
radiologice de artroză sau încercări precedente de reparare ale
unor leziuni condrale documentate. Circa jumătate dintre pacienŃii
cu leziuni ale cartilajului articular prezintă antecedente
traumatice. PrezenŃa unei colecŃii articulare posttraumatice,
instabilitate ligamentară, antecedente chirurgicale locale (de
exemplu meniscectomie), deşi nespecifice, sunt sugestive pentru
prezenŃa unei leziuni condrale. Cel mai frecvent simptom este
durerea. Deoarece cartilajul articular nu are inervaŃie, durerea
apare doar atunci când leziunea condrală atinge osul subcondral,
există patologie asociată (instabilitate, leziuni meniscale) sau
este prezent un răspuns inflamator (reacŃie sinovială) la un
traumatism. De asemenea, pacienŃii pot prezenta cracmente
articulare, blocaje determinate de un fragment condral desprins sau
chiar să descrie prezenŃa unor formaŃiuni mobile, dure, puŃin
dureroase (corp liber intraarticular). PrezenŃa unor episoade
tranzitorii de hidrartroză sunt descrise de asemenea de pacienŃi,
legate de o suprasolicitare a articulaŃiei. Simptomele legate de
instabilitatea ligamentară, instabilitate patelară sau leziuni
meniscale asociate. InvestigaŃiile complementare sunt prezentate în
următorul subcapitol. Radiografia standard are un rol limitat în
evaluarea leziunilor cartilajului articular. Cu toate acestea,
radiografia este o examinare de rutină în patologia genunchiului,
care poate aduce informaŃii utile pentru diagnosticarea leziunilor
condrale şi a patologiei asociate cu acestea. Tomografia
computerizată este o investigaŃie care aduce informaŃii utile
despre starea cartilajului articular. Sensibilitatea examenului CT
în decelarea leziunilor mici condrale este redusă. Este utilă în
decelarea leziunilor osteocondrale din osteocondrita disecantă, în
fracturile cu interesarea suprafeŃei articulare, precum şi în
evaluarea articulaŃiei femuropatelare (displaziile trohleare) şi
planningul preoperator în rupturile ligamentului femuropatelar
medial. RezonanŃa Magnetică Nucleară este în prezent investigaŃia
imagistică de elecŃie în diagnosticul şi evaluarea leziunilor
condrale. SecvenŃele standard T1 fast-spin nu sunt sensibile în
evaluarea leziunilor cartilajului articular, însă secvenŃele T2
fast-spin şi T1 densitate protonică cu supresie a grăsimii sunt
atât specifice cât şi senzitive în decelarea leziunilor
cartilajului articular. Cea mai mare specificitate este la nivelul
cartilajului articulaŃiei femuropatelare datorită grosimii
cartilajului. În imaginile T1 cu supresie a grăsimii cartilajul se
evidenŃiază mai intens comparativ cu lichidul articular şi osul
subcondral, iar imaginile T2 fast-spin permit şi diferenŃierea de
structurile moi (meniscuri, ligamente). În ultimii ani s-au
dezvoltat noi tehnici RMN care să crească acurateŃea diagnosticului
leziunilor condrale, tehnici ce se bazează pe injectarea unor
substanŃe de contrast ce modifică proprietăŃile magnetice ale
diferitelor componente ale matricii cartilajului. Cea mai folosită
tehnică este cea în care se foloseşte Gadolinium care permite
măsurarea conŃinutului de glicozaminoglicani ai cartilajului:
dGEMRIC. Examinarea artroscopică a genunchiului rămâne standardul
de aur în diagnosticarea şi evaluarea leziunilor cartilajului
articular. Examenul artroscopic permite evaluarea suprafeŃei
cartilajului, a rezistenŃei la presiune, dar mai ales a mărimii şi
profunzimii zonei leziunii condrale. RezistenŃa cartilajului la
presiune se
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
7
efectuează cu ajutorul exploratorului, şi se referă la forŃă cu
care acesta este împins înapoi după ce presiune a încetat.
PersistenŃa unei depresiuni condrale este semn de „înmuiere” a
cartilajului. Artroscopic se evaluează şi culoarea cartilajului
care normal este albă, lucioasă, cu uşoară tentă gălbuie.
Cartilajul artrozic are o culoare gălbuie marcată, este mat. La
examinarea artroscopică suprafaŃa cartilajului este netedă,
lucioasă, o fără discontinuităŃi. Pierderea luciului, prezenŃa unor
depresiuni, fisuri, fibrilaŃii, delaminări sunt semne de leziune.
De asemenea, o zonă de îngroşare a cartilajului, depresibilă la
examinarea cu exploratorul, este semnul unei leziuni profunde:
„blister”. Pot fi observate depuneri pe suprafaŃa cartilajului:
sânge care poate fi îndepărtat cu exploratorul în cazul unei
hemartroze, cristale de oxalat de calciu în artropatia gutoasă la
suprafaŃa sau în masa cartilajului. Modificări ale formei şi
conturului suprafeŃelor articulare în fracturi, osteocondrită,
precum şi prezenŃa de osteofite marginale în artroză pot fi
observate în cursul examinării artroscopice a genunchiului.
Evaluarea artroscopică a unei leziuni condrale include în primul
rând localizarea acesteia. SuprafaŃa leziunii (aria) se exprimă în
cm2 şi este măsurată cu ajutorul marcajelor de pe explorator.
Adâncimea (profunzimea) leziunii se evaluează introducând şi
apăsând exploratorul sistematic în diferite zone ale leziunii,
făcându-se astfel diferenŃa între leziunile superficiale, cele care
ajung în straturile profunde şi cele care ating osul subcondral. De
asemenea, se evaluează forma marginilor: drepte, neregulate,
teşite, dar mai ales se testează stabilitatea acestora pentru a se
putea determina limita cartilajului articular normal perijacent
leziunii. Capitolul 5 prezintă sisteme de clasificare a leziunilor
cartilajului articular. Sunt trecute în revistă multiple
clasificări ale leziunilor cartilajului articular. În prezent, este
folosită frecvent clasificarea Outerbridge, care deşi a fost
iniŃial un sistem de gradare a leziunilor condrale ale patelei, a
fost extrapolată pentru a grada leziuni condrale şi în celelalte
regiuni ale genunchiului. AcurateŃea faŃă de explorarea prin
artrotomie este în jur de 70%, între 65% şi 85% faŃă de evaluarea
RMN, cu o bună acurateŃe interobservatori.
Cea mai larg acceptată şi utilizată clasificare este inclusă în
sistemul ICRS (International Cartilage Repair Society) de Evaluare
Clinică a Leziunilor Cartilajului ce a fost dezvoltat de boardul
societăŃii în timpul ICRS 2000 Standarde Workshop. Constă în două
părŃi: partea pacientului şi partea chirurgului. Partea chirurgului
cuprinde şi un Formular de Examinare a Genunchiului- IKDC 2000,
precum şi Sistemul de mapping al Leziunilor Cartilajului Articular
ICRS, Clasificarea Leziunilor Cartilajului Articular ICRS,
Clasificarea Osteocondritis disecans ICRS şi Sistemul de Evaluare a
Reparării Cartilajului ICRS. După apariŃie, acest sistem de
clasificare s-a impus pentru evaluarea leziunilor cartilajului
articular al genunchiului, reprezentând un sistem unitar, complex
şi reproductibil de evaluare. Principalele acuze care i se aduc se
referă la limitele date de Formularul IKDC şi timpul îndelungat
necesar completării. În Anexa 1 este prezentat acest formular în
traducere personală.
Capitolul 6 prezintă incidenŃa şi prevalenŃa leziunilor
cartilajului articular. Valoarea reală a incidenŃei leziunilor
cartilajului articular este necunoscută. Se consideră că multe
leziuni condrale sunt asimptomatice şi evoluează fie spre
vindecare, fie spre agravare şi în acest caz după o perioadă de
timp va apărea simptomatologia. De asemenea, leziuni condrale
posttraumatice pot fi „mascate” de alte leziuni asociate: rupturi
meniscale, instabilităŃi ligamentare, etc., având în vedere şi
capacitatea redusă a radiografiilor şi a rezonanŃei magnetice
nucleare de a le diagnostica. Artroscopia diagnostică poate în
fazele iniŃiale să subdiagnosticheze sau
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
8
subgradeze o leziune condrală care să evolueze în timp. Între 5
şi 10% din pacienŃii cu hemartroză acută posttraumatică a
genunchiului pot avea leziuni condrale profunde (în toată grosimea
cartilajului). Deşi nu se cunoaşte incidenŃa reală a leziunilor
cartilajului articular, se pare că există un număr semnificativ de
pacienŃi cu leziuni condrale simptomatice.
Pentru a evalua prevalenŃa leziunilor cartilajului articular la
pacienŃii examinaŃi
artroscopic în Sibiu am revăzut şi analizat datele culese de la
pacienŃii care au fost supuşi unei intervenŃii artroscopice în
Sibiu, în perioada 01 ianuarie 2005 – 30 iunie 2009, în scopul
evaluării frecvenŃei şi repartiŃiei leziunilor cartilaginoase ale
genunchiului. Lotul de studiu a cuprins un număr de 1058 de
pacienŃi cu 1062 de intervenŃii chirurgicale artroscopice.
