Evolution of shoulder arthroplasty

Abstract

This article is devoted to the establishment and development of one of the most difficult areas of modern orthopedics, namely arthroplasty of the shoulder joint. We represent the evolution of views on this problem, stages of development and formation of the modern philosophy of replacement of the shoulder joint, constructive features of different shoulder joint implants and indications, which determine the selection of the type of arthroplasty.

Full Text

Введение. Эндопротезирование плечевого сустава имеет уже более чем вековую историю, но, несмотря на это, проблемы, возникающие при выполнении этого оперативного вмешательства, до конца не решены [1–3]. T. Gluck был первым, кто увидел в эндопротезировании плечевого сустава потенциальный метод лечения заболеваний этой области. В 1891 г. он сообщил о разработанном им эндопротезе проксимального отдела плеча из слоновой кости и применении его у пациента с туберкулезным поражением плечевого сустава, однако не задокументировал данные о его использовании.

Первая зарегистрированная операция эндопротезирования плечевого сустава была проведена 11 марта 1893 г. французским хирургом J.-E. Pean пациенту с туберкулезным разрушением плечевого сустава, отказавшемуся от ампутации пораженной конечности. В раннем послеоперационном периоде результат был вполне удовлетворительным, но через 2 года протез был удален в связи с рецидивом инфекции [4]. Первое успешное эндопротезирование с использованием имплантата анатомического дизайна было выполнено в 1950 г. F. Krueger [5] молодому пациенту с асептическим некрозом головки плечевой кости. Конструкция была отлита из виталлиума по слепку с проксимального отдела трупной плечевой кости. В 1952 г. A. Richar и соавт. [6] сообщили об использовании акрилового имплантата для эндопротезирования в случае перелома или вывиха проксимального отдела плечевой кости.

Эндопротезы плечевого сустава первого поколения

Началом современной эры эндопротезирования можно считать 1953 г., когда C. Neer [7] впервые выполнил монополюсное эндопротезирование у пациента с оскольчатым переломом проксимального отдела плечевой кости. Первоначально использовались моноблочные конструкции из виталлиума, схожие по дизайну с нормальной анатомией головки, однако оригинальный эндопротез Neer имел ограниченное количество размеров, что затрудняло воспроизведение нормальной анатомии и кинематики плечевого сустава у многих пациентов [8]. В настоящее время моноблочные конструкции в клинической практике не используются, а в литературе они упоминаются как эндопротезы плечевого сустава первого поколения (Neer I).

Эндопротезы плечевого сустава второго поколения

Стремление учесть индивидуальные различия в размерах головки и костномозгового канала привело к созданию в начале 1990-х годов модульных имплантатов. Хотя эти конструкции продемонстрировали более широкие возможности индивидуального подбора компонентов в сравнении с ранними конструкциями, все же они не соответствовали концепции воспроизведения нормальной анатомии, провозглашенной C. Neer [7]. В дополнение к этому хирурги столкнулись с двумя проблемами. Во-первых, часто возникали трудности с ориентацией головки эндопротеза во фронтальной и горизонтальной плоскостях вследствие фиксированной геометрии имплантатов. Кроме того, большинство эндопротезов второго поколения имели бесцементную фиксацию и установка ножки «press-fit» строго предопределяла положение головки, обусловливающее в некоторых случаях неправильное расположение центра ротации. Во-вторых, часто головка была больше по размеру. Обычно поставляемые головки были одного диаметра, но разные по высоте, и хирургу для стабилизации сустава часто приходилось ставить более высокие головки. Исследования [9, 10] показали, что существует линейная корреляция между высотой головки и ее диаметром, в соответствии с которой одна высота соответствует одному диаметру. Исключение составляют лишь головки более 50 мм в диаметре. Кроме того, M. Pearl и S. Kurutz [8], проведя трехмерный геометрический анализ, пришли к выводу, что даже при оптимальной компоновке эндопротеза сохраняется смещение центра ротации более чем на 5 мм.

