Dr. Radu Fleacă

Teza de doctorat

UNIVERSITATEA „LUCIAN BLAGA” SIBIU

FACULTATEA DE MEDICINĂ „VICTOR PAPILIAN” SIBIU

  

DOCTORAND Dr. FleacĂ Sorin Radu

   REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT

  

TRANSPLANTUL OSTEOCONDRAL AUTOLOG ÎN

TRATAMENTUL LEZIUNILOR CARTILAJULUI ARTICULAR

 

CONDUCĂTOR DE DOCTORAT Prof. Univ. Dr. BAIER IOAN

  SIBIU

2009

 

 

Cuprins

 

1 - Introducere

2 - Noţiuni de anatomie a cartilajului articular

3 - Fiziologia şi fiziopatologia cartilajului articular

4 - Diagnosticul leziunilor cartilajului articular

5 - Clasificarea leziunilor cartilajului articular

6 - Incidenţa şi Prevalenţa 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 articulaţiei genunchiului

12 - Studiu biomecanic asupra rezistenţei la presiune a cilindrilor osteocondrali transplantaţi la nivelul condilului femural de vită

13 - Concluzii finale. Principalele contribuţii ale lucrării

 

 

 

REZUMAT

 

Cartilajul articular are un potenţial limitat de reparare spontană. Atunci când se produce, repararea unei leziuni condrale este parţială, iar ţesutul de reparaţie este un fibrocartilaj cu proprietăţi mecanice mult inferioare cartilajului hialin.

            Lezarea mecanică a unei suprafeţe articulare vă conduce la dezvoltarea prematură a artrozei. Tratarea acestei patologii prin endoprotezare prezintă mai multe dezavantaje, cu atât mai mult în cazul pacienţilor tineri la care durată de viaţă a unei proteze este mai scurtă decât la pacienţii mai vârstnici.

            Din acest motiv în ultimii ani s-a pus tot mai mult problema regenerării şi  reparării suprafeţelor 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 suprafeţei 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 transplantaţi şi nu în ultimul rând a femurului în sine prezintă încă numeroase necunoscute, ceea ce se conturează însă e faptul că toţi aceşti factori influenţează decisiv rezultatul biologic şi funcţional al transplantului.

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 chirurgiei reparative şi reconstructive a cartilajului.

În formularea obiectivelor lucrării de faţă au stat la bază concluziile desprinse din analiza şi sinteza stadiului actual al cercetărilor în domeniul chirurgiei cartilajului.

Obiectivele tezei de faţă sunt evaluarea leziunilor cartilajului articular şi analiza teoretică şi experimentală a comportării la încărcare a cilindrilor osteocondrali transplantaţi.

Teza de doctorat este structurată în treisprezece capitole în care sunt prezentate aspecte privind anatomia şi biomecanica cartilajului articular şi a articulaţiei 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 transplantaţi.

În finalul tezei sunt prezentate sintetic concluziile desprinse în fiecare etapă de elaborare a tezei de doctorat precum şi posibilele direcţii de continuare a cercetărilor.

 

Capitolul 2 prezintă noţiuni despre anatomia cartilajului articular. Prima parte a capitolului prezintă anatomia macroscopică şi microscopică a cartilajului articular. Este pus accentul pe anatomia structurală şi funcţională a cartilajului, necesare pentru înţelegerea 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 relaţtiile funcţionale dintre acestea. Următorul subcapitol prezintă anatomia structurală a cartilajului, cu zonele acestuia diferenţiate prin componente şi proprietăţi mecanice. Regiunile matricii sunt prezentate în subcapitolul următor.

            În continuare sunt prezentate noţiuni de anatomie a genunchiului. Aceasta este una dintre cele mai mari articulaţii a corpului omenesc şi prezintă o importanţă deosebită şi datorită anumitor particularităţi anatomice şi funcţionale care grăbesc uzura mai precoce şi accentuată a cartilajului articular şi evoluţia 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 particularităţilor anatomice genunchiul este folosit şi pentru prelevarea grefelor osteocondrale sau a recoltării de condrocite pentru culturi celulare necesare pentru realizarea transplantului de ţesuturi în chirurgia cartilajului articular. Prezentarea suprafeţelor articulare, a elementelor importante structurale ale capsulei articulare a fost făcută însoţită de imagini ale unor piese de disecţie realizate de autor. Noţiuni despre anatomia cartilajului articular al genunchiului sunt prezentate în urmatorul subcapitol. Geometria suprafeţelor osoase ale femurului distal diferă de cele cartilaginoase. Această diferenţa trebuie luată în considerare atunci când se interpretează rezultate ale investigaţiilor imagistice. Măsurători realizate la nivelul articulaţiei femuropatelare în diferite grade de flexie au găsit diferenţe semnificative între suprafeţele cartilaginoase şi osoase ale trohleei femurale. Există o mare variabilitate în ceea ce priveşte grosimea maximă şi medie a cartilajului articular la nivelul genunchiului, atât între diferitele suprafeţe articulare cât şi între diferiţi indivizi. Ultimul subcapitol prezintă noţiuni de biomecanică a genunchiului.

 

            Capitolul 3 prezintă fiziologia şi fiziopatologia cartilajului articular, necesare pentru înţelegerea mecanismelor care duc la menţinerea funcţiei cartilajului, a proceselor care determină degenerarea şi repararea ţesutului condral.         Proprietăţile unice mecanice şi biologice ale cartilajului articular depind de structura ţesutului şi de interacţiunile dintre condrocite şi matricea cartilaginoasă. Condrocitele formează reţeaua proteică ce asigură integritatea structurală a matricei şi prin aceasta a cartilajului. Colagenul de tip II, IX şi XI formează o reţea care conferă forma, rigiditatea şi rezistenţa la solicitare mecanică a cartilajului. Agrecanii (molecule mari de proteoglicani agregate) contribuie la rezistenţa ţesutului şi la asigurarea integrităţii structurale a acestuia alături de moleculele mici de proteoglicani (decorina, biglicani, etc.) prin legarea proteinelor matricei, ajutând la stabilizarea acesteia. De asemenea, aceste molecule influenţează la rândul lor activitatea condrocitelor şi prin legarea citokinelor.          

