Rivista di Patologia dell Apparato Locomotore Vol. II Fasc. 1/2 2003 105 La protesi di ginocchio vincolata modulare con meccanica a cuscinetti a sfera Total modular knee joint prosthesis hinged with ball bearing blocks MONTELEONE G., UGOLINI F., MONTELEONE M. Università degli Studi di Roma Tor Vergata Dipartimento di Chirurgia I a Sezione di Ortopedia. Direttore: Prof. MAURIZIO MONTELEONE Riassunto Si illustra una nuova protesi di ginocchio vincolata modulare realizzata con meccanica a cuscinetti a sfera e si espongono le osservazioni ottenute dalle prime applicazioni cliniche. Parole chiave: protesi di ginocchio vincolata cuscinetti a sfera. Summary A new total modular knee joint prosthesis hinged with ball bearing blocks is described, discussing its first clinical applications. Key words: Total hinged knee joint prosthesis Ball bearing blocks. Introduzione Nella pratica clinica la protesi vincolata di ginocchio rappresenta, in alcuni casi, uno strumento terapeutico insostituibile per il chirurgo ortopedico. L analisi di alcune casistiche con lungo follow-up di protesi vincolate impiantate negli anni 70 e 80 (Cameron et al., 1997; Bohm et al., 1998) sembra dimostrare anche una relativa longevità di questo tipo di protesi. Attualmente la meccanica delle protesi vincolate in commercio è fondata su criteri sostanzialmente uniformi: le componenti femorale e tibiale si articolano mediante una cerniera che rappresenta fondamentalmente l evoluzione naturale delle protesi di ginocchio vincolate valutate nelle revisioni a distanza sopramenzionate. Queste cerniere, che assolvono il compito di conferire tutta la stabilità necessaria all articolazione, sono esposte a considerevoli sollecitazioni che determinano in tempi relativamente brevi un usura di grado elevato. Le parti protesiche esposte all usura, in genere rivestite con polietilene, si alterano sotto l azione dei forti momenti applicati sull articolazione del ginocchio e danno luogo a giochi modificando la cinematica della protesi. Il presente lavoro illustra per la prima volta, un innovativo progetto (corredato da applicazione clinica) di protesi di ginocchio con meccanica a cuscinetti a sfera o rullini. Questo accorgimento, mai adottato in precedenza, si propone di risolvere il problema dell usura delle componenti protesiche, minimizzandone al contempo l attrito.
106 MONTELEONE G., UGOLINI F., MONTELEONE M. Caratteristiche tecniche Si tratta di una protesi totale di ginocchio (Fig. 1) da inserire, secondo la classificazione per importanza del vincolo, nel gruppo delle protesi vincolate rigide (con cerniere metalliche ad asse fisso) (Insall, 1986). Questo inquadramento risulta certamente riduttivo per la versatilità che il prototipo dimostra. Infatti grazie alla possibilità di aggiungere o togliere vari moduli consente di rispettare la rotazione automatica qualora sia necessario. La caratteristica principale che la distingue risiede nel corpo centrale: tra il FIGURA 1 corpo della componente femorale e l asse della cerniera sono interposti due cuscinetti a rotolamento con sfere. Questo accorgimento permette: 1) La riduzione degli attriti sotto carico a valori quasi nulli 2) L assenza di usura, quindi mancanza delle problematiche legate alla produzione di microparticelle di polietilene che sono sempre in agguato in presenza di materiali simili. 3) Vita praticamente infinita MTBF (Mean Time Between Failures) > 10 9 cicli corrispondenti a circa 1000 anni di cammino umano basandosi su una media di 5000 passi /giorno corrispondenti a 1000000 passi / anno. Il cuscinetto, che può funzionare a secco per via della bassa velocità di rotazione, deve essere costruito in materiale biocompatibile (acciaio inox A I S I 316 L, in lega di titanio, lega cromo cobalto molibdeno o inerti ceramici secondo le più recenti indicazioni delle tecnologie spaziali) in quanto si trova immerso nei liquidi organici. La modularità è una qualità indispensabile per una protesi rivolta principalmente alla chirurgia oncologica e di revisione: l impianto può in tal modo sopperire a lacune create da ampie resezioni o nel caso di riduzioni del bone stoke causate da un impianto precedente. Il prototipo prevede varie misure delle componenti, la possibilità di scegliere a piacimento in base alla qualità dell osso riscontrata, steli cementati o a press fit, con forme e dimensioni variabili da assemblare con il corpo centrale unico e chiuso, pronto da installare in fabbrica. È inoltre possibile inserire moduli e spaziatori fra corpo centrale e/o gli steli. È molto importante notare che tutte queste possibilità vengono lasciate al chirurgo durante l intervento operatorio: la protesi è infatti pensata e progettata come un in-