Несмотря на модульность, протезы второго поколения не позволяли в полной мере воспроизвести анатомию проксимального отдела плеча и даже привели к проблемам, с которыми хирурги не сталкивались при использовании эндопротезов первого поколения. Так, чрезмерное натяжение при установке большой головки становилось причиной нарушения биомеханики [11], результатом которого были ограничение движений и увеличение давления на хрящ суставного отростка лопатки или (в случае тотального эндопротезирования) на лопаточный компонент, приводящие к их повышенному износу. Избыточное натяжение ротаторной манжеты может спровоцировать разрыв m. subscapularis и способствовать передней нестабильности эндопротеза или, позже, растяжению или повреждению m. supraspinatus, приводящему к боли и ограничению активного отведения. Результатом неточного воспроизведения геометрии проксимального отдела плеча могут стать смещение точек фиксации и изменение плеч рычагов отводящих мышц [10]. Исследования R. Nyffeler и соавт. [12] показали, что при избыточном смещении центра головки кверху m. subscapularis и m. infraspinatus превращаются из ротаторов в аддукторы, существенно увеличивая нагрузку на m. supraspinatus при отведении и сгибании плеча. Неверная установка ретроверсии плечевого компонента может привести к эксцентричной нагрузке на лопаточный компонент и вызвать его быстрое расшатывание [9, 12, 13]. Вышеперечисленные факторы объясняют быстрое ухудшение клинических результатов у многих пациентов с эндопротезами второго поколения.

В нашей стране также был разработан ряд конструкций эндопротезов, но широкого практического применения они не имели [14, 15].

Эндопротезы третьего поколения

В начале последнего десятилетия XX века P. Boileau и соавт. [16] и другие авторы, проведя анатомические исследования, выявили, что форма проксимального отдела плеча более сложная, чем описывалось ранее. Была доказана значимость правильного подбора диаметра головки плечевой кости, офсета, угла инклинации и ретроверсии для наиболее адекватного воспроизведения анатомии пациента. Лучшее понимание анатомических взаимоотношений в нормальном плечевом суставе нашло отражение в дизайне несвязанных эндопротезов третьего поколения, позволяющих восстанавливать трехмерную геометрию проксимального отдела плечевой кости. Принцип коррекции положения головки эндопротеза соответственно индивидуальной анатомии, известный как «адаптивность», нашел свое обоснование и подтвердил свою значимость в ходе клинического применения [8, 11].

Протезы суставной поверхности

Отдельное развитие в эндопротезировании плечевого сустава получило «поверхностное» эндопротезирование головки плечевой кости с применением протезов суставной поверхности, не имеющих классической ножки. Впервые эндопротезирование суставной поверхности («resurfacing») плечевой кости было проведено A. Steffee и R. Moore [17] в конце 1970-х годов. Имплантат, выполненный из нержавеющей стали и не имевший центральной ножки, устанавливали на костный цемент. Параллельно, в тот же период времени, S. Copeland [18] начал развивать бесцементное поверхностное эндопротезирование плечевой кости. Разработанный им эндопротез имел короткую центральную ножку и дополнительно фиксировался стягивающим винтом. Дальнейшая эволюция поверхностных эндопротезов вылилась в разнообразие форм центральных ножек и типоразмеров головок, появились модульные конструкции. В настоящее время большинство поверхностных эндопротезов плечевой кости имплантируется «press-fit» и имеет гидроксиапатитное или пористое керамическое покрытие. Преимуществами этих протезов являются минимальная травматизация и потеря костной ткани при установке, отсутствие необходимости резекции проксимального отдела и обработки костномозгового канала, хорошее восстановление геометрии проксимального отдела плечевой кости, снижение рисков перипротезных переломов, сокращение времени операции, а также, при необходимости, легкость последующих ревизионных вмешательств. Кроме того, применение эндопротезов суставной поверхности плечевой кости значительно облегчает эндопротезирование у пациентов с внесуставными деформациями проксимального отдела плечевой кости и при наличии металлоконструкций в плечевой кости, делающих невозможной установку классических ножек. Однако область применения этих имплантатов существенно ограничена, так как их установка требует достаточного количества и хорошего качества костной ткани эпифизарной зоны для надежной фиксации и выживаемости конструкции. Кроме того, часто имеют место значительные технические трудности при установке лопаточного компонента в случае выполнения тотального варианта поверхностного эндопротезирования, особенно у крупных и мышечно развитых пациентов, когда целесообразно выполнять эндопротезирование с применением классических имплантатов. Таким образом, к выбору метода протезирования у пациента необходим индивидуальный подход. Мировой опыт применения поверхностного эндопротезирования относительно невелик, хотя имеется несколько прослеженных серий. По данным ряда авторов [1, 19, 20], краткосрочные и среднесрочные результаты сопоставимы и даже лучше в сравнении с таковыми при классическом анатомичном эндопротезировании. Однако применение эндопротезов суставной поверхности головки плечевой кости требует дальнейшего изучения и оценки долгосрочных результатов.