Ţesutul cartilaginos este supus unei remodelări continue în cursul vieţii datorită condrocitelor care înlocuiesc macromoleculele matriceale degradate. Turn-overul matricei depinde de abilitatea condrocitelor de a detecta alterări în compoziţia macromoleculelor matriceale, a macromoleculelor degradate şi de a răspunde prin sintetizarea tipului şi cantităţii adecvate de proteine. Matricea funcţionează ca un transductor pentru condrocite. Încărcarea cartilajului datorită solicitărilor mecanice ale articulaţiei crează stimuli mecanici, electrici şi chimici care influenţează direct activitatea de sinteza a condrocitelor. 

            Creşterea solicitării funcţionale a articulaţiei produce un răspuns din partea condrocitelor în sensul creşterii anabolismului care se manifestă prin remodelarea internă şi creşterea în volum a ţesutului. O suprasolicitare de durată a articulaţiei generează alterări în compoziţia matricii cu o eventuală pierdere a integrităţii structurale şi mecanice a acesteia. De asemenea, vârsta aduce alterări în activitatea metabolică a condrocitelor şi deci şi în compoziţia matricii, determinarea unui răspuns inadecvat a ţesutului la solicitare, ceea ce creşte posibilitatea degenerării cartilajului.

            Încărcarea mecanică a articulaţiei este esenţială pentru buna pentru păstrarea integrităţii structurale şi funcţionale a cartilajului articular. Studii experimentale au arătat că o scădere persistentă a încărcării mecanice a cartilajului articular  sau o imobilizare prelungită a articulaţiei scade concentraţia de proteoglicani şi gradul agregării acestora, ceea ce duce la alterarea proprietăţilor mecanice ale cartilajului.

            Pentru a menţine integritatea funcţională şi structurală a cartilajului articular este necesară o minimă încărcare şi mobilitate a articulaţiei. Pe de altă parte, suprasolicitarea mecanică a articulaţiei va determina un răspuns al condrocitelor prin creşterea activităţii 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 nutriţia condrocitelor este facilitată de compresia şi relaxarea cartilajului în timpul solicitărilor mecanice, în strânsă legătură cu mişcarea apei la nivelul ţesutului, însă nutriţia condrocitelor din starturile profunde (sub tidemark) pare a fi realizată şi din capilarele de la nivelul osului subcondral.

            Integritatea structurală şi funcţională a cartilajului articular depinde de interdependenţa 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 articulaţiilor. De asemenea, condrocitele sintetizează macromoleculele matricei. Condrocitele sunt legate de matricea extracelulară de molecule de suprafaţă care se numesc integrine şi care reacţionează la încărcare mecanică. De asemenea, condrocitele prezintă la suprafaţă receptori pentru o mare varietate de factori de creştere şi citokine cu rol în reglarea metabolismului ţesutului, secretă şi degradează componentele proteice ale matricei, fiind astfel responsabile de homeostazia ţesutului. Matricea transmite solicitările mecanice dinspre suprafaţa articulară spre condrocite, funcţionând astfel ca un transductor pentru condrocite. Totodată, prin matrice sunt transportate şi stocate multiple molecule: nutrienţi ai condrocitelor, proteine sintetizate, proteine matriceale degradate, citokine, factori de creştere, etc. Compoziţia şi organizarea matricii precum şi tipul şi concentraţia proteinelor structurale matriceale (în special proteoglicanii) influenţează tipul diverselor molecule care o pot străbate, precum şi viteza de trecere a acestora.

            Degenerarea cartilajului articular cu pierderea structurii şi funcţionalităţii acestuia precum şi modificările articulaţiei sinoviale care decurg din această generează durere şi pierderea funcţiei normale a articulaţiei. Durerea şi scăderea mobilităţii articulare sunt printre cauzele cel mai frecvente de morbiditate a populaţiei 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 suprafaţa articulară, generând osteoartroza secundară.

            Reacţia de reparare şi regenerare după degradarea posttraumatică sau degenerarea cartilajului articular matur este minimă, ţesutul cartilaginos neavând capacitatea de a repara prin restitutio ad integrum alterările structurale odată apărute.  Aceste observaţii au contribuit la interpretarea cartilajului articular ca fiind un ţesut inert de rezistenţă 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 integrităţii structurale şi a proprietăţilor mecanice ale acestuia. În consecinţă, 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 suprafeţelor articulare degradate. Un alt punct de vedere faţă de cel prezentat mai sus este acela că, ţesutul 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 puţin parţial şi în anumite cazuri integritatea cartilajului articular.

            Ultimul subcapitol prezintă câteva consideraţii biologice în artroză. Procesul de îmbătrânire se asociază cu alterări ale metabolismului cartilajului articular  care duc la degenerarea suprafeţei articulare. Acest proces este probabil determinat genetic, însă este influenţat de traumatisme şi alţi factori care alterează integritatea structurală sau metabolică a cartilajului articular. Remarcabila rezistenţă şi durabilitate într-un mediu solicitant mecanic a cartilajului articular reprezintă una dintre extraordinarele caracteristici ale acestuia. Menţinerea integrităţii structurale a suprafeţei 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 rezistenţa ţesutului la stresul mecanic şi se produce degradarea ţesutului cartilaginos. Deşi ca reacţie 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 ţesutului.

 

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: prezenţa 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 pacienţii cu leziuni ale cartilajului articular prezintă antecedente traumatice. Prezenţa unei colecţii articulare posttraumatice, instabilitate ligamentară, antecedente chirurgicale locale (de exemplu meniscectomie), deşi nespecifice, sunt sugestive pentru prezenţa unei leziuni condrale. Cel mai frecvent simptom este durerea. Deoarece cartilajul articular nu are inervaţie, durerea apare doar atunci când leziunea condrală atinge osul subcondral, există patologie asociată (instabilitate, leziuni meniscale) sau este prezent un răspuns inflamator (reacţie sinovială) la un traumatism.           De asemenea, pacienţii pot prezenta cracmente articulare, blocaje determinate de un fragment condral desprins sau chiar să descrie prezenţa unor formaţiuni mobile, dure, puţin dureroase (corp liber intraarticular). Prezenţa unor episoade tranzitorii de hidrartroză sunt descrise de asemenea de pacienţi, legate de o suprasolicitare a articulaţiei. Simptomele legate de instabilitatea ligamentară, instabilitate patelară sau leziuni meniscale asociate.

