Избранные параметры отработанных поверхностей головок эндопротезов Веллера

Изготовители эндопротезов не специфицируют значения параметров геометрической структуры поверхностей изготавливаемых искусственных суставов. Эта информация является секретной. В работах, которые посвящены технологии изготовления протезов, согласно нормам Международной организации по стандартизации, приводится только один параметр геометрической структуры поверхности, относящийся к головке искусственных суставов [3, 6, 7, 16]. Это параметр R_a в двумерном случае или параметр S_a в трехмерном случае, который дается для новых головок эндопротезов бедра.

Анализ поверхности головки с использованием только одного параметра S_a ( R_a ) не является объективным методом исследования [10, 12–14]. Этот метод плохо подходит для тестирования процессов износа поверхности головки. Рекомендуется проводить тест как минимум для двух или трех амплитудных параметров, которые корректно описывают геометрическую структуру поверхности [4, 9, 10, 12–14].

Из экспериментальной практики вытекает, что параметры геометрической структуры поверхности имеют важное и очень сложное влияние на функциональное качество биоподшипников [3, 6, 10, 13, 14]. В анализе процесса износа эндопротезов бедра полезно иметь некоторую информацию о нескольких параметрах геометрической структуры поверхности для поверхности головки. Эти параметры имеют существенное влияние на время эксплуатации фрикционной пары “чаша–головка” искусственного сустава.

Наиболее распространенные параметры есть: S_t , S_z , S_a и S_q , которые являются базовыми параметрами для тестов на шероховатость в Польше, а также в международных нормах геометрической структуры поверхности [9, 13, 14].

В известном авторам научном материале не найдена работа, в которой описываются параметры геометрической структуры поверхности для неиспользованных, а также для использованных головок эндопротеза Веллера. Авторы данной работы раньше тестировали головки эндопротеза Веллера, используя другие параметры, и анализировали некоторую зависимость между парой параметров, но исследуемого материала было недостаточно [4, 12, 15].

Результаты, полученные in vivo , не имеют этических и критических комментариев, но эти результаты невозможно сравнить с другими исследованиями in vitro [1, 2, 3, 5, 8, 11]. Тесты, которые проведены на симуляторах, не дают некоторых условий, имеющих место в тазобедренном суставе in vivo [3, 5, 11]. Износ искусственных суставов в живом организме меньше по сравнению с условиями, в которых проводятся тесты [1, 11].

Имея в распоряжении несколько эндопротезов Веллера тазобедренного сустава, удаленных после асептического расшатывания (рис. 1–4), авторы решили протестировать некоторые избранные параметры геометрической структуры поверхности и фрактальную размерность головок эндопротезов.

Основной целью данной работы является анализ выбранных параметров шероховатости и фрактальной размерности, описывающих поверхность головки эндопротеза Веллера, а также анализ некоторых изменений этих параметров при эксплуатации суставов в естественных условиях.

Анализируемый материал

Проанализированы избранные параметры шероховатости и фрактальная размерность 42 головок эндопротеза Веллера, удаленных после асептического расшатывания, а также три новых головки Веллера.

Возраст пациентов составил от 65 до 86 лет ( X = 74,1; а = 5,5), время эксплуатации эндопротезов - от 2 до 20 лет ( X = 10,8; а = 5,15). Эндопротезы были имплантированы пациентам в возрасте от 61 до 66 лет ( X = 63,4; а = 1,3), наиболее часто – от 62 до 64 лет (для 32 пациентов из 45).

Проанализированный материал был разделен на группы в зависимости от времени эксплуатации эндопротеза Веллера (табл. 1).

Рис. 1. Рентенограмма эндопротеза Веллера, сделанная в течение нескольких дней после установки

Рис. 2. Рентгенограмма эндопротеза Веллера после расшатывания

Рис. 3. Удаленная ножка эндопротеза Веллера

Рис. 4. Чаши: a) удаленная после использования, b) новая.

Таблица 1

Группы в зависимости от времени эксплуатации эндопротеза Веллера

Группа	Время эксплуатации (год)	Количество головок
0	0	3
I	2 – 3	5
II	6 – 8	12
III	10 – 14	15
IV	16 – 20	10
Итого:	0 – 20	45

Рис. 5. Зависимость между временем эксплуатации эндопротеза Веллера и возрастом пациентов

Таблица 2

Виды анализируемых параметров поверхности

Параметр	Описание	Размерность
S t	Общая высота шероховатости (от наивысшей до наинизшей точек)	мкм
S z	Среднее значение для 5 наивысших пиков и 5 наинизших точек	мкм
S fd	Фрактальная размерность	Безразмерная

Методология

Перед проведением экспериментов эндопротезы были осмотрены с помощью лупы, чтобы исключить протезы, которые имеют некоторые случайные дефекты, сделанные в процессе удаления.