Лопаточный компонент

В 1974 г. C. Neer [21] впервые описал использовани оригинального килевого лопаточного компонента в несвязанном эндопротезе плечевого сустава. Компонент имел прямоугольную форму с одинаковым переднезадним и верхненижним диаметром, с радиусом кривизны, соответствовавшим кривизне головки эндопротеза. Эволюция лопаточного компонента шла в направлении изменения дизайна и техники имплантации. Достижение долгосрочной, стабильной фиксации гленоидального компонента является одной из важнейших задач при тотальном эндопротезировании плечевого сустава. Низкая прочность и небольшой объем костной ткани суставного отростка лопатки являются лимитирующими факторами прочной фиксации. Было предложено несколько методов фиксации: цементный, бесцементный и гибридный. Разработаны следующие разновидности лопаточных компонентов: килевые полиэтиленовые имплантаты цементной фиксации с выпуклой тыльной поверхностью, килевые полиэтиленовые имплантаты цементной фиксации с плоской тыльной поверхностью, цементируемые полиэтиленовые имплантаты с выпуклой тыльной поверхностью со штифтами и имплантаты с металлической основой [1, 2, 13]. Как показали экспериментальные исследования, модели с изогнутой тыльной поверхностью более устойчивы к воздействию сдвигающих сил, чем имплантаты с прямой тыльной поверхностью [22, 23]. Сегодня чаще всего применяются килевые и штифтовые гленоидальные компоненты цементной фиксации с изогнутой тыльной поверхностью и, как считается, обеспечивающие наиболее предсказуемую фиксацию.

Есть разные мнения по поводу преимуществ использования килевых или штифтовых лопаточных компонентов, однако большинство исследований демонстрирует лучшую выживаемость штифтовых имплантатов [24, 25]. В 1986 г. R. Cofield и J. Daly [26] предложили оригинальные имплантаты бесцементной фиксации с металлической основой, состоящие из металлической пластины, фиксируемой на гленоиде, и модульного полиэтиленового вкладыша, которые стали прототипом и других бесцементных систем. Бесцементные компоненты фиксируются за счет первичной механической фиксации и последующей биологической остеоинтеграции. Как правило, это реализуется применением винтов или сочетанием последних с «press-fit» впрессовыванием штифтов компонента. Толщина металлической основы часто требовала уменьшения толщины полиэтиленового вкладыша, чтобы избежать чрезмерного натяжения ротаторной манжеты плеча, что на фоне применения полиэтилена с невысокими характеристиками изностойкости, ригидности металлической основы, увеличивающей нагрузку на вкладыш и подлежащую кость, обусловливало высокий уровень расшатывания компонентов, связанный с ускоренным износом полиэтилена. Кроме того, было описано много случаев разобщения полиэтиленового вкладыша с металлической основой и переломов фиксирующих винтов [27, 28]. Низкая выживаемость лопаточных компонентов с металлической основой послужила ведущей причиной ревизионных оперативных вмешательств, что привело к отказу от многих ранних конструкций.

Широкое распространение получили имплантаты с гибридной фиксацией (минимально цементируемые лопаточные компоненты). У этих протезов с гленоидальной поверхностью нет металлической основы, т.е. они имеют толщину обычных полиэтиленовых компонентов, а фиксируются «press-fit» штифтами или дугами с соответствующим покрытием. Компоненты с гибридной фиксацией привлекательны тем, что они требуют меньшего удаления костного вещества гленоида и существенно меньшего количества цемента, при этом обеспечивая надежную первичную фиксацию и уменьшая негативное температурное воздействие полимеризующегося цемента, ведущего к некрозу кости и последующей нестабильности имплантата [25, 29].