            Investigaţiile 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 informaţii utile pentru diagnosticarea leziunilor condrale şi a patologiei asociate cu acestea. Tomografia computerizată este o investigaţie care aduce informaţii 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 suprafeţei articulare, precum şi în evaluarea articulaţiei femuropatelare (displaziile trohleare) şi planningul preoperator în rupturile ligamentului femuropatelar medial. Rezonanţa Magnetică Nucleară este în prezent investigaţia imagistică de elecţie în diagnosticul şi evaluarea leziunilor condrale. Secvenţele standard T1 fast-spin nu sunt sensibile în evaluarea leziunilor cartilajului articular, însă secvenţele 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 articulaţiei femuropatelare datorită grosimii cartilajului. În imaginile T1 cu supresie a grăsimii cartilajul se evidenţiază mai intens comparativ cu lichidul articular şi osul subcondral, iar imaginile T2 fast-spin permit şi diferenţierea de structurile moi (meniscuri, ligamente). În ultimii ani s-au dezvoltat noi tehnici RMN care să crească acurateţea diagnosticului leziunilor condrale, tehnici ce se bazează pe injectarea unor substanţe de contrast ce modifică proprietăţile magnetice ale diferitelor componente ale matricii cartilajului. Cea mai folosită tehnică este cea în care se foloseşte Gadolinium care permite măsurarea conţinutului de glicozaminoglicani ai cartilajului: dGEMRIC.

 

            Examinarea artroscopică a genunchiului rămâne standardul de aur în diagnosticarea şi evaluarea leziunilor cartilajului articular. Examenul artroscopic permite evaluarea suprafeţei cartilajului, a rezistenţei la presiune, dar mai ales a mărimii şi profunzimii zonei leziunii condrale. Rezistenţa cartilajului la presiune se efectuează cu ajutorul exploratorului, şi se referă la forţă cu care acesta este împins înapoi după ce presiune a încetat. Persistenţa 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 suprafaţa cartilajului este netedă, lucioasă, o fără discontinuităţi. Pierderea luciului, prezenţa unor depresiuni, fisuri, fibrilaţii, 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 suprafaţa cartilajului: sânge care poate fi îndepărtat cu exploratorul în cazul unei hemartroze, cristale de oxalat de calciu în artropatia gutoasă la suprafaţa sau în masa cartilajului. Modificări ale formei şi conturului suprafeţelor articulare în fracturi, osteocondrită, precum şi prezenţa 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. Suprafaţa 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 diferenţa 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 iniţial un sistem de gradare a leziunilor condrale ale patelei, a fost extrapolată pentru a grada leziuni condrale şi în celelalte regiuni ale genunchiului. Acurateţea faţă de explorarea prin artrotomie este în jur de 70%, între 65% şi 85% faţă de evaluarea RMN, cu o bună acurateţe 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 societăţii în timpul ICRS 2000 Standarde Workshop. Constă în două părţi: 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 apariţie, 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 incidenţa şi prevalenţa leziunilor cartilajului articular. Valoarea reală a incidenţei 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, instabilităţi ligamentare, etc., având în vedere şi capacitatea redusă a radiografiilor şi a rezonanţei magnetice nucleare de a le diagnostica. Artroscopia diagnostică poate în fazele iniţiale să subdiagnosticheze sau subgradeze o leziune condrală care să evolueze în timp. Între 5 şi 10% din pacienţii cu hemartroză acută posttraumatică a genunchiului pot avea leziuni condrale profunde (în toată grosimea cartilajului). Deşi nu se cunoaşte incidenţa reală a leziunilor cartilajului articular, se pare că există un număr semnificativ de pacienţi cu leziuni condrale simptomatice.

 

Pentru a evalua prevalenţa leziunilor cartilajului articular la pacienţii examinaţi artroscopic în Sibiu am revăzut şi analizat datele culese de la pacienţii care au fost supuşi unei intervenţii artroscopice în Sibiu, în perioada 01 ianuarie 2005 – 30 iunie 2009, în scopul evaluării frecvenţei şi repartiţiei leziunilor cartilaginoase ale genunchiului. Lotul de studiu a cuprins un număr de 1058 de pacienţi cu 1062 de intervenţii chirurgicale artroscopice. Pacienţii au fost evaluaţi clinic, radiografic şi RMN (unii), efectuându-se apoi intervenţia chirurgicală artroscopică cu scop explorator şi terapeutic. Datele clinice ale pacienţilor au fost culese din fişele de urmărire ale pacienţilor completate la momentul operaţiei şi din bazele de date. Datele astfel obţinute au fost introduse într-un tabel Excel şi prelucrate statistic. În această analiză nu s-a urmărit evoluţia postoperatorie a pacienţilor, neexistând date sistematizate despre evoluţia leziunilor condrale decelate artroscopic. Au fost introduşi în această analiza toţi pacienţii supuşi unei intervenţii artroscopice la nivelul genunchiului în perioada precizată, astfel încât datele colectate sunt de la pacienţi consecutivi, neexistând criterii de excludere din studiu.

            Dintre cei 1062 de pacienţi (considerând număr de proceduri) examinaţi 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 puţin un compartiment.

