Appunti di Endoprotesi

Appunti di endoprotesi

(parte del prof. Villa) a cura di Andrea Armagno

Ingegneria Biomedica A.A. 2017 - 2018

Progettazione di endoprotesi (Parte 2)

Introduzione

Si parlerà di protesi in uso clinico, tutto ciò che il mercato offre da questo punto di vista. Dapprima prenderemo in considerazione il sito anatomico d’interesse per la protesi. È una condizione necessaria: se devo sostituire una parte del corpo, devo prima capire come funzioni quella parte, devo sapere bene la parte naturale com’è fatta, come funziona e le eventuali patologie. Andremo poi a investigare perché quella parte naturale incorre in patologie: perché va sostituita? Perché ad un certo punto un’articolazione non funziona più? È importante perché i fallimenti sono dovuti alle stesse cause che hanno determinato la patologia nella parte naturale che è stata rimpiazzata con il dispositivo. Questo serve per prevedere, o tentare di prevedere, se la parte artificiale incorre in problematiche.

Traduciamo la funzione che dobbiamo far avere alla protesi in specifica di progetto. Andremo poi a fare una descrizione delle diverse tipologie di protesi che si sono evolute negli anni rispetto a una determinata categoria. È importante per acquisire più elementi possibile che tentino di colmare il gap tra il nuovo dispositivo e la sua reale efficacia in uso clinico. Sapere quali protesi sono fallite e perché servirà per evitare di riproporre le stesse problematiche nei progetti protesici futuri. Faremo inoltre degli esempi numerici per alcune protesi che quantificano alcuni aspetti considerati come critici. Partiremo dapprima illustrando le protesi per il sistema muscolo-scheletrico, per poi passare a quelle per il sistema cardiovascolare.

Nella prima parte affronteremo singolarmente quattro dispositivi, ognuno per ogni lezione: protesi d’anca, protesi di ginocchio, dispositivi per osteosintesi, impianti dentali. Passeremo poi ai dispositivi cardiovascolari.

A.A.

[Modalità d’esame: 23 crocette, 10 punti tra un micro-esercizio e una domanda di teoria aperta]

Protesi d’anca

La protesi d’anca fa parte delle endoprotesi ortopediche che va a sostituire articolazioni mobili, quindi congiunzioni di due capi ossei che per poter garantire il movimento dell’estremità devono avere alcuni gradi di libertà. Le articolazioni che ci riguardano (anca e ginocchio) sono caratterizzate da ampi gradi di libertà. Esistono comunque praticamente protesi ortopediche per ogni articolazione del corpo umano: spalla, gomito, polso, mano. La forma di un’articolazione naturale determina la sua funzione. In particolare nelle articolazioni del sistema muscolo-scheletrico, la forma determina il numero e i gradi libertà, ma l’ampiezza dei movimenti dell’articolazione è anche legata alla combinazione della forma e dell’azione di una serie di strutture o tessuti legamentosi o molli che limitano i movimenti. Ad esempio nel ginocchio, quattro legamenti impediscono la dislocazione delle due estremità del ginocchio. L’articolazione dell’anca è formata dall'estremità del femore che si innesta in una cavità ricavata nel bacino, l’acetabolo. L’accoppiamento è di tipo sferico: una semisfera (testa del femore) che ruota all’interno di una cavità semisferica (acetabolo). Dobbiamo quindi garantire lo stesso numero di gradi di libertà dell’articolazione naturale.

• Acetabolo o cotile
• Testa del femore
• Grande trocantere
• Piccolo trocantere
• Collo del femore

La funzione di questa articolazione è di garantire il movimento relativo della parte superiore e inferiore del corpo umano. Questo movimento relativo si trova in tutte le attività quotidiane: il cammino, ad esempio. La coscia e l’arto inferiore devono poter ruotare rispetto alla parte superiore del corpo. Essendo coinvolta però in questa attività principale, è un’articolazione soggetta a dei carichi estremamente importanti: dal punto di vista meccanico è fortemente sollecitata. Cerchiamo di capire di quale entità di carico si tratta.

Appoggi e forze

Appoggio bipodalico

La forza che insiste su ciascuna anca è il peso corporeo meno due volte il peso di una gamba, diviso due. Quindi più o meno in un paziente sugli 80 kg abbiamo una forza di 35 kg.