PacienŃii au fost evaluaŃi clinic, radiografic şi RMN (unii),
efectuându-se apoi intervenŃia chirurgicală artroscopică cu scop
explorator şi terapeutic. Datele clinice ale pacienŃilor au fost
culese din fişele de urmărire ale pacienŃilor completate la
momentul operaŃiei şi din bazele de date. Datele astfel obŃinute au
fost introduse într-un tabel Excel şi prelucrate statistic. În
această analiză nu s-a urmărit evoluŃia postoperatorie a
pacienŃilor, neexistând date sistematizate despre evoluŃia
leziunilor condrale decelate artroscopic. Au fost introduşi în
această analiza toŃi pacienŃii supuşi unei intervenŃii artroscopice
la nivelul genunchiului în perioada precizată, astfel încât datele
colectate sunt de la pacienŃi consecutivi, neexistând criterii de
excludere din studiu. Dintre cei 1062 de pacienŃi (considerând
număr de proceduri) examinaŃi artroscopic 610 prezentau leziune de
menisc intern, 249 leziune de menisc extern, 318 leziune LIA, 4
leziune LIP, 24 chist popliteu, 145 bridă sinovială mediopatelară
cicatriceală, 258 sinovită, 151 leziuni de artroză în mai mult de
un compartiment, 48 corpi liberi intraarticulari şi 549 leziuni
condrale în cel puŃin un compartiment. Vârsta medie a pacienŃilor a
fost de 38 de ani, având ca limite 11 şi respectiv 87 de ani. Din
cei 86 pacienŃi cu vârsta sub 19 ani operaŃi, doar 29 adică 33,7%
prezintă leziuni ale cartilajului articular, iar din cei 278 cu
vârsta 20-29 de ani, 88 pacienŃi, adică 31,6% prezentau leziuni
condrale. Dintre cei 273 pacienŃi de 30-39 ani, 139 pacienŃi, adică
50,9% au prezentat leziuni ale cartilajului articular. 62,9% dintre
pacienŃii de 40-49 ani (105 din 167 pacienŃi operaŃi), 74,2% dintre
pacienŃii de 50-59 ani (135 din 182 pacienŃi operaŃi), 75% dintre
pacienŃii de 60-69 ani (36 din 48 pacienŃi), şi 56% (14 din 25) din
pacienŃii cu vârsta cuprinsă între 70-79 de ani au prezentat
leziuni ale cartilajului articular în cel puŃin o localizare la
nivelul genunchiului operat. Creşterea prevalenŃei leziunilor
condrale cu vârsta poate fi explicată prin creşterea procentuală a
leziunilor artrozice. Procentul mai mic pentru grupa de vârsta
70-79 de ani poate fi explicat prin indicaŃia de artroscopie,
procentual mai puŃine emondaje articulare pentru leziuni artrozice
şi probabil mai multe artroplastii. Procentul de 100% (3 pacienŃi)
al populaŃiei peste 80 ani nu are nici o semnificaŃie statistică.
Analiza datelor obŃinute arată o prevalenŃă mai mare a leziunilor
cartilajului articular procentual la bărbaŃi comparativ cu femei în
grupele de vârstă 20-50 de ani, concomitent cu un număr mai mare de
intervenŃii artroscopice efectuate la bărbaŃi – 516 comparativ cu
202 intervenŃii la pacienŃii de sex feminin în aceleaşi grupe de
vârstă. După 50 de ani, procentul leziunilor condrale descoperite
artroscopic devine mai mare la femei comparativ cu bărbaŃii din
aceleaşi grupe de vârstă, concomitent cu inversarea şi a raportului
numărului de intervenŃii chirurgicale efectuate (152 femei vs 106
bărbaŃi).
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
9
Dintre cei 549 pacienŃi cu leziuni condrale 162, adică 29,5% au
prezentat mai mult de o leziune (leziuni în diferite zone
anatomice), ceea ce reprezintă 15,25% din totalul pacienŃilor.
Creşterea procentului de pacienŃi cu mai mult de o leziune dintre
pacienŃii cu leziuni condrale odată cu vârsta arată nu doar
creşterea leziunilor condrale cu vârsta, ci şi extinderea mai mare
a acestora la nivelul genunchiului. Datele pe care le deŃinem nu au
permis evaluarea suprafeŃei reale a defectului condral datorită
lipsei înregistrării acesteia pentru un număr mare de pacienŃi,
ceea ce face imposibilă realizarea unei corelaŃii suprafaŃă -
vârstă pe seria prezentată. Analiza prezenŃei leziunilor de
cartilaj „în oglindă” arată creşterea acestora funcŃie de vârstă.
Datele achiziŃionate arată o prevalentă mai mare a leziunilor în
oglindă din articulaŃia patelo-femurală comparativ cu articulaŃia
femuro-tibială, fiind cel puŃin la valori duble pentru grupele de
vârstă 20-70 de ani. Un alt factor analizat a fost prevalenŃa
leziunilor cartilajului articular la pacienŃii cu leziuni meniscale
sau ligamentare ale genunchiului operat. Din totalul de 1062 de
pacienŃi, 610 pacienŃi au prezentat o leziune a meniscului intern.
Dintre aceştia, 63,3% au prezentat concomitent şi o leziune
condrală. Dintre cei 250 de pacienŃi cu leziune de menisc extern,
52,4% au prezentat şi o leziune a cartilajului articular, iar
dintre cei 318 cu leziune a ligamentului încrucişat anterior 37,7%
au prezentat o leziune condrală. Asocierea frecventă dintre aceste
leziuni şi leziunile cartilajului articular poate fi una dintre
cauzele pentru care leziunile condrale sunt subdiagnosticate
clinic, simptomatologia putând fi mascată de aceste condiŃii
patologice. Pe de altă parte, în lotul de studiu 549 de pacienŃi au
prezentat leziuni ale cartilajului articular. Dintre aceştia, 386
de pacienŃi, adică 70,3%, prezentau şi o leziune a meniscului
intern, 131 de pacienŃi, adică 23,8% prezentau şi o leziune de
menisc extern şi 120, adică 21,8% prezentau şi o leziune a
ligamentului încrucişat anterior. În ceea ce priveşte localizarea
leziunilor condrale la nivelul genunchiului, analiza efectuată a
arătat că dintre pacienŃii cu leziuni condrale 171 adică 16,10% au
prezentat leziuni la nivelul patelei, 42 la nivelul faŃetei
laterale şi 150 la nivelul faŃetei articulare mediale 88 de
pacienŃi 8,28% au prezentat leziuni condrale la nivelul trohleei,
dintre care 79 la nivelul versantului medial şi 17 la nivelul
versantului lateral. La nivelul condililor femurali 343 de pacienŃi
32,29% au prezentat leziuni ale cartilajului, 331 la nivelul
condilului intern şi 59 la nivelul condilului extern. 238 de
pacienŃi 22,41% au prezentat leziuni la nivelul platoului tibial,
dintre care 199 la nivelul hemiplatoului extern şi 201 la nivelul
hemiplatoului intern. Din aceste date se remarcă frecvenŃa mare a
leziunilor cartilajului articular la nivelul condilului femural
medial de 31,17% din totalul pacienŃilor, având o diferenŃă
statistic semnificativa faŃă de leziunile de la nivelul
articulaŃiei femuropatelare. Dintre cei 549 de pacienŃi cu leziuni
condrale, 162 de pacienŃi adică 29,5% au prezentat leziuni în mai
mult decât o locaŃie. Din aceştia, 100 pacienŃi au prezentat
leziuni în oglindă în articulaŃia femuropatelară şi 46 au prezentat
leziuni în oglindă în articulaŃia femuro-tibială. Deci, din totalul
de 1062 de pacienŃi, 146 de pacienŃi (13,74%) au prezentat leziuni
în oglindă, leziuni care restrâng mult posibilitatea reconstrucŃiei
chirurgicale a cartilajului lezat. Din datele analizate se constată
predominanŃa leziunilor condrale la nivelul condililor femurali la
toate grupele de vârstă cu excepŃia intervalului 40-49 de ani, când
predomină leziunile de la nivelul platoului tibial. Leziunile de la
nivelul trohleei femurale sunt cele mai puŃin numeroase. Nu s-au
găsit diferenŃe statistic semnificative inter grupele de vârstă
referitor la localizarea leziunilor condrale de la nivelul
genunchiului.
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
10
Pe seria analizată s-au diagnosticat artroscopic 128 de leziuni
stadiu IA şi IB ICRS, 355 de leziuni stadiu II ICRS, 332 leziuni
stadiu IIIA şi IIIB ICRS şi 263 de leziuni stadiu IIIC şi IV ICRS.
Dacă din leziunile stadiu III şi IV ICRS le scădem pe cele ale
pacienŃilor cu mai mult decât o leziune (162) şi considerăm că
aceştia au leziunile de tip III şi IV, obŃinem cel puŃin 271
pacienŃi cu acest grading al leziunii, ceea ce reprezintă 25,52 %
din totalul pacienŃilor.