            Vârsta medie a pacienţilor a fost de 38 de ani, având ca limite 11 şi respectiv 87 de ani. Din cei 86 pacienţi cu vârsta sub 19 ani operaţi, doar 29 adică 33,7% prezintă leziuni ale cartilajului articular, iar din cei 278 cu vârsta 20-29 de ani, 88 pacienţi, adică 31,6% prezentau leziuni condrale. Dintre cei 273 pacienţi de 30-39 ani, 139 pacienţi,  adică 50,9% au prezentat leziuni ale cartilajului articular. 62,9% dintre pacienţii de 40-49 ani (105 din 167 pacienţi operaţi), 74,2% dintre pacienţii de 50-59 ani (135 din 182 pacienţi operaţi), 75% dintre pacienţii de 60-69 ani (36 din 48 pacienţi), şi 56% (14 din 25) din pacienţii cu vârsta cuprinsă între 70-79 de ani au prezentat leziuni ale cartilajului articular în cel puţin o localizare la nivelul genunchiului operat. Creşterea prevalenţei 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 indicaţia de artroscopie, procentual mai puţine emondaje articulare pentru leziuni artrozice şi probabil mai multe artroplastii. Procentul de 100% (3 pacienţi) al populaţiei peste 80 ani nu are nici o semnificaţie statistică.

            Analiza datelor obţinute arată o prevalenţă mai mare a leziunilor cartilajului articular procentual la bărbaţi comparativ cu femei în grupele de vârstă 20-50 de ani, concomitent cu un număr mai mare de intervenţii artroscopice efectuate la bărbaţi – 516 comparativ cu 202 intervenţii la pacienţii de sex feminin în aceleaşi grupe de vârstă. După 50 de ani, procentul leziunilor condrale descoperite artroscopic devine mai mare la femei comparativ cu bărbaţii din aceleaşi grupe de vârstă, concomitent cu inversarea şi a raportului numărului de intervenţii chirurgicale efectuate (152 femei vs 106 bărbaţi).

            Dintre cei 549 pacienţi 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 pacienţilor. Creşterea procentului de pacienţi cu mai mult de o leziune dintre pacienţii 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 deţinem nu au permis evaluarea suprafeţei reale a defectului condral datorită lipsei înregistrării acesteia pentru un număr mare de pacienţi, ceea ce face imposibilă realizarea unei corelaţii suprafaţă - vârstă pe seria prezentată. Analiza prezenţei leziunilor de cartilaj „în oglindă” arată creşterea acestora funcţie de vârstă. Datele achiziţionate arată o prevalentă mai mare a leziunilor în oglindă din articulaţia patelo-femurală comparativ cu articulaţia femuro-tibială, fiind cel puţin la valori duble pentru grupele de vârstă 20-70 de ani.

            Un alt factor analizat a fost prevalenţa leziunilor cartilajului articular la pacienţii cu leziuni meniscale sau ligamentare ale genunchiului operat. Din totalul de 1062 de pacienţi, 610 pacienţi au prezentat o leziune a meniscului intern. Dintre aceştia, 63,3% au prezentat concomitent şi o leziune condrală. Dintre cei 250 de pacienţi 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 condiţii patologice. Pe de altă parte, în lotul de studiu 549 de pacienţi au prezentat leziuni ale cartilajului articular. Dintre aceştia, 386 de pacienţi, adică 70,3%,  prezentau şi o leziune a meniscului intern, 131 de pacienţi, 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 pacienţii cu leziuni condrale 171 adică 16,10% au prezentat leziuni la nivelul patelei, 42 la nivelul faţetei laterale şi 150 la nivelul faţetei articulare mediale 88 de pacienţi 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 pacienţi 32,29% au prezentat leziuni ale cartilajului, 331 la nivelul condilului intern şi 59 la nivelul condilului extern. 238 de pacienţi 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 frecvenţa mare a leziunilor cartilajului articular la nivelul condilului femural medial de 31,17% din totalul pacienţilor, având o diferenţă statistic semnificativa faţă de leziunile de la nivelul articulaţiei femuropatelare.

            Dintre cei 549 de pacienţi cu leziuni condrale, 162 de pacienţi adică 29,5% au prezentat leziuni în mai mult decât o locaţie. Din aceştia, 100 pacienţi au prezentat leziuni în oglindă în articulaţia femuropatelară şi 46 au prezentat leziuni în oglindă în articulaţia femuro-tibială. Deci, din totalul de 1062 de pacienţi,  146 de pacienţi (13,74%) au prezentat leziuni în oglindă, leziuni care restrâng mult posibilitatea reconstrucţiei chirurgicale a cartilajului lezat. Din datele analizate se constată predominanţa leziunilor condrale la nivelul condililor femurali la toate grupele de vârstă cu excepţia intervalului 40-49 de ani, când predomină leziunile de la nivelul platoului tibial. Leziunile de la nivelul trohleei femurale sunt cele mai puţin numeroase. Nu s-au găsit diferenţe statistic semnificative inter grupele de vârstă referitor la localizarea leziunilor condrale de la nivelul genunchiului.

            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 pacienţilor cu mai mult decât o leziune (162) şi considerăm că aceştia au leziunile de tip III şi IV, obţinem cel puţin 271 pacienţi cu acest grading al leziunii, ceea ce reprezintă 25,52 % din totalul pacienţilor.

La 118 dintre pacienţii analizaţi s-au efectuat microfracturi Steadmann, la 272 condroplastie prin abraziune sau abrazarea cartilajului articular şi la 9 pacienţi s-a efectuat transplant osteocondral autolog.

 

            În concluzie, analizând rezultatele obţinute din acest studiu se constată frecvenţa mai mare la sexul masculin şi în decada a 5-a de vârstă, o prevalenţă mai mare la nivelul genunchiului drept (nesemnificativ statistic), o predominanţă 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 mulţi bărbaţi operaţi artroscopic în lotul nostru, procentual mai frecvent femeile au prezentat leziuni condrale.