Одним из важных достижений, повлиявших на дизайн лопаточного компонента, стало представление о плечелопаточном несоответствии эндопротеза. Оно определяется как разность радиусов кривизны головки и гленоидального компонента. Конгруэнтный сустав (несоответствие равно нулю) подразумевает оптимальный контакт поверхностей, минимальный риск износа лопаточного компонента и способствует увеличению стабильности сустава. Однако с этими преимуществами связана утрата скольжения суставных поверхностей, происходящего в норме, и поглощаемого эластичной деформацией хряща и суставной губы. Недостаток необходимого скольжения может привести к расшатыванию лопаточного компонента из-за увеличения нагрузки в месте фиксации. С другой стороны, при неконгруэнтном суставе (радиус кривизны лопаточного компонента больше радиуса кривизны головки) удается воспроизвести естественное скольжение головки, однако при этом увеличиваются эксцентричные нагрузки на протез суставной впадины лопатки, повышающие риск перелома имплантата, ускоряющие его износ, и снижается стабильность сустава. По данным ряда лабораторных исследований, для наилучшего воспроизведения нормальных движений плечевой кости необходимо несоответствие эндопротеза на 4–7 мм, при этом обеспечивается длительная выживаемость лопаточного компонента, в то время как несоответствие свыше 10 мм увеличивает риск переломов последнего. Клинические исследования также подтвердили, что несоответствие, составляющее 6–7 мм, обеспечивает лучшие клинические результаты с наименьшими показателями частоты асептического расшатывания [25, 30].

Реверсивное эндопротезирование

В течение длительного времени вопрос эндопротезирования плечевого сустава на фоне необратимого повреждения ротаторной манжеты не имел решения, а применение в этих случаях анатомического эндопротезирования приводило к неудовлетворительным результатам [31–33]. Несостоятельность ротаторной манжеты нарушала центрацию головки плечевой кости во впадине лопатки и приводила к смещению ее кверху, что уменьшало натяжение дельтовидной мышцы, а центр ротации плечевого сустава при этом становился нефиксированным.

Для преодоления этого биомеханического дефицита были использованы специально разработанные лопаточные компоненты увеличенных размеров, ограничивающие миграцию головки эндопротеза кверху. Однако фиксация этих компонентов была сопряжена с высоким уровнем нестабильности и плохими функциональными результатами [34].

В 1970 г. C. Neer [35] выдвинул идею низведения фиксированного центра ротации, обеспечивавшего восстановление натяжения и нормального момента силы дельтовидной мышцы, а также возможность активного отведения. Для достижения этой цели был предложен связанный эндопротез обратного дизайна со сферой, фиксированной на гленоиде, и чашей на проксимальном отделе плеча. При использовании этих конструкций возникали проблемы с ранним расшатыванием лопаточного компонента под действием силы дельтовидной мышцы на смещенный кнаружи центр ротации плечевого сустава. Эти неудачи послужили причиной отказа от конструкций данного типа [36, 37].

В период с 1972 г. по первую половину 1980-х годов был предложен целый ряд оригинальных имплантатов для лечения пациентов с невосстановимыми дефектами ротаторной манжеты (связанных, полусвязанных, биполярных), однако их клиническое применение, как правило, также характеризовалось неудовлетворительными результатами [33, 38, 39].

В 1985 г. с появлением концепции медиализации и низведения центра ротации, предложенной P. Grammont и E. Baulot [40], началась новая эпоха в эндопротезированиии плечевого сустава. Согласно концепции авторов, в случаях несостоятельности ротаторной манжеты плеча единственной мышцей абдуктором плеча является дельтовидная мышца. В ходе проведенных ими исследований было выявлено, что увеличение рычага дельтовидной мышцы, достигаемое при медиализации центра вращения на 10 мм, повышает момент силы дельтовидной мышцы на 20%, а низведение центра ротации на 10 мм — на 30%, при этом нивелируется импинджмент-синдром. Установлено, что ротаторы предупреждают дислокацию головки плечевой кости во время отведения, обеспечивая ее центрацию в суставной впадине лопатки за счет трансформации сил, направленных на смещение головки в центростремительные. Обратная ориентация протеза позволяет направить моменты дестабилизирующих сил, возникающих при движении плеча, к центру глениосферы и далее — на шейку лопатки [41].