La 118 dintre pacienŃii analizaŃi s-au efectuat microfracturi
Steadmann, la 272 condroplastie prin abraziune sau abrazarea
cartilajului articular şi la 9 pacienŃi s-a efectuat transplant
osteocondral autolog. În concluzie, analizând rezultatele obŃinute
din acest studiu se constată frecvenŃa mai mare la sexul masculin
şi în decada a 5-a de vârstă, o prevalenŃă mai mare la nivelul
genunchiului drept (nesemnificativ statistic), o predominanŃă a
leziunilor meniscului intern, o asociere mai frecventă a leziunilor
de cartilaj cu leziuni de menisc intern şi o afectare mai frecventă
a cartilajului de la nivelul compartimentului intern al
genunchiului. Deşi au fost mai mulŃi bărbaŃi operaŃi artroscopic în
lotul nostru, procentual mai frecvent femeile au prezentat leziuni
condrale. Capitolul 7 prezintă tratamentul leziunilor cartilajului
articular. Primul subcapitol prezintă modalităŃile de tratament
medicamentos al leziunilor cartilajului articular. Sunt prezentate
ca indicaŃii şi mod de acŃiune condroitin sulfatul şi glicozamina,
acidul hialuronic, antiinflamatoarele steroidiene şi nesteroidiene,
precum şi substanŃe moderne ca inhibitorii de metaloproteinaze
matriceale şi factorii de creştere şi inhibitorii de citokine.
Următorul subcapitol prezintă metodele de tratament chirurgical a
leziunilor cartilajului articular. Mai mulŃi factori trebuie luaŃi
în considerare pentru a se lua o decizie în vederea tratării
leziunii cartilajului articular: suprafaŃa, profunzimea,
localizarea, istoricul, leziunile asociate, stabilitatea
genunchiului, leziuni meniscale, axele mecanice ale membrului,
vârsta pacientului şi nu în ultimul rând solicitările funcŃionale
ale pacientului. Examenul RMN, Clasificarea Outerbridge, Sistemul
de Evaluare ICRS sunt foarte utile pentru alegerea metodei
terapeutice de ales. Scaglione et Al. a împărŃit procedurile de
reparare a cartilajului în primare – proceduri simple care pot fi
efectuate artroscopic ca prima linie de tratament şi secundare –
care sunt mai complexe şi au ca scop refacerea durabilă a
suprafeŃei cartilajului.
Procedurile primare în chirurgia cartilajului articular cuprind:
lavajul şi debridarea cartilajului articular, utile pentru
pacienŃii cu solicitări mecanice ale articulaŃiei reduse şi cu
leziuni unice şi relativ reduse ca suprafaŃă şi care nu doresc să
urmeze un tratament recuperator de durată, proceduri prin care se
spală mediatorii inflamatori care întreŃin agresiunea asupra
cartilajului, epanşamentul articular şi durerea, cu rezultate
relativ reduse prin folosirea izolată a acestei metode; tehnicile
de stimulare a blaştilor prin care se produce sângerarea osului
subcondral la nivelul leziunii cu aducerea de blaşti care vor formă
fibrocartilajavând avantajul simplităŃii efectuării,
instrumentaŃiei comune şi timpul redus necesar pentru efectuare.
Principalul dezavantaj este legat de repararea defectului
cartilaginos prin fibrocartilaj, ceea ce limitează în timp
rezultatul obŃinut datorită proprietăŃilor inferioare ale
fibrocartilajului faŃă de cartilajul hialin. Tehnicile de stimulare
a blştilor utilizate frecvent sunt Condroplastia prin abraziune
care foloseşte o freză pentru a îndepărta osul subcondral şi a
induce sângerare în leziunea condrală, Forajele Pridie care umăresc
realizarea unor găuri în patul osos al leziunii prin care să se
producă sângerarea şi în
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
11
prezent cea mai larg folosită este tehnica microfracturilor
Steadmann care utilizează nişte Ńepuşe mici. IndicaŃiile principale
sunt pentru pacienŃii tineri cu defecte sub 2 cm2 şi pacienŃii cu
necesităŃi funcŃionale mai reduse şi leziuni sub 4 cm2. Rezultate
mai puŃin bune la pacienŃii cu leziuni degenerative difuze, mai
ales ‚în oglindă şi în leziunile condrale de la nivelul patelei.
Procedurile secundare în chirurgia cartilajului articular cuprind
Transplantul Osteocondral Autolog care este o procedură prin care
se prelevează unul sau mai mulŃi cilindri osteocondrali dintr-o
zonă donoare şi se implantează în zona defectului
cartilaginos(tehnica va fi dezvoltată pe larg in capitolul 8) şi
Implantarea de Condrocite Autologe prin care se realizează
regenerarea cu cartilaj de tip hialin (hialin-like) cu ajutorul
unor condrocite cultivate in vitro, metodă din ce în ce mai mult
utilizată. Tehnica presupune o primă intervenŃie prin care se
recoltează condrocite pentru culturi şi după dezvoltarea acestora
in vitro o nouă intervenŃie chirurgicală prin care se umple
defectul cartilaginos cu aceste celule, contenŃia lor în defect
realizându-se cu ajutorul unor membrane de periost sau colagen.
Variante noi ale acestei tehnici tehnici constau în utilizarea unor
matrice solide 3D de acid hialuronic sau colagen pe care aderă
condrocitele cultivate, reducându-se astfel durata intervenŃiei
chirurgicale şi eliminându-se unele complicaŃii legate de metodele
de menŃinere a culturilor de condrocite le locul defectului,
matricea nu mai necesită suturarea la nivelul defectului. Prin
această tehnică se pot acoperi defecte de 2-8 cm2. Prezintă
avantajul de a putea obŃine şi deci acoperi zone mai extinse de
cartilaj, precum şi absenŃa riscului de transmitere de boli de la
donatori. Alogrefele osteocondrale sunt folosite ca o procedură de
salvare pentru a reface o porŃiune a articulaŃiei distrusă în urma
unui traumatism. Această tehnică este folosită pentru a acoperi
defecte mari, >8 cm2. În principal, o porŃiune a condilului
donatorului este transplantată în zona ariei de cartilaj distruse a
primitorului. Avantajul acestei tehnici constă în posibilitatea
acoperirii unor defecte mari.
Procedeele combinate cuprind o serie de variante alcombinate ale
tehnicilor prezentate mai sus. Între acestea amintesc Stimularea
blaştilor susŃinută de matrici 3D de colagen care utilizează o
matrice 3D aşezată la nivelul defectului cartilaginos (ca în
tehnica ACI) după ce s-au practicat microfracturi, realizându-se
astfel impregnarea matricii cu blaşti, în acest mod inducându-se o
diferenŃiere accentuată a acestora în cartilaj şi acoperirea mai
rapidă a defectului. Dorotka publică în 2005 o variantă a acestei
tehnici prin care realizează microfracturi în patul primitor pe
care aşează matricea (AMIC) impregnată cu condrocite autologe de
cultură, grăbind astfel timpul de vindecare şi obŃinând un cartilaj
de tip hialin-like. Matricile funcŃionale mecanic impregnate cu
condrocite şi blaşti care utilizează acelaşi principiu ca şi
tehnica lui Dorotka, şi anume instrucŃia celulară. Acest concept în
dezvoltare se referă la maturarea accelerată a blaştilor aşezaŃi
într-o matrice impregnată cu condrocite de cultură. Sunt utilizate
matrici de colagen în forma cilindrilor din transplantul autolog
care au avantajul oferirii unui bun suport mecanic (spre deosebire
de membrana 3D din ACI) impregnat cu condrocite de cultură
prelevate de la donor. Odată implantaŃi după tehnica mozaicplastiei
la nivelul defectului condral, aceşti cilindri vor fi colonizaŃi de
blaşti de la nivelul osului perijacent. Procedurile adjuvante
pentru repararea cartilajului articular urmăresc refacerea axului
mecanic al membrului pentru a elimina solicitările anormale de la
nivelul cartilajului articular, va trebui refăcută stabilitatea
articulaŃiei în cazul leziunilor ligamentare pentru a elimina
astfel mişcările anormale care supun cartilajul articular la un
stres mecanic crescut nefiziologic. În cazul leziunilor meniscale
este binecunoscută importanŃa efectuării unor meniscectomii
economice, a reparării acestora şi trebuie
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
12
luată în considerare posibilitatea efectuării unui transplant
meniscal cu rol protectiv. Dintre tehnicile chirurgicale adjuvante
dar importante pentru repararea leziunilor cartilajului articular
şi pentru menŃinerea funcŃiei cartilajului sunt amintite Osteotomia
tibială înaltă, Osteotomia femurală distală, Chirurgia meniscului
şi nu în ultimul rând Stabilizarea ligamentară.
Ultimul subcapitol prezintă câteva noŃiuni de recuperare
funcŃională a articulaŃiei genunchiului. Capitolul 8 prezintă
principiile şi tehnica chirurgicală a transplantului osteochondral
autolog. Transplantul Osteocondral Autolog este o procedură prin
care se prelevează unul sau mai mulŃi cilindri osteocondrali
dintr-o zonă donoare şi se implantează în zona defectului
cartilaginos. Tehnica a fost promovată din 1997 de Hangody sub
denumirea de Mozaicplastie. În prezent au apărut mai multe variante
tehnice, s-au modificat dimensiunile cilindrilor osteocondrali,
etc: Overlapping; transplantul unui singur cilindru osteocondral
care să umple defectul, recoltat din partea posterioară a
condililor femurali sau ca alogrefă; etc. Tehnic, se recoltează mai
mulŃi cilindri osteocondrali (de 15 sau 25 mm lungime) dintr-o zonă
neportantă a genunchiului (versant lateral sau medial al trohleei
sau din preajma notchului - un număr variabil şi de dimensiuni
variabile în aşa fel încât să se acopere suprafaŃa defectului cât
mai bine – cu un instrumentar special. În următorul timp operator
se prelucrează zona primitoare (a defectului condral) până în
cartilaj perijacent sănătos şi de asemenea se prelucrează suprafaŃa
osului subcondral şi se practică nişte găuri în osul subjacent în
care se vor introduce cilindri osteocondrali recoltaŃi anterior.