 

            Capitolul 7 prezintă tratamentul leziunilor cartilajului articular. Primul subcapitol prezintă modalităţile de tratament medicamentos al leziunilor cartilajului articular. Sunt prezentate ca indicaţii şi mod de acţiune condroitin sulfatul şi glicozamina, acidul hialuronic, antiinflamatoarele steroidiene şi nesteroidiene, precum şi substanţe 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 mulţi factori trebuie luaţi în considerare pentru a se lua o decizie în vederea tratării leziunii cartilajului articular: suprafaţa, profunzimea, localizarea, istoricul, leziunile asociate, stabilitatea genunchiului, leziuni meniscale, axele mecanice ale membrului, vârsta pacientului şi nu în ultimul rând solicitările funcţionale ale pacientului. Examenul RMN, Clasificarea Outerbridge, Sistemul de Evaluare ICRS sunt foarte utile pentru alegerea metodei terapeutice de ales. Scaglione et Al. a împărţit 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 suprafeţei cartilajului.

Procedurile primare în chirurgia cartilajului articular cuprind: lavajul şi debridarea cartilajului articular, utile pentru pacienţii cu solicitări mecanice ale articulaţiei reduse şi cu leziuni unice şi relativ reduse ca suprafaţă şi care nu doresc să urmeze un tratament recuperator de durată, proceduri prin care se spală mediatorii inflamatori care întreţin 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 simplităţii efectuării, instrumentaţiei comune şi timpul redus necesar pentru efectuare. Principalul dezavantaj este legat de repararea defectului cartilaginos prin fibrocartilaj, ceea ce limitează în timp rezultatul obţinut datorită proprietăţilor inferioare ale fibrocartilajului faţă 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 prezent cea mai larg folosită este tehnica microfracturilor Steadmann care utilizează nişte ţepuşe mici. Indicaţiile principale sunt pentru pacienţii tineri cu defecte sub 2 cm² şi pacienţii cu necesităţi funcţionale mai reduse şi leziuni sub 4 cm². Rezultate mai puţin bune la pacienţii 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 mulţi 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 intervenţie prin care se recoltează condrocite pentru culturi şi după dezvoltarea acestora in vitro o nouă intervenţie chirurgicală prin care se umple defectul cartilaginos cu aceste celule, contenţia 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 intervenţiei chirurgicale şi eliminându-se unele complicaţii legate de metodele de menţinere 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 obţine şi deci acoperi zone mai extinse de cartilaj, precum şi absenţa riscului de transmitere de boli de la donatori. Alogrefele osteocondrale sunt folosite ca o procedură de salvare pentru a reface o porţiune a articulaţiei distrusă în urma unui traumatism. Această tehnică este folosită pentru a acoperi defecte mari, >8 cm². În principal, o porţiune 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 susţinută 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 diferenţiere 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 obţinând un cartilaj de tip hialin-like. Matricile funcţionale mecanic impregnate cu condrocite şi blaşti care utilizează acelaşi principiu ca şi tehnica lui Dorotka, şi anume instrucţia celulară. Acest concept în dezvoltare se referă la maturarea accelerată a blaştilor aşezaţi 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 implantaţi după tehnica mozaicplastiei la nivelul defectului condral, aceşti cilindri vor fi colonizaţi 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 articulaţiei 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 importanţa efectuării unor meniscectomii economice, a reparării acestora şi trebuie luată în considerare posibilitatea efectuării unui transplant meniscal cu rol protectiv. Dintre tehnicile chirurgicale adjuvante dar importante pentru repararea leziunilor cartilajului articular şi pentru menţinerea funcţiei cartilajului sunt amintite Osteotomia tibială înaltă, Osteotomia femurală distală, Chirurgia meniscului şi nu în ultimul rând Stabilizarea ligamentară.

Ultimul subcapitol prezintă câteva noţiuni de recuperare funcţională a articulaţiei 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 mulţi 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 mulţi 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 suprafaţa 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 suprafaţa osului subcondral şi se practică nişte găuri în osul subjacent în care se vor introduce cilindri osteocondrali recoltaţi anterior. Tunelul receptor este creat cu 2 mm mai puţin adânc decât lungimea cilindrului osteocondral. Este importantă forarea tunelului perpendicular pe suprafaţa cartilajului, ceea ce va permite inserţia congruent a cilindrului, precum şi realizarea congruenţei dintre grefon şi suprafaţa cartilajului perijacent. Defectul cartilaginos trebuie să fie acoperit cât mai bine, de aceea distanţa 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.). Congruenţa suprafeţei cartilajului este foarte importantă în integrarea grefonului şi proprietăţile mecanice ale acestuia, şi prin urmare în rezultatul funcţional al transplantului. După cum arată mai multe studii cartilajul hialin autolog supravieţuieşte transplantării, ceea ce duce la acoperirea suprafeţei 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 interfaţa cartilaj-os în urma transplantării, ceea ce asigură baza fiziologică pentru obţinerea de durată a unui cartilaj de calitate. De asemenea, în cazul transplantului autolog grefa este protejată de reacţia 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 suprafeţei 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 obţinerii unei vindecări incomplete a cartilajului transplantat.

Indicaţia actuală principală a acestei tehnici este pentru defectele condrale de la nivelul condililor femurali (suprafaţa de sprijin) cu aria de 2-4 cm², la pacienţii activi, dar şi la pacienţi până la 50 de ani. Este necesar tratamentul concomitent al instabilităţii 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 puţin bune în leziunile condrale ale patelei. Contraindicaţiile tehnicii sunt: tumori, infecţii, 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 alţi autori, defect osos subcondral peste 1 cm adâncime, pacient noncompliant.

Intervenţia poate fi efectuată prin artrotomie, miniartrotomie sau artroscopic în funcţie de mărimea şi poziţia defectului condral şi experienţa 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 noţiuni 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 obţinute au fost prelucrate cu programul Next Engine, obţinându-se imagini tridimensionale ale osului din diferite poziţii. Premergător scanării pe suprafaţa osului a fost aplicată o pulbere mată care să evite reflecţia luminii laserului în procesul de scanare şi o suită de puncte care să permită corelarea poziţiei imaginilor pentru reconstrucţia 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 împărţirea segmentului osos scanat în elemente finite (discretizare) s-a efectuat analiza teoretică a deformărilor femurului scanat în condiţiile aplicării unei forţe axiale de compresiune. Pentru a putea efectua analiza comportării mecanice a femurului uman la compresiune în condiţii de transmitere a forţelor cât mai apropiate de condiţiile 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 prelevaţi de la nivelul marginii laterale şi dacă a fost necesar şi mediale a trohleei femurale şi au fost transplantaţi la nivelul condilului femural intern în zona de încărcare maximă. Atât pentru sensibilizarea rezultatelor cât şi din raţiuni tehnice nu au fost luate în considerare meniscurile şi influenţa lor asupra repartizării presiunilor la nivelul articulaţiei 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 de 4 cm². Pentru cilindri cu diametrul de 6 mm am efectuat analize pentru 6, respectiv 9 cilindri transplantaţi, ceea ce corespunde cu aproximativ 2 cm² şi 4 cm².