La protesi di ginocchio vincolata modulare con meccanica a cuscinetti a sfera 107 sieme di parti modulari, ciascuna con la propria precisa funzione, le quali vengono collegate tra loro con semplici innesti a coda di rondine che possono essere gestiti in maniera flessibile dal chirurgo durante la fase operatoria. Questo consente di strutturare la protesi come un insieme di componenti base collegabile ad un insieme di componenti di dimensioni diverse, che vengono tutti forniti nella protesi base, e che vengono scelte di misura in misura in funzione delle necessità del momento. Pertanto la protesi si configura come una scatola di montaggio nel quale l elemento portante è il corpo centrale di cerniera, che viene fornito preassemblato, chiuso, pronto all uso e dotato di due innesti a coda di rondine, superiore ed inferiore. E di una serie di elementi che ad esso si collegano, che vanno invece personalizzati di paziente in paziente, ma sono presterilizzati e forniti in confezioni sterili pronti ad essere utilizzati proprio nel corso dell operazione. La rotazione attiva della tibia sul proprio asse in flessione (15 ) tanto cara a numerosi autori, così come il valgismo fisiologico del ginocchio (8 ), possono essere rispettati attraverso l inserimento di moduli appositi. FIGURA 2 La connessione dei vari moduli avviene mediante innesto a coda di rondine: si tratta di un innesto utilizzato da decenni nel settore meccanico di grandissima robustezza e notevole semplicità. L innesto è di semplice inserimento e viene bloccato da viti che non portano carico, lasciando questo esclusivamente alla forma e all incastro delle superfici e masse strutturali metalliche. I componenti della protesi sono i seguenti: Corpo centrale Come sopra detto è l elemento centrale della protesi (Fig. 2). Si compone di un asse sul quale vengono calettati due cuscinetti a rullini. La larghezza dell asse non supera quella del piatto tibiale medio, ed i cuscinetti sono all estremità per la massima stabilizzazione ed assorbimento dei momenti flettenti. Sull anello esterno dei cuscinetti viene calettata in fabbrica la copertura esterna della protesi; tutto viene premontato e confezionato. Sulla parte superiore ed inferiore del corpo centrale sono ricavate per fresatura due code di rondine con vite di bloccaggio (con filettatura autobloccante), in modo da poter collegare al corpo centrale le parti modulari ad esso adiacenti nel corso dell operazione. La vista laterale del corpo centrale evidenzia un offset pari a circa quindici millimetri tra l asse dello stelo femorale e quello tibiale per consentire il recupero della mancanza di scivolamento durante la rotazione delle due parti (si tratta infatti, di una protesi isocentrica). Consente una flessione di 140. Al corpo centrale così costituito vengono collegati gli spaziatori femorale e/o tibiale, il modulo di valgismo, il modulo di rotazione e gli steli femorale e ti-
108 MONTELEONE G., UGOLINI F., MONTELEONE M. FIGURA 3 biale, che possono essere collegati sia al corpo centrale, che allo spaziatore ove questo si renda necessario per grandi resezioni ossee. Queste possono indifferentemente avvenire per la parte tibiale e/o femorale in quanto la protesi è in questo senso completamente flessibile. Stelo femorale e tibiale Gli steli femorale e tibiale (Fig. 3) sono realizzati con innesto a coda di rondine, complementare a quello presente sul corpo centrale e sugli spaziatori, quando necessari, e sul modulo di valgismo e rotazione (quando necessari). È fondamentale notare che la modularità della protesi consente l utilizzazione di steli femorali e tibiali sia di tipo cementato che a press-fit, di qualunque tipologia, materiale, e filosofia: infatti la presenza del giunto modulare di disaccoppiamento a coda di rondine consente l utilizzazione rispetto al corpo centrale di qualunque