Tunelul receptor este creat cu 2 mm mai puŃin adânc decât lungimea
cilindrului osteocondral. Este importantă forarea tunelului
perpendicular pe suprafaŃa cartilajului, ceea ce va permite
inserŃia congruent a cilindrului, precum şi realizarea congruenŃei
dintre grefon şi suprafaŃa cartilajului perijacent. Defectul
cartilaginos trebuie să fie acoperit cât mai bine, de aceea
distanŃa între cilindri trebuie să fie cât mai mică, fără însă a
sacrifica stabilitatea cilindrilor care prin integrare trebuie se
refacă curbura fiziologică a segmentului primitor (condil femural,
dom astragalian, cap humeral, etc.). CongruenŃa suprafeŃei
cartilajului este foarte importantă în integrarea grefonului şi
proprietăŃile mecanice ale acestuia, şi prin urmare în rezultatul
funcŃional al transplantului. După cum arată mai multe studii
cartilajul hialin autolog supravieŃuieşte transplantării, ceea ce
duce la acoperirea suprafeŃei defectului condral cu cartilaj hialin
de calitate. Poate cel mai mare avantaj al acestei tehnici este că
datorită transplantării cartilajului împreună cu osul subcondral se
păstrează interfaŃa cartilaj-os în urma transplantării, ceea ce
asigură baza fiziologică pentru obŃinerea de durată a unui cartilaj
de calitate. De asemenea, în cazul transplantului autolog grefa
este protejată de reacŃia imunologică de respingere şi nu prezintă
risc de transmitere a unor boli virale. Avantajele tehnicii constau
în posibilitatea efectuării într-un singur timp operator,
posibilitatea efectuării chiar dacă există leziuni ale osului
subcondral (osteocondrită, leziuni degenerative), costul redus,
timp mai redus de recuperare comparativ cu implantul de condrocite
autologe. Dezavantajele metodei constau în principal în efecte
adverse legate de zona donoare şi de limitarea suprafeŃei care
poate fi acoperită datorită limitării zonei de unde se pot recolta
cilindri. Pe de altă parte, cilindrii osteocondrali de transplantat
trebuie să refacă forma osoasă şi cartilaginoasă a defectului. De
asemenea, există posibilitatea obŃinerii unei vindecări incomplete
a cartilajului transplantat.
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
13
IndicaŃia actuală principală a acestei tehnici este pentru
defectele condrale de la nivelul condililor femurali (suprafaŃa de
sprijin) cu aria de 2-4 cm2, la pacienŃii activi, dar şi la
pacienŃi până la 50 de ani. Este necesar tratamentul concomitent al
instabilităŃii ligamentare, deformărilor în var/valg şi al
rupturilor meniscale. De asemenea, tehnica este folosită în
Osteocondrita Disecantă stadiile II şi IV ICRS, în care permite
refacerea şi a capitalului osos în aceeaşi etapă. Metoda este
folosită cu succes şi în leziunile domului astragalian, ale capului
humeral şi femural, în osteocondrita disecantă a capitelului, şi cu
rezultate mai puŃin bune în leziunile condrale ale patelei.
ContraindicaŃiile tehnicii sunt: tumori, infecŃii, lipsa unei arii
donoare de cartilaj sănătos, poliartrita reumatoidă, artroză,
vârsta peste 50 de ani, aria defectului peste 8 cm2 după Hangody,
peste 4 cm2 după alŃi autori, defect osos subcondral peste 1 cm
adâncime, pacient noncompliant.
IntervenŃia poate fi efectuată prin artrotomie, miniartrotomie
sau artroscopic în funcŃie de mărimea şi poziŃia defectului condral
şi experienŃa chirurgului.
Următorul subcapitol prezintă pe larg variantele tehnice
descrise mai sus, ilustrate cu cazuri clinice ale autorului.
Capitolul 9 prezintă o analiză prin Metoda Elementului Finit a
comportării la încărcare statică a femurului uman la nivelul căruia
a fost realizat un transplant osteocondral autolog. Primul
subcapitol prezintă principii generale ale modelării numerice a
corpurilor şi noŃiuni despre metoda elementului finit, algoritmul
matematic folosit pentru modelarea geometrică a corpurilor
tridimensionale, precum şi constantele biologice ale osului uman.
Pentru a putea efectua analiza prin metoda elementului finit a
comportării mecanice a femurului uman la compresiune am realizat
scanarea unui femur recoltat de la cadavru cu ajutorul scanerului
tridimensional NextEngine Scan 3D. Imaginile brute obŃinute au fost
prelucrate cu programul Next Engine, obŃinându-se imagini
tridimensionale ale osului din diferite poziŃii. Premergător
scanării pe suprafaŃa osului a fost aplicată o pulbere mată care să
evite reflecŃia luminii laserului în procesul de scanare şi o suită
de puncte care să permită corelarea poziŃiei imaginilor pentru
reconstrucŃia computerizată a acestuia. Rezultatul este un model 3D
cu extensia .iges (Interface Geometric Elementary Surfaces) care
ulterior a fost prelucrat cu ajutorul programului Catia şi exportat
în programul de analiză prin metoda elementului finit Ansys. După
împărŃirea segmentului osos scanat în elemente finite
(discretizare) s-a efectuat analiza teoretică a deformărilor
femurului scanat în condiŃiile aplicării unei forŃe axiale de
compresiune. Pentru a putea efectua analiza comportării mecanice a
femurului uman la compresiune în condiŃii de transmitere a forŃelor
cât mai apropiate de condiŃiile in vivo am realizat scanarea şi a
unei tibii umane recoltate de la acelaşi cadavru şi prelucrată în
acelaşi mod, apoi am realizat un ansamblu femur-tibie scanate,
ansamblu care a fost importat în Ansys.
Analiza a fost efectuată pentru cilindri osteocondrali cu
lungimea de 20 mm şi diametrul de 8 mm şi 6 mm. Cilindrii au fost
prelevaŃi de la nivelul marginii laterale şi dacă a fost necesar şi
mediale a trohleei femurale şi au fost transplantaŃi la nivelul
condilului femural intern în zona de încărcare maximă. Atât pentru
sensibilizarea rezultatelor cât şi din raŃiuni tehnice nu au fost
luate în considerare meniscurile şi influenŃa lor asupra
repartizării presiunilor la nivelul articulaŃiei tibiofemurale,
încărcarea fiind făcută cu contact direct femur – tibie. Pentru
cilindrul cu diametrul de 8 mm au fost simulate cazurile în care a
fost necesară transplantarea a 1, 2, 3, 4 şi 6 cilindri. Aria
aproximativă care se acoperă cu 4 cilindri este de 2 cm2, iar cu 6
cilindri
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
14
de 4 cm2. Pentru cilindri cu diametrul de 6 mm am efectuat
analize pentru 6, respectiv 9 cilindri transplantaŃi, ceea ce
corespunde cu aproximativ 2 cm2 şi 4 cm2.
În continuare, am aplicat o forŃă de-a lungul axului mecanic al
ansamblului, considerând punct fix (constrângere) la nivelul
secŃiunii prin diafiza tibială. ForŃa aplicată a fost de 1.200 N,
cu scopul de a păstra o limită de siguranŃă în ceea ce priveşte
stabilitatea grefonului utilizat pentru analizele ulterioare,
această valoare corespunzând unui om de 120 kg în sprijin unipodal.
Simularea efectuată în Ansys a permis analiza la încărcarea cu
1.200 N a mai multor parametri în orice punct de la nivelul masei
osoase a femurului şi cilindrului osteocondral transplantat. Am
evaluat astfel: DeformaŃia echivalentă, Deplasarea totală,
Tensiunea principală, Tensiunea echivalentă Sigma von Mises, precum
şi factorul de siguranŃă. Rezultatele simulării prin metoda
elementului finit în cazul transplantării unui singur cilindru, 2,
3, 4 şi 6 cilindri de 8 mm diametru arată că tensiunile maxime în
acest caz apar la nivelul suprafeŃei transplantului osteocondral.
Aceleaşi rezultate sunt obŃinute pentru şi pentru tensiunea
principală. Cu toate acestea, deplasarea principală se află la
nivelul diafizei femurale, la nivelul zonei de transplant
deplasările fiind minime. Tensiunea echivalentă von Mises are
valoarea maximă la nivelul suprafeŃei cilindrului în cazul
situaŃiei cu un singur cilindru şi la nivelul peretelui dintre
tunelurile primitoare în cazul transplantării mai multor cilindri.
În cazul transplantării a 6 şi 9 cilindri cu diametrul de 6 mm
rezultatele simulării prin metoda elementului finit arată că
tensiunile maxime în acest caz apar la nivelul suprafeŃei
transplantului osteocondral. Aceleaşi rezultate sunt obŃinute
pentru tensiunea principală. Tensiunea echivalentă von Mises are
valoarea maximă la nivelul peretelui dintre tunelurile primitoare.