În continuare, am aplicat o forţă de-a lungul axului mecanic al ansamblului, considerând punct fix (constrângere) la nivelul secţiunii prin diafiza tibială. Forţa aplicată a fost de 1.200 N, cu scopul de a păstra o limită de siguranţă 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: Deformaţia echivalentă, Deplasarea totală, Tensiunea principală, Tensiunea echivalentă Sigma von Mises, precum şi factorul de siguranţă.

            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 suprafeţei transplantului osteocondral. Aceleaşi rezultate sunt obţinute 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 suprafeţei cilindrului în cazul situaţiei 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 suprafeţei transplantului osteocondral. Aceleaşi rezultate sunt obţinute 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 deformaţia echivalentă maximă a femurului osos cu valoarea de 0,0026941 mm/mm a fost obţinută în cazul transplantării unui singur cilindru la nivelul suprafeţei 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 transplantaţi şi fiind situată în masa condililor femurali la nivelul pereţilor dintre cilindri primitori. Deplasarea maximă obţinută 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 suprafeţei articulare a condililor femurali. Tensiunea principală a fost obţinută la nivelul suprafeţei 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, obţinută la nivelul suprafeţei 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, obţinută la nivelul pereţilor dintre tunelurile primitoare şi având în acest caz valori sub 50 Mpa la nivelul suprafeţei cilindrilor osteocondrali transplantaţi. Factorul de siguranţă are deci în aceste simulări valoare subunitară la nivelul cilindrilor transplantaţi, ceea ce arată că aceştia nu colapsează sub încărcarea la care au fost supuşi.

            Valorile parametrilor analizaţi variază şi în funcţie de poziţionarea celor două oase unul faţă de celălalt şi a cilindrilor la nivelul femurului distal. Variaţia acestora chiar în condiţiile menţinerii celorlalţi parametri anatomici şi biomecanici ai modelului vor genera valori ale tensiunilor şi deformaţiilor diferite. Aceşti parametri au valori apropiate, ceea ce arată un comportament similar al modelului în toate simulările teoretice efectuate.

            Analiza comparativă dintre modelele cu diametrul cilindrilor de 6 mm şi 8 mm care acoperă suprafeţe ale defectului condral similare (de 2 cm², respectiv de 4 cm²) arată că deformaţia echivalentă maximă a femurului osos a fost obţinută în toate analizele la nivelul suprafeţei cilindrului osteocondral transplantat şi are valori cu aproximativ 0,002 mm/mm mai mari în cazul cilindrilor cu diametrul de 6 mm faţă de cei cu diametrul de 8 mm. Deplasarea totală maximă obţinută la nivelul femurului distal a fost de aproximativ 2,2 mm, obţinută la nivelul diafizei femurale şi minimă la nivelul suprafeţei articulare a condililor femurali în toate simulările analizate. Tensiunea principală a fost obţinută la nivelul suprafeţei 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 obţinută 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 (suprafeţe echivalente) în cazul cilindrilor cu diametrul de 6 mm faţă de cele cu cilindri cu diametru de 8 mm, ceea ce reprezintă o diferenţă 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 deformaţia 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 faţă de cele cu mai mulţi cilindri transplantaţi 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 faţă de cei cu diametrul de 8 mm. O diferenţă semnificativă a fost obţinută la nivelul tensiunii echivalente totale sigma von Mises între modelele cu diametru de 6 mm şi 8 mm al cilindrilor transplantaţi. Din analiza rezultatelor obţinute se evidenţiază şi importanţa 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 (faţă de metodele clasice) pentru înţelegerea 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 fie făcută prin batere la vedere pentru a putea controla cât mai bine obţinerea unei suprafeţe 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 faţă de aceste dispozitive absolut necesare efectuării transplantului osteocondral mai sunt utile şi dispozitive care permit măsurarea adâncimii tunelului, dilatatoare ale tunelului primitor, canule pentru menţinerea portalurilor şi cu rol de ghiduri.

            Am realizat cele două componente esenţiale 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 ascuţită ce efectuează tăierea osului şi avansează în acesta. Partea activă este construită din oţel de scule OSC 10, prelucrat termic prin călire şi revenire înaltă, şi titanizat ceea ce creşte duritatea şi prelungeşte durata de viaţă a acestei componente. De asemenea, la nivelul acestei componente sunt prelucrate prin electroeroziune 4 fante longitudinale de 15 mm lungime şi 1mm lăţime, situate la distanţa de 5 mm de muchia ascuţită la 90 grade între ele pe suprafaţa exterioară a cilindrului, cu rol de a realiza creşterea aderenţei 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 părţii active este de 61 mm, lungime ce permite utilizarea dispozitivului şi în varianta tehnică artroscopică. Mânerul piesei este în forma literei „T”, cu braţul lung de 120 mm lungime ce permite prinderea fermă în pumn pentru introducerea dispozitivului în os şi cu braţul orizontal rigid, care rezistă la forţele 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 faţă de mâner şi este utilă pentru a se putea bate cu ciocanul în ea. Interiorul dispozitivului este cilindric, iar la nivelul extremităţii 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 părţii 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 părţii active corespunzător diametrului interior al părţii active a dispozitivului de recoltat grefonul, cu muchia activă teşită în interior. Scopul este de a realiza un tunel care să corespundă diametrului grefonului, permiţând fixarea acestuia prin press-fit. Am ales această soluţie 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 condiţiile 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 obţine 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 forţă de 50 N în lungul axului central al acestora, analizând comportarea la compresiune a părţii active. S-a analizat: deformarea maximă, deplasarea maximă, deformarea maximă la flambaj, tensiunea echivalentă von Mises şi factorul de siguranţă. Rezultatele obţinute 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 obţinerea unui instrumentar necesar efectuării transplantului osteocondral autolog.