Практическая реализация этой концепции нашла отражение в трех поколениях полусвязанных реверсивных протезов Delta, первое из которых было внедрено в клиническую практику в 1987 г. С 1994 г. начали устанавливать эндопротезы третьего поколения (Delta III), получившие наиболее широкое распространение в мире и ставшие «золотым стандартом» реверсивного эндопротезирования, а также прототипом для разработки всех последующих реверсивных систем [36, 41]. На сегодняшний день в клинической практике применяют более 10 различных моделей реверсивных эндопротезов, основанных на принципах P. Grammont, отличающихся друг от друга разной степенью медиализации центра ротации, различным креплением лопаточного компонента, особенностями дизайна, минимизирующими импинджмент между вкладышем плечевого компонента и наружным краем лопатки, а также другими техническими нюансами. Для оценки эффективности компонентов этих систем требуются дальнейшие долгосрочные наблюдения [42, 43]. Одним из сложнейших и до конца не решенных вопросов остается эндопротезирование плечевого сустава при переломах и сочетанных переломах и вывихах проксимального эпиметафиза плечевой кости. Как правило, отбор пациентов для эндопротезирования плечевого сустава при переломах и сочетанных переломах и вывихах проводится на основании классификации, предложенной C. Neer [44]. Принципиальным моментом при наличии нескольких фрагментов служит сохранность связей с мягкотканными структурами, а значит, наличие кровоснабжения костного отломка и его жизнеспособность.

Показания к эндопротезированию плечевого сустава определяют в случаях 4и 3-фрагментарных переломов и сочетанных переломов и вывихов с целью предотвращения возможного асептического некроза головки после выполнения остеосинтеза [44]. Согласно обобщенным данным [35], аваскулярный некроз и артроз головки плеча после открытой репозиции и остеосинтеза имел место у 75% больных с 4-фрагментарными переломами проксимального отдела плечевой кости. C. Compito и соавт. [45] показаниями для замены плечевого сустава считают 4-фрагментарные переломы и переломо-вывихи, импрессионные переломы головки плечевой кости, вовлекающие более 40% суставной поверхности, и некоторые 3-фрагментарные переломы.

Следует отметить, что в зарубежной литературе [2, 3, 10, 46] показания к эндопротезированию при свежих переломах выделены в отдельную категорию. Это связано с тем, что во многих случаях результаты лечения были менее успешны и менее предсказуемы, чем при эндопротезировании у пациентов с остеоартрозом плечевого сустава.

Большое количество неудовлетворительных результатов обусловлено несостоятельностью фиксации большого и малого бугорков, неправильным их расположением и, следовательно, нарушением точек фиксации мышц, образующих ротаторную манжету [10, 46–48].

P. Boileau и соавт. [49] выделяют следующие причины ненадлежащей фиксации бугорков плечевой кости при эндопротезировании:

• неправильная установка эндопротеза (излишне высокое положение и/или избыточная ретроверсия имплантата) ведет к избыточному натяжению ротаторной манжеты и способствует отрыву рефиксированных бугорков. Авторы связывают это с установкой эндопротеза под визуальным контролем, в условиях отсутствия нормальных анатомических ориентиров, что приводит к ошибкам в ориентации эндопротеза;
• дизайн ножки стандартного эндопротеза затрудняет фиксацию бугорков и препятствует анатомичной реконструкции проксимального отдела плечевой кости. Кроме того, при этом требуется моделирование костных фрагментов с удалением полноценной костной ткани;
• трудности при фиксации фрагментов посредством швов, проходящих через отверстия на стандартной ножке;
• группу пациентов, которым выполняют эндопротезирование плечевого сустава по поводу свежих переломов проксимального отдела плечевой кости, как правило, составляют лица пожилого возраста с явлениями остеопороза. Это делает труднодостижимым сращение фиксированных бугорков и может привести к прорезыванию фиксирующих их швов, особенно при начале активной реабилитации [1, 46, 49]. Для преодоления этих проблем разработаны специальные системы фрактурных или низкопрофильных («low-profile») эндопротезов с менее массивной метаэпифизарной частью, имеющей окна, дополнительные отверстия, и специальный инструментарий для правильной ориентации имплантата при его установке. Применение этих эндопротезов в случаях 4и 3-фрагментарных переломов позволяет наиболее точно воспроизвести анатомию проксимально отдела плечевой кости и обеспечить более хорошие и предсказуемые результаты. По данным мультицентрового исследования [49], использование специальных низкопрофильных эндопротезов привело к снижению частоты осложнений, связанных с миграцией и несращением бугорков, до 25% против 49% при установке стандартных ножек.