Deplasarea principală se află la nivelul diafizei femurale, la
nivelul zonei de transplant deplasările fiind minime Analiza
comparativă a modelelor cu cilindri de 8 mm diametru arată că
deformaŃia echivalentă maximă a femurului osos cu valoarea de
0,0026941 mm/mm a fost obŃinută în cazul transplantării unui singur
cilindru la nivelul suprafeŃei cilindrului osteocondral
transplantat, iar în cazul transplantării a 2, 3, 4 sau 6 cilindri
a avut valori de 0,0042343 mm/mm - 0,008189 mm/mm, fără să existe o
creştere a valorii cu creşterea numărului de cilindri transplantaŃi
şi fiind situată în masa condililor femurali la nivelul pereŃilor
dintre cilindri primitori. Deplasarea maximă obŃinută la nivelul
femurului distal a avut valori între 2,173 mm şi de 2,3719 mm,
fiind situată la nivelul diafizei femurale şi având valoare minimă
la nivelul suprafeŃei articulare a condililor femurali. Tensiunea
principală a fost obŃinută la nivelul suprafeŃei transplantului în
toate simulările efectuate şi a avut valori între 44,021 Mpa şi
88,648 Mpa. Tensiunea echivalentă totală sigma von Mises a fost de
50,111 Mpa, obŃinută la nivelul suprafeŃei cilindrului osteocondral
transplantat în cazul transplantării unui singur cilindru şi între
78,757 Mpa şi 140,85 Mpa în cazul transplantării a 2 – 6 cilindri,
obŃinută la nivelul pereŃilor dintre tunelurile primitoare şi având
în acest caz valori sub 50 Mpa la nivelul suprafeŃei cilindrilor
osteocondrali transplantaŃi. Factorul de siguranŃă are deci în
aceste simulări valoare subunitară la nivelul cilindrilor
transplantaŃi, ceea ce arată că aceştia nu colapsează sub
încărcarea la care au fost supuşi. Valorile parametrilor analizaŃi
variază şi în funcŃie de poziŃionarea celor două oase unul faŃă de
celălalt şi a cilindrilor la nivelul femurului distal. VariaŃia
acestora chiar în condiŃiile menŃinerii celorlalŃi parametri
anatomici şi biomecanici ai modelului vor genera valori ale
tensiunilor şi deformaŃiilor diferite. Aceşti parametri au valori
apropiate, ceea ce arată un comportament similar al modelului în
toate simulările teoretice efectuate.
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
15
Analiza comparativă dintre modelele cu diametrul cilindrilor de
6 mm şi 8 mm care acoperă suprafeŃe ale defectului condral similare
(de 2 cm2, respectiv de 4 cm2) arată că deformaŃia echivalentă
maximă a femurului osos a fost obŃinută în toate analizele la
nivelul suprafeŃei cilindrului osteocondral transplantat şi are
valori cu aproximativ 0,002 mm/mm mai mari în cazul cilindrilor cu
diametrul de 6 mm faŃă de cei cu diametrul de 8 mm. Deplasarea
totală maximă obŃinută la nivelul femurului distal a fost de
aproximativ 2,2 mm, obŃinută la nivelul diafizei femurale şi minimă
la nivelul suprafeŃei articulare a condililor femurali în toate
simulările analizate. Tensiunea principală a fost obŃinută la
nivelul suprafeŃei transplantului în toate simulările efectuate şi
a avut valori de aproximativ 68 Mpa în cazul cilindrilor cu
diametrul de 8 mm şi de peste 111 Mpa în cazul cilindrilor de 6 mm
diametru. Tensiunea echivalentă totală sigma von Mises a fost
obŃinută la nivelul masei condililor femurali în toate cele 4
analize evaluate aici şi a avut valori cu aproximativ 50 Mpa mai
mari în analizele corespunzătoare (suprafeŃe echivalente) în cazul
cilindrilor cu diametrul de 6 mm faŃă de cele cu cilindri cu
diametru de 8 mm, ceea ce reprezintă o diferenŃă de aproximativ 1/3
în valoare absolută. În concluzie, ceea ce se observă în analizele
efectuate în primul rând este comportamentul uniform al modelelor
teoretice realizate. Deplasarea maximă totală şi tensiunea
principală au fost similare în toate analizele efectuate, iar
deformaŃia echivalentă maximă şi tensiunea echivalentă totală sigma
von Mises deşi au avut valori similare au fost localizate diferit
la nivelul modelelor teoretice realizate cu un cilindru
transplantat faŃă de cele cu mai mulŃi cilindri transplantaŃi cu
diametrul de 8 mm. Deplasarea maximă totală şi tensiunea principală
au fost similare în toate analizele efectuate, având însă valori
mai mări în cazul cilindrilor cu diametrul de 6 mm faŃă de cei cu
diametrul de 8 mm. O diferenŃă semnificativă a fost obŃinută la
nivelul tensiunii echivalente totale sigma von Mises între modelele
cu diametru de 6 mm şi 8 mm al cilindrilor transplantaŃi. Din
analiza rezultatelor obŃinute se evidenŃiază şi importanŃa
realizării corecte a transplantului osteocondral din punct de
vedere al tehnicii chirurgicale. Utilizarea Metodei Elementului
Finit în analiza comportării la încărcare axială a femurului cu
transplant osteocondral la nivelul condilului femural intern a
permis efectuarea analizei teoretice a comportării acestuia la
încărcare în întreaga masă osoasă, în orice punct al acesteia, ceea
ce aduce elemente suplimentare (faŃă de metodele clasice) pentru
înŃelegerea comportării biomecanice a zonei grefate şi a grefonului
în transplantul osteocondral autolog. Capitolul 10 prezintă
principiile generale ale instrumentarului necesar pentru efectuarea
transplantului osteocondral autolog, realizarea unui instrumentar
original şi validarea acestuia prin simulare teoretică prin metoda
elementului finit.
Realizarea unui transplant osteocondral autolog presupune
efectuarea unor paşi în timpul actului operator. După efectuarea
planningului la nivelul leziunii condrale, se trece la realizarea
efectivă a transplantului. În primul rând, este necesară recoltarea
cilindrului osteocondral de la nivelul zonei donoare care se
efectuează cu ajutorul unor preducele de diametre diferite şi care
permit prelevarea controlată la diferite lungimi ale grefonului.
Următoarea etapă constă în prelucrarea tunelului primitor la
nivelul defectului condral care se poate efectua cu un burghiu sau
freza cu diametrul corespunzător cilindrului sau cu o altă preducea
al cărei diametru exterior corespunde diametrului plugului. În cea
de-a treia etapă operatorie cilindrul osteocondral recoltat este
împins în tunelul receptor fie direct cu dispozitivul cu care a
fost recoltat, fie cu ajutorul unui alt dispozitiv special
(împingător împreună cu un ghid). Deoarece tehnica descrisă clasic
presupune că înfundarea finală a cilindrului să
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
16
fie făcută prin batere la vedere pentru a putea controla cât mai
bine obŃinerea unei suprafeŃe continue a cartilajului, pentru
această etapă e necesar un bătător cu diametrul uşor mai mare decât
cel al cilindrului şi, evident, un ciocan. În plus faŃă de aceste
dispozitive absolut necesare efectuării transplantului osteocondral
mai sunt utile şi dispozitive care permit măsurarea adâncimii
tunelului, dilatatoare ale tunelului primitor, canule pentru
menŃinerea portalurilor şi cu rol de ghiduri. Am realizat cele două
componente esenŃiale ale instrumentarului: dispozitivul pentru
recoltat grefonul osteochondral şi dispozitivul pentru efectuarea
tunelului primitor.
Dispozitivul pentru recoltarea grefonului prezintă mai multe
subansamble. Componenta principală este reprezentată de o sculă de
tip preducea care se bate în os, se răsuceşte la 180 grade, ceea ce
realizează ruperea bazei cilindrului osteocondral, şi apoi se
retrage, extrăgând grefonul. Această componentă prezintă o parte
activă şi un mâner. Partea activă este tubulară, are diametrul
interior egal cu diametrul grefei (respectiv 4, 6 sau 8 mm), la
extremitatea liberă prezintă o muchie ascuŃită ce efectuează
tăierea osului şi avansează în acesta. Partea activă este
construită din oŃel de scule OSC 10, prelucrat termic prin călire
şi revenire înaltă, şi titanizat ceea ce creşte duritatea şi
prelungeşte durata de viaŃă a acestei componente. De asemenea, la
nivelul acestei componente sunt prelucrate prin electroeroziune 4
fante longitudinale de 15 mm lungime şi 1mm lăŃime, situate la
distanŃa de 5 mm de muchia ascuŃită la 90 grade între ele pe
suprafaŃa exterioară a cilindrului, cu rol de a realiza creşterea
aderenŃei la rotire între sculă şi cilindrul osos, şi mai ales de a
permite evaluarea lungimii cilindrului osteocondral în patru axe.
Cealaltă extremitate se continuă cu mânerul. Lungimea părŃii active
este de 61 mm, lungime ce permite utilizarea dispozitivului şi în
varianta tehnică artroscopică. Mânerul piesei este în forma literei
„T”, cu braŃul lung de 120 mm lungime ce permite prinderea fermă în
pumn pentru introducerea dispozitivului în os şi cu braŃul
orizontal rigid, care rezistă la forŃele de torsiune din momentul
desprinderii bazei cilindrului osteocondral. Partea activă a
dispozitivului este continuă pe toată lungimea mânerului şi devine
vizibilă la mijlocul ramurii orizontale a acestuia unde este
elevată faŃă de mâner şi este utilă pentru a se putea bate cu
ciocanul în ea. Interiorul dispozitivului este cilindric, iar la
nivelul extremităŃii dinspre mâner este filetat pe interior.