            În Anexa 2 sunt prezentate desenele de execuţie 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 articulaţiei genunchiului, stand fixat la nivelul Maşinii de Încercare la tracţiune, 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 proprietăţile biomecanice ale transplantului osteochondral, şi în special comportarea la încărcare a acestuia. Există mai multe metode pentru determinarea stabilităţii primare a grefonului. În primul rând, există un grup de metode experimentale directe care urmăresc fie înfundarea grefei osteocondrale la compresiune, fie rezistenţa la smulgere a acesteia din tunelul primitor. Scopul este acela de a afla forţa 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 achiziţionate fie prin scanare directă, fie cu ajutorul unor softuri de prelucrare a imaginilor CT, micro CT sau RMN. După obţinerea 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 genunchiului separat, cât şi pe femur şi tibie simultan, permiţând aşezarea acestora într-o poziţie funcţională unul în raport cu celălalt. De asemenea, standul de lucru permite fixarea articulaţiei genunchiului în diferite grade de flexie prestabilite. De asemenea, varianta tehnică constructivă aleasă cu fixarea fermă a segmentelor osoase şi posibilitatea poziţionării acestora la diferite unghiuri (care reproduc gradele  de flexie ale genunchiului) permite utilizarea sistemului şi pentru efectuarea de teste de distracţiune, utile pentru evaluarea rezistenţei 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 feţelor lor laterale, permiţând astfel înclinarea şi blocarea platoului interior la diferite grade: 15, 30, 45, ceea ce determină prin înclinarea ambelor subansamble o poziţionare a articulaţiei 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 articulaţiei genunchiului. Fixarea subansamblelor în poziţiile menţionate anterior se realizează prin blocarea cu două şuruburi introduse în orificii speciale realizate la nivelul feţelor 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 forţei de frecare sau a forţei 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 faţă 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 rotaţia tibiei în condiţiile 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 rotaţiei 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 oţel 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 forţă 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 deformaţiile maxime apărute în standul experimental (atât în partea inferioară cât şi în partea superioară) sunt mult mai mici decât deformaţiile apărute în articulaţia genunchiului şi prin urmare pot fi eliminate din calcule. În concluzie, pe standul experimental proiectat se pot măsura deformaţiile şi deplasările în articulaţie.

În Anexa 3 sunt prezentate desenele de execuţie pentru standul experimental.

 

  Capitolul 12 prezintă o serie de studii experimentale asupra rezistenţei la presiune a cilindrilor osteocondrali transplantaţi 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 transplantaţi la presiune. Aceasta se va realiza pentru diferite diametre ale cilindrilor şi pentru diferite suprafeţe ale leziunii condrale. Pentru aceasta a fost necesară stabilirea domeniilor de variaţie 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 obţine 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 variaţie 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 conţine 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 forţe de la 0 N până la înfundarea transplantului de-a lungul axului femurului, iar pentru a determina deformaţiile 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 suprafaţa 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 articulaţiei 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 obţinute până la deplasarea cilindrilor.

Folosind un program factorial de tipul 2³, cu ajutorul metodei suprafeţelor de răspuns, s-a putut determina modelul polinomial de ordinul întâi cu interacţiuni pentru forţa studiată. Modelul determinat este adecvat, adică reproduce satisfăcător datele experimentale folosite pentru obţinerea lor.  Acest model permite determinarea valorilor caracteristicilor, pentru condiţii date, în limitele domeniilor de variaţie ale fiecărui parametru folosit pentru obţinerea lor. Trebuie totuşi să se ţină seamă de intervalele de încredere determinate pentru coeficienţi, fiind vorba de modele statistice şi nu de funcţii algebrice. Analiza referitoare la determinarea forţei la care cilindrul osteocondral se deplasează în raport cu cilindrul primitor permite evidenţiază faptul că forţa la care cilindrul osteocondral se deplasează în raport cu cilindrul primitor are variaţii semnificative în funcţie de parametrii luaţi în considerare. De asemenea, se observă că toţi coeficienţii sunt semnificativi, deci în consecinţă toţi parametri luaţi în considerare influenţează modelul forţei la care cilindrul osteocondral se deplasează în raport cu cilindrul primitor. Influenţa cea mai puternică asupra forţei 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). Forţa 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 influenţează şi ea forţa 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 influenţează forţa 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 diferiţilor factori ce pot influenţa stabilitatea transplantului osteocondral (relaţia dintre lungimea tunelului primitor şi lungimea cilindrului osteocondral, analiza forţelor de frecare de la nivelul interfeţei 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 achiziţionarea datelor de referinţă am efectuat teste pe un femur de vită la nivelul condilului femural intern al căruia am efectuat o secţiune sagitală la nivelul. La nivelul secţiunii am realizat 2 tuneluri primitoare perpendiculare pe suprafaţă articulară în aşa fel încât 1/3 din circumferinţă să fie înafara secţiunii 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 direcţia compresiunii să fie perpendiculară pe axul cilindrului osteocondral. Acest fapt a necesitat poziţionarea diferită a femurului în stand pentru fiecare din cei doi cilindri transplantaţi, şi am efectuat încărcarea la compresiune pe Maşina Instron 5587 la forţe de la 0 la 5.000 N, achiziţionând tototdată date cu sistemul optic Aramis 2M. Achiziţia datelor a fost efectuată simultan cu softul de achiziţie a Maşinii Instron care a permis determinarea deformaţiilor obţinute în relaţie cu forţa de încărcare şi momentul aplicării şi cu sistemul Aramis care a achiziţionat o imagine pe secundă pe toată durata încărcării. În acest mod s-a putut efectua corelarea în timp a datelor obţinute prin cele două sisteme. Datele achiziţionate de sistem au permis analiza la diferite presiuni de încărcare a mai multor parametri. Am evaluat astfel: Deformaţia principală (întindere) (Major Strain ε₁), Deformaţia secundară (compresiune) (Minor Strain ε₂), Deformaţia 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 secţiuni la nivelul cilindrilor de analizat şi am realizat graficele deformaţiilor şi deplasărilor de la nivelul secţiunii analizate în timpul încărcării.