Измерения структуры геометрической поверхности были реализованы, используя аппарат Rank Taylor Hobson Talyscan 150. Верхняя площадь поверхности головки эндопротеза Веллера составила 1,5 х 2,0 мм со скоростью сканирования 5,0 мм / с. Полученные данные были записаны и научно описаны с использованием программы TalyMap Expert 2.0 и MS Excel 2003. Результаты представлены в графической форме.

Исследуемые параметры поверхностей головок эндопротеза Веллера представлены в табл. 2.

Проанализирована некоторая зависимость между временем эксплуатации эндопротеза и возрастом пациента. Также протестирована некоторая зависимость между указанными параметрами и временем эксплуатации искусственного сустава Веллера.

Для каждой анализируемой группы вычислены среднее арифметическое x и стандартное отклонение с всех измеренных параметров. В статистическом анализе

Группа (время эксплуатации эндопротеза (год))

Рис. 6. Средний возраст пациентов в анализируемых группах

Группа (время эксплуатации эндопротеза (год))

Рис 7. Среднее время эксплуатации эндопротеза Веллера в анализируемых группах показаны уравнения линии тренда и коэффициенты корреляции R2 . Результаты вычислений описаны в графической форме с использованием программы MS Excel 2003.

Результаты исследований

Зависимость между временем эксплуатации эндопротеза Веллера и возрастом пациентов представлена на рис. 5.

Проанализирована некоторая зависимость между временем эксплуатации эндопротеза Веллера и возрастом пациентов. При увеличении возраста пациентов наблюдается некоторое увеличение времени эксплуатации протеза. Линия тренда возрастает и описывается следующим уравнением: у = 0,912 x - 56,901. Коэффициент 2

корреляции R стремится к единице (т.е. 0,948).

Зависимости между средним возрастом пациентов и средним временем эксплуатации эндопротеза Веллера в анализируемых группах представлены на рис. 6, 7.

Средний возраст пациентов увеличивается от I до IV группы. Линия тренда возрастает. Максимальная разность между средними значениями возникает для III и IV

Время эксплуатации эндопротеза (год)

Рис. 8. Зависимость между параметром S _t и временем эксплуатации эндопротеза Веллера

Время эксплуатации эндопротеза (год)

Рис. 9. Зависимость между параметром S _z и временем эксплуатации эндопротеза Веллера

Рис. 10. Зависимость между фрактальной размерностью и временем эксплуатации эндопротеза Веллера групп (7,9 года). Меньшая и сходная разности наблюдаются для I и II групп (3,6 года) и для II и III групп (3,8 года).

Время эксплуатации эндопротеза Веллера увеличивается от I до IV группы. Линия тренда возрастает. Максимальная разность между средними значениями возникает для III и IV групп (6,5 лет). Меньшая и сходная разности наблюдаются для I и II групп (4,5 года) и для II и III групп (4,4 года).

Группа (время эксплуатации эндопротеза (год))

Рис. 11. Средние значения параметра S_t в анализируемых группах

Рис. 12. Средние значения параметра S_z в анализируемых группах

Зависимости параметров S_t , S_z и фрактальной размерности ( S_fd ) от времени эксплуатации эндопротеза Веллера показаны на рис. 8, 9 и 10.

Максимальные численные значения анализируемых параметров S_t , S_z и S_fd имеют место для неэксплуатированных поверхностей, а минимальные значения наблюдались для головок, которые эксплуатировались от 16 до 20 лет. Линии тренда на рис. 8–10 возрастают. Между проанализированными параметрами и временем эксплуатации эндопротеза Веллера выявлены статистически значимые зависимости 2

( p >  0.001). Значения коэффициентов корреляции R лежат в интервале от 0,7099 до 0,8658.

Средние значения параметров S_t , S_z анализируемых групп описаны на рис. 11 и 12.