Această filetare este necesară pentru a se angrena împingătorul de
jojă. Dispozitivul pentru recoltarea cilindrului osteocondral
prezintă şi o componentă care serveşte la eliberarea grefei în
tunelul primitor. Aceasta este alcătuită din două piese. Prima
piesă este o jojă (tijă) care se introduce dinspre partea activă a
dispozitivului înspre mâner prin interiorul acestuia, având un cap
ce se adaptează interiorului părŃii active şi se aşează pe
cartilajul cilindrului şi o coadă lungă care asigură ghidarea
piesei. Mişcarea jojei în interiorul preducelei este liberă.
Înfundarea jojei în interiorul dispozitivului este limitată de
forma interiorului acestuia, existând un pat la 30 mm de muchia
activă. Această jojă poate fi folosită şi pentru a bate direct pe
ultimii milimetri grefonul osteocondral în tunelul primitor. Joja
este împinsă înspre marginea activă a dispozitivului, împingând
astfel şi grefonul recoltat, cu ajutorul ansamblului împingătorului
de jojă. Această componentă este alcătuită dintr-o tijă filetată ce
se introduce în interiorul preducelei dinspre mâner, având la
rândul ei un mâner ce serveşte la înfiletarea manuală a
acesteia.
Dispozitivul pentru realizarea tunelului primitor al cilindrului
osteocondral este în mai multe tipuri de instrumentar înlocuit cu
un burghiu cu diametrul grefonului. Eu am preferat realizarea unui
dispozitiv similar cu cel descris pentru recoltarea grefonului.
Acest dispozitiv va avea diametrul exterior al părŃii active
corespunzător diametrului
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
17
interior al părŃii active a dispozitivului de recoltat grefonul,
cu muchia activă teşită în interior. Scopul este de a realiza un
tunel care să corespundă diametrului grefonului, permiŃând fixarea
acestuia prin press-fit. Am ales această soluŃie constructivă
deoarece consider că prezintă două avantaje. Primul ar fi
realizarea unui pat (capăt) al tunelului plan, perpendicular pe
lungimea grefonului, ceea ce creează un sprijin ferm la
solicitările la compresiune ale acestuia, opunându-se înfundării în
condiŃiile în care adâncimea tunelului primitor este aceeaşi cu
lungimea cilindrului osteocondral. Un al doilea avantaj este dat de
faptul că odată cu realizarea tunelului primitor se poate obŃine os
spongios ce poate fi grefat la nivelul zonei donoare pentru a
favoriza închiderea tunelurilor rămase.
Următorul subcapitol prezintă o analiză prin metoda elementului
finit a comportării la compresiune a instrumentarului realizat
pentru recoltarea grefelor cu diametrul de 4, 6 şi 8 mm, precum şi
cel pentru realizarea tunelelor primitoare echivalente. După
meşarea dispozitivelor, am aplicat o forŃă de 50 N în lungul axului
central al acestora, analizând comportarea la compresiune a părŃii
active. S-a analizat: deformarea maximă, deplasarea maximă,
deformarea maximă la flambaj, tensiunea echivalentă von Mises şi
factorul de siguranŃă. Rezultatele obŃinute arată că dispozitivele
rezistă la solicitările mecanice la care sunt supuse în timpul
utilizării. Toate aceste analize arată că am realizat un proiect
corect din punct de vedere mecanic pentru obŃinerea unui
instrumentar necesar efectuării transplantului osteocondral
autolog. În Anexa 2 sunt prezentate desenele de execuŃie pentru
realizarea dispozitivelor prezentate. Capitolul 11 prezintă
realizarea şi validarea teoretică prin metoda elementului finit a
unui stand experimental pentru pentru încercarea la compresiune a
articulaŃiei genunchiului, stand fixat la nivelul Maşinii de
Încercare la tracŃiune, compresiune şi flambaj Instron 5587.
Acest stand experimental a fost realizat pentru a putea efectua
diverse experimente cu ajutorul Maşinii Instron 5587. Scopul
experimentelor este de a determina proprietăŃile biomecanice ale
transplantului osteochondral, şi în special comportarea la
încărcare a acestuia. Există mai multe metode pentru determinarea
stabilităŃii primare a grefonului. În primul rând, există un grup
de metode experimentale directe care urmăresc fie înfundarea grefei
osteocondrale la compresiune, fie rezistenŃa la smulgere a acesteia
din tunelul primitor. Scopul este acela de a afla forŃa necesară
pentru mobilizarea cilindrului osteocondral, ceea ce prin
extrapolare reprezintă presiunea la care se pierde stabilitatea
mecanică a transplantului. Datele culese sunt apoi prelucrate cu
ajutorul computerului. Un al doilea grup de metode
teoretico-experimentale pentru studiul comportării elastice a
grefonului osteocondral sunt reprezentate de simulările
computerizate efectuate cu programe pe modele computerizate
osteocondrale achiziŃionate fie prin scanare directă, fie cu
ajutorul unor softuri de prelucrare a imaginilor CT, micro CT sau
RMN. După obŃinerea imaginilor computerizate, acestea vor fi
prelucrate prin metoda elementului finit. Unele dintre aceste
metode au fost utilizate pentru efectuarea analizei
comportamentului femurului prezentat în capitolul 9.
Standul este alcătuit din două dispozitive similare, fiecare
dintre acestea realizând fixarea câte unui segment osos. Partea
inferioară a acestui dispozitiv a fost montată pe masa cu canale
“T” a maşinii de încercare la Instron 5587. Partea superioară a
dispozitivului s-a montat pe traversa mobilă a aceleiaşi maşini.
Acest dispozitiv permite realizarea de studii experimentale atât pe
fiecare os de la nivelul
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
18
genunchiului separat, cât şi pe femur şi tibie simultan,
permiŃând aşezarea acestora într-o poziŃie funcŃională unul în
raport cu celălalt. De asemenea, standul de lucru permite fixarea
articulaŃiei genunchiului în diferite grade de flexie prestabilite.
De asemenea, varianta tehnică constructivă aleasă cu fixarea fermă
a segmentelor osoase şi posibilitatea poziŃionării acestora la
diferite unghiuri (care reproduc gradele de flexie ale
genunchiului) permite utilizarea sistemului şi pentru efectuarea de
teste de distracŃiune, utile pentru evaluarea rezistenŃei
ansamblului ligamentar natural sau reconstruit al genunchiului.
Astfel, standul realizat poate fi folosit şi pentru efectuarea
altor experimente, nu doar la cele prezentate în aceasta teză.
Fiecare subansamblu este alcătuit din două cadre în formă de „U”,
unul în interior şi celălalt la exterior. Aceste două cadre sunt
articulate la nivelul feŃelor lor laterale, permiŃând astfel
înclinarea şi blocarea platoului interior la diferite grade: 15,
30, 45, ceea ce determină prin înclinarea ambelor subansamble o
poziŃionare a articulaŃiei genunchiului la 30, 45, 60, 75 şi
respectiv 90. De asemenea, fiecare din cele două subansamble pot fi
înclinate şi blocate şi la echivalent de -5 grade, pentru a putea
respecta hiperextensia fiziologică a articulaŃiei genunchiului.
Fixarea subansamblelor în poziŃiile menŃionate anterior se
realizează prin blocarea cu două şuruburi introduse în orificii
speciale realizate la nivelul feŃelor laterale ale
subansamblelor.
Subansamblul inferior este utilizat pentru fixarea tibiei
proximale pe masa de lucru inferioară a maşinii dar poate fi
folosit şi la fixarea femurului în cazul în care se doreşte
determinarea forŃei de frecare sau a forŃei la care se înfundă
cilindrul osteocondral. Fixarea tibiei pe dispozitiv se realizează
cu ajutorul unui dispozitiv universal care permite o fixare stabilă
în trei planuri a segmentului osos în plan vertical faŃă de cadrul
interior al subansamblului. Între universal şi ramura orizontală a
cadrului (pe care acesta se aşează) există un rulment de presiune
cu role conice care să permită rotaŃia tibiei în condiŃiile
efectuării mişcărilor de flexie-extensie ale genunchiului. De
asemenea, la nivelul planşeului cadrului interior am realizat o
frezare în care este introdus un ştift fixat la nivelul
universalului şi care realizează blocarea la maxim 3 grade în sens
orar şi în sens trigonometric a rotaŃiei tibiei în raport cu
subansamblul superior. Subansamblul superior realizează fixarea
femurului la masa superioară a maşinii de lucru. Fixarea diafizei
femurale la cadrul interior se efectuează prin intermediul unui
cilindru din oŃel înclinat la 6 grade pentru a respecta valgusul
fiziologic al diafizei. Solidarizarea diafizei la cilindru este
efectuată prin fişe transfixiante filetate (la nivelul diafizei)
care se introduc prin orificii speciale realizate la nivelul
cilindrului metalic în diferite planuri. Fixarea subansamblului la
masa de lucru poate fi facută şi după rotirea acestuia cu 180 grade
în plan orizontal, ceea ce permite fixarea unui femur atât de la
nivelul membrului inferior drept, cât şi stâng. Următorul
subcapitol prezintă o analiză teoretică prin Metoda Elementului
Finit a comportării la compresiune a fiecărui subansamblu. După
meşarea subansamblului am aplicat o forŃă de 1.500 N în lungul
axului central al dispozitivului (vertical), analizând comportarea
la compresiune a acestuia, având constrângeri la nivelul cadrelor
în U interior şi exterior, subansamblul fiind fixat la 90 de grade
şi apoi într-o altă analiză la 45 de grade. Cele patru simulări
realizate arată că deplasările şi deformaŃiile maxime apărute în
standul experimental (atât în partea inferioară cât şi în partea
superioară) sunt mult mai mici decât deformaŃiile apărute în
articulaŃia genunchiului şi prin urmare pot fi eliminate din
calcule. În concluzie, pe standul experimental proiectat se pot
măsura deformaŃiile şi deplasările în articulaŃie.