Те же авторы указывают на необходимость четкого определения показаний, тщательного предоперационного планирования с выполнением рентгенограмм контралатеральной конечности на всю длину, применения специального инструментария для реконструкции проксимального отдела плечевой кости, наиболее близкой к нормальной анатомии [1, 49].

Показания, определяющие выбор типа эндопротеза

На выбор типа эндопротеза влияют многие факторы. Основным показанием для однополюсного эндопротезирования служат переломы проксимального отдела плечевой кости, при которых суставная впадина лопатки остается интактной, а также начальные стадии асептического некроза головки плечевой кости и остеоартроза. Кроме того, иногда приходится ограничиваться только замещением проксимального отдела плечевой кости в случаях, когда лопаточный компонент не может быть установлен по техническим причинам ввиду фатального дефицита костной ткани, при которых технически невыполнима костная пластика. При высоком риске разрушения гленоида и расшатывания лопаточного компонента, например, у молодых, активных пациентов с остеоартрозом, также следует отдавать предпочтение однополюсному эндопротезированию, что позволяет в последующем избежать проблем, связанных со стиранием полиэтилена, образованием дебриса и последующей нестабильностью компонентов [50]. До появления реверсивных систем эндопротезирования артропатии плечевого сустава, обусловленные повреждением ротаторной манжеты, также служили показанием к использованию однополюсных имплантатов. На современном этапе развития эндопротезирования плечевого сустава это показание практически утратило свою актуальность.

Имеются различные точки зрения относительно применения однополюсного или тотального эндопротезирования плечевого сустава при остеоартрозе. С учетом того, что во многих сериях тотального эндопротезирования были выявлены проблемы с выживаемостью лопаточного компонента, особенно в долгосрочной перспективе, исследователи рекомендовали с осторожностью подходить к установке лопаточного компонента и отдавали предпочтение однополюсному эндопротезированию при лечении остеоартроза плечевого сустава [51, 52].

Другие авторы указывают, что тотальное эндопротезирование плечевого сустава обеспечивает лучшие среднесрочные результаты [3, 53]. Большое мультицентровое исследование, проведенное T. Edvards и соавт. [54], показало, что при остеоартрозе тотальное эндопротезирование плечевого сустава обеспечивает лучшие результаты по снижению боли, увеличению амплитуды активных движений и удовлетворенности пациента, а также сопоставимую частоту осложнений по сравнению с однополюсным эндопротезированием [54]. В литературе представлено небольшое число рандомизированных клинических исследований, в которых проводится сравнение исходов однополюсного и тотального эндопротезирования при остеоартрозе. Большая часть сообщений посвящена исходам при установке лопаточного компонента [52]. По данным I. Lo и соавт. [3], тотальное эндопротезирование плечевого сустава при остеоартрозе более эффективно по качеству купирования боли, восстановлению амплитуды активных движений и общей удовлетворенности пациента, чем однополюсное эндопротезирование. Результаты работы W. Levine и соавт. [55] показали, что однополюсное эндопротезирование при остеоартрозе плечевого сустава приводит к удовлетворительным результатам у 86% пациентов [55]. В то же время, по данным других авторов, доля удовлетворительных результатов снижалась до 67% в течение 7,9 года [56]. Среди различных нозологий, при которых показано эндопротезирование плечевого сустава, особый интерес представляют пациенты с сопутствующей несостоятельностью ротаторной манжеты [43, 57]. Так, при остеоартрозе плечевого сустава от 5 до 10% пациентов имеют полные разрывы манжеты ротаторов, а при ревматоидном артрите, по разным данным, — от 10 до 50%, в среднем около 25% [51, 58]. При сочетании костной патологии плечевого сустава и порашенствованных программах предоперационной диагностики и отбора пациентов, тщательном обосновании выбора типа имплантата, оценке эффективности применения отдельных конструкций, совершенствовании и внедрении новых моделей.