Максимальные средние значения анализируемых параметров S_t и S_z имеют место для неиспользованных протезов. Минимальные значения получены для головок, которые эксплуатировались от 16 до 20 лет. Линии тренда на рис. 11 и 12 возрастают. Максимальная разность средних значений параметров S_t и S_z имеет место для групп II

Группа (время эксплуатации эндопротеза (год))

Рис. 13. Средние значения фрактальной размерности в анализируемых группах и III (St = 0,34764 и Sz = 0,29219), наименьшая - для групп I и II (St = 0,32636 и Sz = 0,201). Меньшие и сравнимые разности средних значений параметров возникают для групп I и II или III и IV (0,10652 < St < 0,32636 и 0,0746 < Sz < 0,201).

Средние значения фрактальной размерности ( S_fd ) в анализируемых группах описаны на рис. 13.

Максимальные значения фрактальной размерности поверхности головки возникают для неэксплуатированных поверхностей эндопротеза Веллера. Линия тренда возрастает. Разности средних значений для групп 0 и I, I и II, II и III или III и IV образуют уменьшающуюся последовательность значений: 0,1084; 0,0864; 0,0492 и 0,0472.

Обсуждение

Искусственные суставы работают в существенно худших условиях по сравнению с природными суставами [2, 4, 5, 8, 11, 12, 15]. Время эксплуатации различных моделей искусственных тазобедренных суставов лежит в интервале от 10 до 15 лет [4–6, 8, 12, 15].

Эндопротезы Веллера были удалены с тела пациентов в возрасте от 65 до 86 лет ( x = 74,1; а = 5,5) после асептического расшатывания. Эти эндопротезы были имплантированы в возрасте от 61 до 66 лет ( x = 63,4; а = 1,2). Время эксплуатации суставов Веллера находится в интервале от 2 до 20 лет ( x = 10,7; а = 5,2).

Авторы данной статьи и другие исследователи провели исследования неиспользованных головок эндопротеза Веллера, которые изготовлены с резкими пиками на поверхности головки, оставшимися после обработки металла [2, 4, 9, 11, 15]. Из этого вытекает, что максимальные численные значения анализируемых параметров относятся к поверхностям неиспользованных головок эндопротеза. Эти параметры имеют следующие значения: 1,1397 <  S t <  1,2321; 0,91197 <  S z <  0,9362 и 2,7894 <  S fd <  2,8957. Максимальные значения параметра S fd означают малое развитие поверхности.

Высокие значения параметров шероховатости S_t , S_z и фрактальной размерности относятся к неиспользованным головкам эндопротеза Веллера.

Изменения, которые возникают с увеличением времени эксплуатации эндопротеза Веллера, вызваны возвратно–поступательным движением. Искусственный тазобедренный сустав должен выдержать примерно 12 миллионов циклов [6].

Минимальные численные значения параметров наблюдались для долго эксплуатируемых поверхностей головок эндопротеза Веллера: 0, 25635 ≤ S_t ≤ 0,35916 мкм, 0,22471 ≤ S_z ≤ 0,31436 мкм и 2,4242 ≤ S_fd ≤ 2,6176 . Между полученными параметрами и временем эксплуатации эндопротеза Веллера выявлены статистически значимые отрицательные зависимости со значительной достоверностью: p >  0, 001 .

Эксплуатированные поверхности головок эндопротеза Веллера характеризуются существенно большей несущей способностью и малыми неровностями поверхности. Этот факт означает некоторое уменьшение микрокаверн на поверхности головки, где присутствует синовиальная жидкость. Данная ситуация свидетельствует о плохих условиях работы для смазывания и трения во фрикционной паре “чаша–головка” искусственного сустава.

Выводы

Из проделанных исследований можно сделать следующие выводы.

• •    Максимальные значения параметров шероховатости S_t и S_z наблюдаются для новых (т.е. не эксплуатированных) поверхностей головки эндопротеза Веллера.

• •    Максимальные значения фрактальной размерности также отмечены для новых (т.е. не эксплуатированных) поверхностей головки эндопротеза Веллера.

• •    Численные значения S_t и S_z значительно уменьшаются при увеличении времени эксплуатации эндопротеза Веллера.

• •    Уменьшение численных значений фрактальной размерности означает увеличение нагрузок на поверхность головки эндопротеза Веллера.

• •    Уменьшение значений параметров шероховатости и фрактальной размерности означает некоторое уплощение эндопротеза Веллера. Этот факт говорит о плохих условиях смазки во фрикционной паре “чаша–головка” эндопротеза.

Благодарности

Авторы искренне благодарят коллегу профессора, доктора наук, дипломированного инженера Владимира Любимова (Механический факультет Жешовского технического университета) за дискуссию и помощь в подготовке некоторых образцов поверхности головки эндопротеза Веллера для сканирования.