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
19
În Anexa 3 sunt prezentate desenele de execuŃie pentru standul
experimental.
Capitolul 12 prezintă o serie de studii experimentale asupra
rezistenŃei la presiune a cilindrilor osteocondrali transplantaŃi
la nivelul condilului unui femur de vită. Analiza biomecanică a
încărcării unui genunchi de vită având un transplant osteocondral
autolog la nivelul unui condil femural urmăreşte evaluarea
comportamentului cilindrilor transplantaŃi la presiune. Aceasta se
va realiza pentru diferite diametre ale cilindrilor şi pentru
diferite suprafeŃe ale leziunii condrale. Pentru aceasta a fost
necesară stabilirea domeniilor de variaŃie şi a nivelurilor la care
sunt variate fiecare din variabilele independente. Prima variabilă
luată în calcul a fost diametrul cilindrului osteocondral, a doua
variabilă analizată aria defectului condral. Raportul dintre
lungimea cilindrului şi adâncimea tunelului primitor reprezintă cea
de-a treia variabilă independentă luată în calcul. Numărul de
cilindri reprezintă ce-a de-a patra variabilă analizată. Cea de-a
cincea variabilă este lungimea cilindrului osteocondral, iar a
şasea variabilă implicată este coeficientul de frecare dintre
cilindru şi tunel Pentru a putea obŃine date cât mai corecte, am
realizat determinarea în cadrul unor studii experimentale separate
a unor caracteristici bioecanice ale cilindrilor şi femurului, ca o
altă etapă premergătoare studiului biomecanic principal. În fine,
un alt parametru de luat în calcul este localizarea defectului
condral. Luând în considerare datele prezentate, pentru realizarea
studiului experimental au fost alese două niveluri de variaŃie
pentru fiecare dintre cele trei variabile independente (diametrul
cilindrului,aria defectului şi raportullungime clindru-lungime
tunel). S-a folosit un program experimental factorial de tipul 23.
Acest program conŃine opt experimente, dar pentru determinarea
erorii experimentale întregul program de două ori. S-au efectuat
încercări la compresiune pe Maşina de încercare Instron 5587,
pentru a determina deformarea de la nivelul condililor femurali, la
forŃe de la 0 N până la înfundarea transplantului de-a lungul
axului femurului, iar pentru a determina deformaŃiile şi tensiunile
de la nivelul zonei de transplant am folosit softul maşinii Instron
şi metoda optică utilizând un echipament optic Aramis 2M. La
nivelul condililor femurali ai femurelor de vită utilizate am
realizat defecte condrale cu suprafaŃa de 2,5 cm2 şi 4 cm2 de
diferite forme standardizate, apoi am realizat transplantul
osteocondral la nivelul defectelor condrale, folosind cilindri cu
diametrul de 6 mm şi 8 mm. Materialul biologic utilizat (16 femure
de vită) a fost vopsit cu vopsea albă mată şi după uscare
pulverizat cu praf de grafit, apoi a fost fixat în Maşina Instron
5587 cu ajutorul Standului experimental pentru încercarea la
compresiune a articulaŃiei genunchiului dezvoltat şi validat de
către autor, după cum este descris în capitolul 11. Am realizat
defecte cu aria de 2,5 cm2 şi 4 cm2 cu formă determinată de scheme
realizate în prealabil pentru fiecare defect planificat, la nivelul
condilului femural intern, apoi am realizat transplantul
osteocondral. S-a realizat încărcarea până la 5.000 N, dar au fost
luate în considerare valorile obŃinute până la deplasarea
cilindrilor.
Folosind un program factorial de tipul 23, cu ajutorul metodei
suprafeŃelor de răspuns, s-a putut determina modelul polinomial de
ordinul întâi cu interacŃiuni pentru forŃa studiată. Modelul
determinat este adecvat, adică reproduce satisfăcător datele
experimentale folosite pentru obŃinerea lor. Acest model permite
determinarea valorilor caracteristicilor, pentru condiŃii date, în
limitele domeniilor de variaŃie ale fiecărui parametru folosit
pentru obŃinerea lor. Trebuie totuşi să se Ńină seamă de
intervalele de încredere determinate pentru coeficienŃi, fiind
vorba de modele statistice şi nu de funcŃii algebrice. Analiza
referitoare la determinarea forŃei la care cilindrul osteocondral
se deplasează în raport cu cilindrul primitor permite evidenŃiază
faptul că forŃa la care cilindrul osteocondral se deplasează în
raport cu cilindrul primitor are
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
20
variaŃii semnificative în funcŃie de parametrii luaŃi în
considerare. De asemenea, se observă că toŃi coeficienŃii sunt
semnificativi, deci în consecinŃă toŃi parametri luaŃi în
considerare influenŃează modelul forŃei la care cilindrul
osteocondral se deplasează în raport cu cilindrul primitor.
InfluenŃa cea mai puternică asupra forŃei la care cilindrul
osteocondral se deplasează în raport cu cilindrul primitor o are
raportul dintre lungimea cilindrului osteocondral şi cea a
canalului primitor (r), urmat de aria defectului (A) şi diametrul
cilindrului (d). ForŃa la care cilindrul osteocondral se deplasează
în raport cu cilindrul primitor creşte odată cu creşterea spre
valoarea 1 a raportului dintre dintre lungimea cilindrului
osteocondral şi cea a canalului primitor (r). Un alt factor
analizat a fost aria defectului condral care influenŃează şi ea
forŃa la care cilindrul osteocondral se deplasează în raport cu
cilindrul primitor în sensul creşterii lor o dată cu scăderea
acesteia din urmă. În fine, diametrul cilindrului influenŃează
forŃa la care cilindrul osteocondral se deplasează în raport cu
cilindrul primitor în sensul creşterii lor o dată cu creşterea
diametrului.
Următoarele subcapitole reprezintă o serie de analize
experimentale ale diferiŃilor factori ce pot influenŃa stabilitatea
transplantului osteocondral (relaŃia dintre lungimea tunelului
primitor şi lungimea cilindrului osteocondral, analiza forŃelor de
frecare de la nivelul interfeŃei cilindru-tunel), şi implicit şi
ale experimentului prezentat mai sus (de exemplu unele
caracteristici biomecanice ale oaselor utilizate în
experiment).
Pentru analiza raportului dintre lungimea cilindrului şi
adâncimea tunelului primitor (r) şi pentru achiziŃionarea datelor
de referinŃă am efectuat teste pe un femur de vită la nivelul
condilului femural intern al căruia am efectuat o secŃiune sagitală
la nivelul. La nivelul secŃiunii am realizat 2 tuneluri primitoare
perpendiculare pe suprafaŃă articulară în aşa fel încât 1/3 din
circumferinŃă să fie înafara secŃiunii efectuate. Tunelurile
efectuate au adâncimea de 15 mm, respectiv 18 mm. Apoi am recoltat
doi cilindri osteocondrali de la nivelul trohleei femurale,
cilindri având diametrul de 8 mm şi lungimea de 15 mm, pe care i-am
transplantat la nivelul tunelurilor efectuate. În următoarea etapă
am fixat femurul în componenta inferioară a dispozitivului, astfel
încât direcŃia compresiunii să fie perpendiculară pe axul
cilindrului osteocondral. Acest fapt a necesitat poziŃionarea
diferită a femurului în stand pentru fiecare din cei doi cilindri
transplantaŃi, şi am efectuat încărcarea la compresiune pe Maşina
Instron 5587 la forŃe de la 0 la 5.000 N, achiziŃionând tototdată
date cu sistemul optic Aramis 2M. AchiziŃia datelor a fost
efectuată simultan cu softul de achiziŃie a Maşinii Instron care a
permis determinarea deformaŃiilor obŃinute în relaŃie cu forŃa de
încărcare şi momentul aplicării şi cu sistemul Aramis care a
achiziŃionat o imagine pe secundă pe toată durata încărcării. În
acest mod s-a putut efectua corelarea în timp a datelor obŃinute
prin cele două sisteme. Datele achiziŃionate de sistem au permis
analiza la diferite presiuni de încărcare a mai multor parametri.