tipologia si desideri utilizzare per gli steli, a limite anche differente tra quello tibiale e femorale. piatto tibiale (Fig. 4) costituito da una rondella di dimensioni relativamente grandi per evitare l affondamento della componente centrale o dello spaziatore all interno della tibia. Allo stesso mondo un piatto femorale (Fig. 5) si interpone fra l stelo femorale e il corpo centrale (o l eventuale spaziatore). Questi piatti sono dotati di sistemi antirotazione: quello tibiale è dotato di due corna rivolte verso l interno della tibia, mentre il più piccolo piatto femorale è dotato di un semianello ad L con dei fori nei quali si inserisce una vite Parker di blocco antirotazione. Entrambi i piatti sono dotati di foro quadrato, che va ad inserirsi nella sezione quadrata dello stelo, alta due millimetri, alla base ci ciascun stelo: in questo modo trasmettendo le coppie di rotazione, e pertanto impedendo la rotazione relativa fra la parte interna dello stelo ed il piatto antirotazione. Moduli valgismo e rotazione Piatti tibiale e femorale Fra lo stelo tibiale ed il corpo centrale (o gli spaziatori) viene inserito un FIGURA 4
La protesi di ginocchio vincolata modulare con meccanica a cuscinetti a sfera 109 FIGURA 5 Questi due moduli, sono sostanzialmente due piccole capsule cilindriche anch esse dotate di attacchi universali a coda di rondine, che possono essere inserite in qualunque punto della catena modulare, ma preferibilmente dal lato femorale e collegate al corpo centrale per il modulo valgismo, e dal lato tibiale collegate al corpo centrale per il modulo rotazione, e consentono rispettivamente: un recupero di angolo standardizzato in 8 per il modulo valgismo (Fig. 6): consente di inclinare l attacco superiore femorale dello spaziatore e stelo femorale rispetto al corpo centrale, riproducendo pertanto il valgismo fisiologico. Ove occorra può essere costruito un modulo valgismo di angolo qual si voglia, in funzione di pazienti particolari. una rotazione esterna in flessione pari a 15 raggiunti nella posizione di massima estensione. Questo modulo, non strettamente necessario, consente la riproduzione del tutto fedele del cinematismo rotatorio nel piano coronale. FIGURA 6
110 MONTELEONE G., UGOLINI F., MONTELEONE M. Spaziatori FIGURA 7 Per consentire ampie resezioni e poter adattare ciascuna protesi ad ogni situazione intraoperatoria, e poter fare questo anche durante un intervento ed anche con misure differenti a quelle calcolate preoperatoriamente, sono stati previsti degli spaziatori tubulari (Fig. 7): si tratta di elementi cilindrici modulari indifferentemente femorali o tibiali, FIGURA 8 Segmento della porzione patologica del femore dopo asportazione costruiti in dimensioni variabile fra 10 mm e 100 mm (o anche più ove occorra), dotati ad entrambe le estremità dell attacco a coda di rondine. Questi spaziatori, che sostituiscono un precedente progetto di spaziatori ad anello, possono essere prescelti ed inseriti facilmente dal chirurgo in corso d opera per collegare lo stelo femorale o tibiale con il corpo protesi quando la resezione sia tale da necessitare di uno spazio fra questi. Esempi clinici Caso 1 G. R. (femmina) 16 anni. In seguito all insorgenza di una ingravescente sintomatologia dolorosa diffusa al ginocchio sinistro con conseguente limitazione funzionale, la paziente eseguiva un esame radiografico della regione che evidenziava la presenza di un area osteolitica dell epicondilo interno del ginocchio sinistro. L esame bioptico eseguito successivamente consentiva la diagnosi di osteosarcoma al terzo distale del femore sinistro. Gli esami scintigrafico e in tomografia computerizzata non evidenziavano localizzazioni in altre sedi. La paziente veniva sottoposta a trattamento chemioterapico preoperatorio: due cicli con actinomicina, bleomicina e ciclofosfamide ed a un ciclo con metrotrexate per un periodo totale di 5 mesi. Al momento dell intervento la circonferenza della coscia misurata a livello del polo superiore della rotula era di circa 2 cm superiore alla misura controlaterale. L esame in tomografia computerizzata preoperatorio rilevava una riduzione volumetrica della componente molle del processo. Si eseguiva intervento di asportazione del terzo distale del femore con la massa tumorale (Fig.