Appoggio monopodalico

Cosa succede se dall’appoggio bipodalico decidessi di camminare? Il baricentro non è più centrato con l’osso. Succede che la forza a livello dell’articolazione dell’anca genera un momento (M, in senso antiorario). Questo momento tenderebbe a farmi ribaltare se non ci fosse qualcosa che lo equilibra: questo è dato da una forza muscolare (R) generata dai muscoli abduttori che si innestano a livello della cresta iliaca del bacino: contrastano quindi l’azione della forza peso e dal momento da esso generato. I momenti prodotti dalle due forze devono equilibrarsi per far sì che il soggetto stia in piedi in equilibrio. La forza si scarica sull’articolazione dell’anca. Ad ogni ciclo del passo genero sull’articolazione una forza risultante F che ha un’entità estremamente importante. La forza F è la somma vettoriale della forza peso e della forza muscolare.

A.A.

Quantifichiamola, allora. Come vediamo Ca = Rb, ovvero il momento prodotto dalla forza peso deve equilibrarsi con il momento generato dall’abduttore. Prendendo solo le componenti verticali della forza, possiamo scrivere che F è pressoché uguale a R+C. C’è un problema però, di natura anatomica: il rapporto tra i due bracci a e b. Grosso modo però, il rapporto è 3-4 volte. Per soddisfare questa condizione, devo avere la forza F molto elevata. La risultante che si scarica sull’anca vale 5 allora volte il peso corporeo (5C, diventa circa 400 chili su ciascuna delle anche, per un soggetto di 80 chili)! Le protesi allora da progettare a questo scopo, da un punto di vista meccanico, devono soddisfare condizioni estremamente sfidanti.

Ecco un esempio delle forze che intervengono su anca e ginocchio a seconda delle attività, ricordando che sull’anca si scaricano delle forze maggiore che sul ginocchio, anche se esso purtroppo ha problemi di resistenza e usura maggiori rispetto all’anca.

È importante conoscere i valori nelle sollecitazioni nelle attività più comuni, come alzarsi da una sedia, perché bisogna comunque garantire uno stile di vita accettabile per il paziente. Non posso non permettergli di fare le scale, né di alzarsi dal letto. Piuttosto sconsiglierei di fare attività sportiva! Ci si aspetta oggi che un paziente che porta una protesi d’anca possa fare esattamente le stesse cose che poteva fare prima dell’impianto. La situazione peggiore è quando si inciampa: il fattore multiplo arriva fino a 10 volte il peso corporeo. Per consentire al paziente di stare in piedi, infatti, si attivano una serie di muscoli diversi e ulteriori rispetto all’appoggio monopodico che generano una azione nell’anca molto gravosa. È quindi importante in fase progettuale prevedere anche questa eventualità.

Patologie

Le patologie sono classificate secondo quattro criteri:

• Processi degenerativi: L’artrosi o artrite reumatoide: i capi ossei sono ricoperti da un tessuto cartilagineo che garantisce che il movimento relativo tra la testa del femore e la cavità acetabularie avvenga con un coefficiente d’attrito molto basso, quindi un dispendio energetico limitato, estremamente efficiente. Ad oggi non esiste nessun accoppiamento artificiale con lo stesso coefficiente d’attrito così basso come la cartilagine sana. L’artrosi è una malattia reumatica articolare che ha la caratteristica di avere una degenerazione cronica irreversibile, non si può bloccare. Si esplica in un danno cartilagineo. Può avvenire a livello primario e soprattutto a livello di tutte le articolazioni del corpo. Un osso è in grado di ricrescere, la pelle allo stesso modo, ma la cartilagine non è in grado di rigenerarsi, purtroppo, essendo un tessuto avascolarizzato. Il fatto che degeneri in alcuni punti vuol dire che il carico che portava tutta la cartilagine era sopportato da una porzione minore di essa. Questo vuol dire che questa ha una maggiore probabilità di degenerare ulteriormente: si instaura una catena catastrofica. Quando la situazione è estremamente compromessa, il contatto tra i capi ossei causa un dolore nel paziente insopportabile e invalidante, che porta inevitabilmente alla sostituzione.
• Abbiamo parlato di sforzi agenti sulla cartilagine rimanente dopo lo scatenamento di fenomeni artrosici. Tale sforzo dipende anche dalla forza articolare che ci va sopra. Esso è la reazione vincolare a livello dell’anca diviso l’area su cui essa agisce, la porzione resistente. Pensando al rapporto fisiologico tra i bracci di prima: in condizioni patologiche esso può peggiorare, causare un aumento della reazione vincolare e quindi un aumento a livello della cartilagine, causando una degenerazione meccanica, instaurando un’artrosi secondaria che diviene cronica. Così come a seguito di malattie degenerative, fin dalla nascita però si possono avere rapporti tra i bracci squilibrati, a seguito di malformazioni genetiche, dunque ancora un aumento della reazione vincolare che si scarica sull’articolazione. Altro tipo di malattia degenerativa è l’osteoporosi: questa patologia invece presenta degenerazione dei rapporti anatomici ed è un processo degenerativo in quanto porta l’osso a rottura, comportando la sostituzione completa con l’utilizzo di una protesi d’anca.
• Processi infiammatori: La degenerazione può anche essere dovuta a processi infiammatori. Se non curata attraverso farmaci che agiscono a livello sistemico può portare a degenerazione e a protesizzazione. L’artrite reumatoide è la risposta patologica del sistema immunitario alla necessità di intervento sostitutivo dell’articolazione (testa del femore o a danno del compartimento acetabolare e quindi è solo la testa del femore che viene sostituita), mantenendo acetabolo naturale del paziente. È dovuta alla mancanza di cartilagine, tessuto che non si ricrea nel corpo umano.
• Anomalie congenite: In questo caso si tratta di un’anomalia che impedisce il corretto funzionamento dell’articolazione naturale, andando ad alterare i rapporti biomeccanici tra la forza degli abduttori e la forza peso. Abbiamo displasia dell’anca che altera la posizione del punto di intersezione dei muscoli abduttori. Nei casi più comuni si ha la lussazione congenita dell’anca: congenitamente la testa del femore si disarticola, dal momento che la testa del femore o acetabolo hanno dimensioni diverse da quelle fisiologiche; la capsula legamentosa si lascia andare a causa di questa continua lussazione, l’anca si lussa e anche qui si è costretti alla protesizzazione. Se questo si dovesse aggravare in età adulta si può curare attraverso sostituzione dell’articolazione dell’anca, appunto tramite protesizzazione. Si può ricorrere alla protesi anche per la coxa vara o coxa valga, sia per motivi estetici che per rischi legati alla schiena e alla postura: nel caso della coxa valga abbiamo delle anomalie scheletriche dove l’angolo cervico-afisario è diverso da quello fisiologico che normalmente è di 120° (>120°) mentre nella coxa vara è <120°. Si possono correggere gli angoli scorretti tra l’asse del femore e della tibia tramite protesi.
• Patologie traumatiche: Interviene un trauma a compromettere l’integrità dell’osso. Fratture di ogni tipo sono traumi sia a livello dell’acetabolo che dell’epifisi del femore dove la gravità dell’evento traumatico fa decidere se protesizzare o no. Cado sull’anca e questa si lussa. Una volta che si lussa si genera una perdita di funzionalità o di robustezza della componente legamento che tiene assieme le due componenti. Una volta ricomposta la lussazione è possibile che in semplici condizioni di cammino l’articolazione continui a lussarsi. In tal caso, l’unica maniera d’intervento è la sostituzione artificiale. La frattura del collo del femore è quella più comune nell’anziano. Le soluzioni sono di osteosintesi, che tenga assieme le varie parti dell’osso affinché si rigeneri da solo, ripristinando la continuità lesionata, oppure si ricorre alla sostituzione dell’intero accoppiamento. È la scelta più comune, anche se può apparire più invasiva. Solitamente l’anziano in questi casi è soggetto ad altre problematiche cliniche: è necessario quindi rimetterlo subito in piedi per evitare di aggravare il quadro clinico, e ciò è possibile con impianto. Nel caso di osteosintesi, i tempi sono più lunghi per potersi rimettere in piedi. Nel caso di incidente frontale, può essere necessario sostituire la cavità acetabolare con una artificiale, perché il femore potrebbe sfondarla. L’osteonecrosi della testa femorale è invece una delle maggiori cause di protesizzazione: molte delle cellule della testa del femore non vengono più irrorate e questo causa la sostituzione della testa del femore poiché il femore fisiologico non ci sta più nell’acetabolo protesico.