Am evaluat astfel: DeformaŃia principală (întindere) (Major Strain
ε1), DeformaŃia secundară (compresiune) (Minor Strain ε2),
DeformaŃia echivalentă (Von Mises Strain), precum şi Deplasările pe
axa X, Deplasările pe axa Y şi Deplasarea totală E. De asemenea, am
realizat la nivelul piesei secŃiuni la nivelul cilindrilor de
analizat şi am realizat graficele deformaŃiilor şi deplasărilor de
la nivelul secŃiunii analizate în timpul încărcării. În cazul
cilindrului ce nu ajunge la baza tunelului primitor deformaŃiile
maxime se produc la nivelul pereŃilor (suprafeŃei periferice a
cilindrului) în interfaŃa cilindru-tunel înspre baza cilindrului,
iar deplasarea totală maximă se regăseşte la nivelul
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
21
suprafeŃei condrale a cilindrului. Pe secŃiunea efectuată prin
axul cilindrului se observă deformaŃii şi deplasări semnificativ
mai mari la nivelul cilindrului comparativ cu restul condilului,
existând o treaptă marcată de o zonă liberă care corespunde
spaŃiului gol dintre cilindru şi baza tunelului primitor. La
nivelul tuturor parametrilor analizaŃi în cazul cilindrului ce nu
ajunge la baza tunelului primitor se constată o comportare
biomecanică a cilindrului care este condiŃionată de comportamentul
interfeŃei cilindru-tunel, şi care este marcat diferită de
modificările ce se regăsesc la nivelul restului condilului femural.
În cazul cilindrului ce ajunge la baza tunelului primitor
deformaŃia principală maximă este localizată la nivelul suprafeŃei
desfăşurate a cilindrului osteocondral, deformaŃia secundară maximă
se regăseşte la nivelul bazei cilindrului, deformaŃia echivalentă
von Mises având valori crescute la nivelul ariei de contact
cilindru-tunel, mai accentuate la nivelul bazei. Cele trei secŃiuni
analizate în acest caz relevă comportamentul biomecanic al piesei.
DeformaŃia principală maximă, deformaŃia secundară maximă şi
deformaŃia echivalentă Von Mises maximă se obŃin la nivelul bazei
cilindrului, proporŃional cu valoarea forŃei de încărcare şi cu
valori semnificativ mai mari decât în restul masei cilindrului şi a
condilului femural. Poate cea mai importantă concluzie a acestui
studiu este aceea că dacă în cazul cilindrului ce nu ajunge în baza
tunelului analiza arată că cele două corpuri se comportă diferit la
compresiune, cu atât mai diferit cu cât forŃa de încărcare este mai
mare, fiind interconectate de fenomenele de la nivelul suprafeŃei
desfăşurate a tunelului, în cazul în care cilindrul ajunge la
nivelul bazei comportamentul biomecanic este diferit, cele două
corpuri comportându-se ca un tot unitar cu atât mai mult cu cât
creşte forŃă de încărcare.
O altă etapă a acestui program experimental a fost determinarea
forŃei de smulgere dintre cilindrul osteocondral şi tunelul
primitor, acesta fiind o caracteristică o Ńesutului osos. După
realizarea unui transplant osteocondral la nivelul unui condil
femural, cilindrul osteocondral a fost supus unei forŃe de
tracŃiune, utilizând maşina de încercare Instron 5587, pentru a
determina forŃa necesară pentru smulgerea acestuia de la nivelul
tunelului primitor şi implicit forŃa necesară pentru mobilizarea
cilindrului osteocondral în tunelul primitor. Pentru aceasta am
preparat un femur de vită după metoda prezentată anterior şi am
realizat 4 tuneluri primitoare cu adâncimea de 20 mm la nivelul
condililor femurali poziŃionate astfel încât după fixarea femurului
în subansamblul inferior al standului experimental să poată fi
poziŃionate cu axul tunelului vertical. TracŃiunea a fost efectuată
cu forŃe ce au crescut constant de la 0 N până la smulgerea
cilindrului osteocondral din tunelul primitor. S-au prelevat 4
cilindri de la nivelul trohleei femurale ale aceluiaşi femur,
fiecare cilindru a fost găurit central de-a lungul axului
longitudinal şi prin acest orificiu a fost introdusă o tija
metalică la al cărei capăt a fost sudat un inel metalic ce a rămas
la nivelul bazei. După montarea tijei la nivelul cilindrilor
osteocondrali, s-a realizat transplantul unui cilindru într-un
tunel primitor, apoi s-a fixat femurul în subansamblul inferior al
standului, iar capătul liber al tijei tractoare s-a fixat la
nivelul bacului superior al maşinii Instron 5587 şi s-a efectuat
tracŃiunea.
Din rezultatele experimentale obŃinute se poate observa că forŃa
maximă de smulgere a cilindrilor osteocondrali se regăseşte în
jurul valorii de 500 N, ceea ce conferă o bună rezistenŃă la
smulgere a implantului astfel realizat. În ceea ce priveşte
„evoluŃia” forŃei de smulgere de-a lungul încercării experimentale,
se poate observa că aceasta creşte relativ rapid până la valoarea
maximă, după care începe să scadă lin până la valoarea de 100 N,
când încercarea a fost oprită, considerându-se că cilindrul
-
Thesis Abstract
Autologous Osteochondral Transplantation in Articular Cartilage
Lesions Treatment
22
osteocondral poate fi considerat smuls din tunelul primitor.
Referitor la deplasarea cilindrului osteocondral în tunelul
primitor, se observă că acesta se deplasează aproximativ 5-6 mm
(35-40%) din lungimea sa iniŃială, până ce se atinge forŃa maximă
de smulgere, pentru ca la finalul încercării acesta să fie ieşit
aproximativ 14 mm (80-90%) din tunelul primitor.
Următorul subcapitol prezintă un experiment efectuat cu scopul
de a determina proprietăŃile mecanice la compresiune ale
cilindrilor osteocondrali recoltaŃi de la nivelul trohleei
fenurului bovin. Pentru aceasta am prelevat 7 cilindri cu diametrul
de 8 mm de la nivelul trohleei femurale ale unui femur de vită
prelucrat după cum a fost descris in subcapitolele anterioare.
Fiecare cilindru osteocondral prelevat a fost măsurat în lungime cu
ajutorul unui şubler. De asemenea, s-a măsurat şi diametrul
cilindrilor pe două direcŃii perpendiculare între ele. Această
măsurătoare a diametrului fiecărui cilindru arată, surprinzător,
imperfecŃiunea acestora, aceştia nefiind cilindri perfecŃi cu
diametrul de 8 mm, deşi pentru prelevarea lor s-a utilizat o sculă
pentru transplant osteocondral (donor) cu diametrul de 8 mm.
Această imperfecŃiune poate fi explicată prin variaŃia
proprietarilor mecanice ale osului pe diferite direcŃii. Corectând
datele, prin aproximaŃie şi Ńinând cont de sistemul de prelevare
s-a considerat pentru efectuarea calculelor că cilindrii au
diametrul de 8 mm. Fiecare cilindru osteocondral a fost apoi testat
separat la compresiune în maşina Instron 5587.
În ceea ce priveşte curbele caracteristice rezultate în urma
încercărilor la compresiune realizate, se poate observa fapul că
forŃa de comprimare ajunge relativ repede la o valoare de
1.000-1.500 N (după comprimarea doar cu 2-3 mm a cilindrilor),
pentru ca mai apoi aceasta să rămână relativ constantă până spre
finalul încercării, când creşterea este mult mai bruscă,
atingându-se foarte repede valoarea maximă a forŃei de comprimare.
O comportare similară o are şi variaŃia tensiuni ce apare în
cilindrul osteocondral supus la compresiune. Referitor la
deformaŃia specifică maximă, se poate constata faptul că
majoritatea cilindrilor testaŃi s-au deformat cu peste 80%, dar că
există şi cazuri în care deformaŃia specifică nu depăşeşte 50%.
Aceste diferenŃe pot proveni din faptul că suprafaŃa de aşezare a
cilindrilor osteocondrali pe plăcile maşinii de încercat nu este
perfect plană, astfel că pot apare anumite erori datorate acestor
neplaneităŃi geometrice. Prin urmare este foarte important ca
cilindrii osteocondrali sa fie prelevaŃi în condiŃii foarte bune,
astfel încât geometria lor să nu aibă de suferit în acest proces de
„recoltare”.
În următorul studiu experimental realizat am urmărit comportarea
la compresiune a unui femur de vită de la nivelul trohleei căruia
am recoltat mai mulŃi cilindri osteocondrali pentru transplantat,
pentru a determina dacă această manoperă modifică proprietăŃile
mecanice la compresiune ale femurului. Pentru acest experiment am
folosit un alt femur de vită prelucrat după cum a fost descris
anterior. Au fost recoltaŃi 8 cilindri osteocondrali de la nivelul
trohleei femurale. SuprafaŃa cartilaginoasă însumată a acestor
cilindri este de 402,16 mm2, şi pot acoperi o suprafaŃă a
defectului condral de aproximativ 6 cm2, ceea ce reprezintă limita
maximă acceptată de cei mai mulŃi autori ca indicaŃie pentru
transplantul osteocondral autolog.După vopsire cu vopsea albă mată
şi pulverizare cu spray cu grafit, femurul a fost poziŃionat la
nivelul Maşinii Instron 5587, fiind fixat în subansamblul inferior
al standului experimental. După poziŃionarea Sistemului Aramis 2M
s-a realizat încărcarea femurului în lungul axului cu forŃe până la
5.000 N cu achiziŃia concomitentă a datelor optice î