La protesi di ginocchio vincolata modulare con meccanica a cuscinetti a sfera 111 FIGURA 9 Esame radiografico della protesi impiantata con spaziatori ad anello 8) ed impianto della protesi mediante steli non cementati (Fig. 9). La paziente eseguiva un ciclo di fisiocinesiterapia al termine del quale non presentava sintomatologia dolorosa, era perfettamente in grado di deambulare, salire e scendere le scale (Fig. 10). A 26 mesi di distanza, in seguito alla recidiva della FIGURA 10
112 MONTELEONE G., UGOLINI F., MONTELEONE M. FIGURA 11 Segmento della porzione patologica del femore dopo asportazione G. S. (maschio) 13 anni. Ha iniziato ad accusare dolore al ginocchio destro ed un controllo radiologico mostrava la presenza di una zona di osteopoiesi con aspetto a sole radiante. La diagnosi clinica e radiologica (successivamente confermata da numerosi esami istologici eseguiti anche in laboratori d oltre oceano) era matematicamente di osteosarcoma. Come caso era auspicabile un atto chirurgico demolitivo ma non si otteneva il consenso (il paziente era un minore) dei genitori per questo tipo di intervento. Si tentava pertanto, dopo trattamento con chemioterapici (peraltro non ben sopportati dal paziente) un intervento di resezione dell estremo distale femorale (Fig. 11) in zona apparentemente sana e si procedeva all applicazione della protesi (Fig. 12). Il paziente dopo rieducazione funzionale, trascorreva un periodo di relativo benessere di circa 15 mesi superati i quali notava la comparsa di una tumefazione in corrispondenza del terzo distale della coscia che veniva valutata come recidiva locale. Tenendo presente quanto previsto all inizio si procedeva all intervento di disarticola- neoplasia si rimuovevano le componenti protesiche e si eseguiva un intervento di disarticolazione d anca. La paziente successivamente subiva una pneumectomia parziale per la presenza di una localizzazione metastatica: a distanza di dodici anni utilizza una protesi esterna e gode di buona salute. Caso 2 FIGURA 12 Esame radiografico della protesi impiantata con spaziatori tubolari con innesto a coda di rondine
La protesi di ginocchio vincolata modulare con meccanica a cuscinetti a sfera 113 zione. Il paziente dotato di protesi esterna a distanza di dodici anni gode di buona salute. Discussione I presupposti teorici sui quali si basa la protesi a cuscinetti a sfera sono facilmente comprensibili, in quanto sfruttano un accorgimento diffusamente utilizzato in oggetti di uso comune. Il sistema a cuscinetti a sfera viene applicato ogniqualvolta sia necessario risolvere il problema dell assorbimento di sollecitazioni con notevole energia e frequenza. In campo biomeccanico e in particolare nella protesica del ginocchio la preoccupazione del progettista, non è certo stata indirizzata verso la solidità del sistema (già ampiamente sperimentato in a situazioni con sollecitazioni di grado notevolmente superiore), piuttosto sull azione dei liquidi organici sul meccanismo con cuscinetti sfera: tale problema è stato risolto non isolando completamente dall esterno il meccanismo dei cuscinetti, ma al contrario lasciando liberi i liquidi organici di accedere all interno del corpo centrale. La sperimentazione ha infatti dimostrato la funzionalità del sistema: la rimozione della protesi a distanza di due anni ha consentito di valutare la perfetta tenuta di cuscinetti che sono rimasti assolutamente inalterati. Questa base di progetto apre la strada ad una famiglia di protesi, che potrà essere caratterizzata agendo sui materiali e le geometrie consentendo una notevole versatilità nelle applicazioni. Riteniamo che la nostra esperienza possa sicuramente aprire una nuova strada, completamente diversa da quelle percorse fino adesso e condurre in tempi relativamente brevi alla costruzione di una protesi in grado di risolvere i problemi di solidità e durata che affliggono sia l oncologia ortopedica che le chirurgia di revisione della protesi di ginocchio. BIBLIOGRAFIA BÖHM P., HOLY T.: Is there a future for hinged prostheses in primary total knee arthroplasty? A 20 - year survivorship analysis of the blauth prosthesis. J Bone Joint Surg 80A, 302-309, 1998. CAMERON H.U., HU C., VYAMONT D.: Hinge total knee replacement revisited. Can. J. Surg, 40, 278-283, 1997. INSALL J.N.: Chirurgia del ginocchio. Ed. Verducci, Roma, Vol. 2, 632, 1986. Address reprint requests to: GIOVANNI MONTELEONE M.D. Dipartimento di chirurgia Università degli Studi di Roma Tor Vergata Via Montpellier, 1 00133 Roma (Italy) e-mail: monteleo.g@tin.it Tel. +39 06 72596686 - Fax +39 06 20427294