Biomeccanica patologica

C’è un certo tipo di rapporto tra braccio della forza peso e forza abduttore: abbiamo una sommatoria vettoriale delle forze. Il braccio degli abduttori tende ad accorciarsi in seguito a qualche patologia con conseguente aumento della forza peso e aumento della risultante che scarica sull’anca con conseguente aggravarsi della patologia.

A.A.

Questo tipo di patologia fu la prima dal punto di vista chirurgico: fu Charley che negli anni ’50 ha pensato come protesizzarla provando due soluzioni al problema degli accorciamenti dei muscoli abduttori. Uno dei due metodi andava bene, sebbene tuttavia la teoria di Charnley fallì dal momento che venne applicata in un periodo in cui si utilizzavano acciai, materiali non buoni che si rompevano: si notavano delle rotture frequenti a causa del dispositivo. Si capì che il rapporto tra i bracci di leva era la chiave per risolvere il problema ed ottenere una risultante agente sulla protesi più bassa rispetto al caso standard. Non avendo altri strumenti per migliorare le performance della protesi se non attraverso tecniche chirurgiche, il primo intervento che si fece fu la centralizzazione della testa femorale. Si allungò il collo della protesi, portando la testina in una posizione più centrale. I muscoli abduttori, avendo un braccio di leva più importante, globalmente facevano diminuire la reazione vincolare trasmessa sull’articolazione dell’anca. Si spostò dunque il centro dell’articolazione rispetto al baricentro del corpo a livello più mediale i bracci dei muscoli abduttori aumentavano la forza degli abduttori diminuiva la forza risultante risultava quindi più bassa (questo è un tipo di intervento che ancora in fase chirurgica ancora si attua!). Per aumentare il braccio degli abduttori si effettua un’osteotomia del grande trocantere dove viene tagliata una fetta di trocantere e la parte tagliata viene fatta ruotare in direzione prossimale; girando questa fetta di trocantere di fatto si aumenta il braccio degli abduttori.

A.A.

Nel caso in cui si pensa che il caso clinico in esame determini un’importante sollecitazione a livello della protesi si può decidere di centralizzare la testa femorale per far diminuire il carico complessivamente agente sulla protesi stessa. La domanda che potrebbe sorgere è: perché non si fa comunque sempre? È pur sempre vantaggioso biomeccanicamente… vero, però ci si scontra con un aspetto che è la conservazione della parte ossea. Le protesi ovviamente vengono impiantate al posto dell’articolazione naturale ma vengono ancorate a delle estremità ossee. L’acetabolo viene ancorato all’acetabolo naturale opportunamente lavorato (sagomati) mentre lo stelo è ancorato alla dialisi del femore. Lavorare le ossa vuol dire asportare del materiale affinché si raggiunga la forma desiderata. Le protesi, tuttavia, non sono eterne: le durate sono sicuramente buone per ora, ma non eterne! (20-25 anni). È possibile però che durante la vita del paziente la protesi debba essere sostituita. Questa sostituzione però implica asportazione di altra massa ossea: il rischio è che alla lunga non si trovi più massa ossea, sia per eccessiva asportazione nel corso delle revisioni, sia per eventuali problematiche del paziente stesso.

Specifiche di progetto di una protesi d’anca

• Consentire i gradi di libertà rotazionali consentiti dall’articolazione naturale fra la coscia ed il bacino. Il progettista si chiede: come realizzo l’accoppiamento articolare? Rifaccio un’articolazione artificiale che abbia forma simile a una naturale o scelgo un disegno che abbia una morfologia differente ma che garantisca le stesse performance? Nella protesi d’anca si copia la tipologia di accoppiamento che esiste in natura: si usa un accoppiamento sferico, cioè una sfera che ruota all’interno di una semisfera. Come in quasi in tutte le protesizzazioni si cerca quindi di riproporre al massimo i movimenti naturali ma di limitare al minimo la possibilità di lussazione.