            În cazul cilindrului ce nu ajunge la baza tunelului primitor  deformaţiile maxime se produc la nivelul pereţilor (suprafeţei periferice a cilindrului) în interfaţa cilindru-tunel înspre baza cilindrului, iar deplasarea totală maximă se regăseşte la nivelul suprafeţei condrale a cilindrului. Pe secţiunea efectuată prin axul cilindrului se observă deformaţii şi deplasări semnificativ mai mari la nivelul cilindrului comparativ cu restul condilului, existând o treaptă marcată de o zonă liberă care corespunde spaţiului gol dintre cilindru şi baza tunelului primitor. La nivelul tuturor parametrilor analizaţi în cazul cilindrului ce nu ajunge la baza tunelului primitor se constată o comportare biomecanică a cilindrului care este condiţionată de comportamentul interfeţei 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 deformaţia principală maximă este localizată la nivelul suprafeţei desfăşurate a cilindrului osteocondral, deformaţia secundară maximă se regăseşte la nivelul bazei cilindrului, deformaţia echivalentă von Mises având valori crescute la nivelul ariei de contact cilindru-tunel, mai accentuate la nivelul bazei. Cele trei secţiuni analizate în acest caz relevă comportamentul biomecanic al piesei. Deformaţia principală maximă, deformaţia secundară maximă şi deformaţia echivalentă Von Mises maximă se obţin la nivelul bazei cilindrului, proporţional cu valoarea forţei 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 forţa de încărcare este mai mare, fiind interconectate de fenomenele de la nivelul suprafeţei 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 forţă de încărcare.

 

O altă etapă a acestui program experimental a fost determinarea forţei de smulgere dintre cilindrul osteocondral şi tunelul primitor, acesta fiind o caracteristică o ţesutului osos. După realizarea unui transplant osteocondral la nivelul unui condil femural, cilindrul osteocondral a fost supus unei forţe de tracţiune, utilizând maşina de încercare Instron 5587, pentru a determina forţa necesară pentru smulgerea acestuia de la nivelul tunelului primitor şi implicit forţa 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 poziţionate astfel încât după fixarea femurului în subansamblul inferior al standului experimental să poată fi poziţionate cu axul tunelului vertical. Tracţiunea a fost efectuată cu forţe 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 tracţiunea.

Din rezultatele experimentale obţinute se poate observa că forţa maximă de smulgere a cilindrilor osteocondrali se regăseşte în jurul valorii de 500 N, ceea ce conferă o bună rezistenţă la smulgere a implantului astfel realizat. În ceea ce priveşte „evoluţia” forţei 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 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 iniţială, până ce se atinge forţa 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 proprietăţile mecanice la compresiune ale cilindrilor osteocondrali recoltaţi 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 direcţii perpendiculare între ele. Această măsurătoare a diametrului fiecărui cilindru arată, surprinzător, imperfecţiunea acestora, aceştia nefiind cilindri perfecţi cu diametrul de 8 mm, deşi pentru prelevarea lor s-a utilizat o sculă pentru transplant osteocondral (donor) cu diametrul de 8 mm. Această imperfecţiune poate fi explicată prin variaţia proprietarilor mecanice ale osului pe diferite direcţii. Corectând datele, prin aproximaţie şi ţinând 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 forţa 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 forţei de comprimare. O comportare similară o are şi variaţia tensiuni ce apare în cilindrul osteocondral supus la compresiune. Referitor la deformaţia specifică maximă, se poate constata faptul că majoritatea cilindrilor testaţi s-au deformat cu peste 80%, dar că există şi cazuri în care deformaţia specifică nu depăşeşte 50%. Aceste diferenţe pot proveni din faptul că suprafaţa de aşezare a cilindrilor osteocondrali pe plăcile maşinii de încercat nu este perfect plană, astfel că pot apare anumite erori datorate acestor neplaneităţi geometrice. Prin urmare este foarte important ca cilindrii osteocondrali sa fie prelevaţi în condiţii 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 mulţi cilindri osteocondrali pentru transplantat, pentru a determina dacă această manoperă modifică proprietăţile mecanice la compresiune ale femurului. Pentru acest experiment am folosit un alt femur de vită prelucrat după cum a fost descris anterior. Au fost recoltaţi 8 cilindri osteocondrali de la nivelul trohleei femurale. Suprafaţa cartilaginoasă însumată a acestor cilindri este de 402,16 mm², şi pot acoperi o suprafaţă a defectului condral de aproximativ 6 cm², ceea ce reprezintă limita maximă acceptată de cei mai mulţi autori ca indicaţie pentru transplantul osteocondral autolog.După vopsire cu vopsea albă mată şi pulverizare cu spray cu grafit, femurul a fost poziţionat la nivelul Maşinii Instron 5587, fiind fixat în subansamblul inferior al standului experimental. După poziţionarea Sistemului Aramis 2M s-a realizat încărcarea femurului în lungul axului cu forţe până la 5.000 N cu achiziţia concomitentă a datelor optice în ritm de o imagine la 0,5 secunde. Datele achiziţionate de sistem au permis analiza la diferite presiuni de încărcare a Deformaţiei principale (întindere) (Major Strain ε₁), Deformaţiei secundare (compresiune) (Minor Strain ε₂), Deformaţiei echivalente (Von Mises Strain), precum şi Deplasările pe axa X, Deplasările pe axa Y şi Deplasarea totală E. De asemenea, am  realizat la nivelul piesei o secţiune care trece transversal la nivelul trohleei femurale, perpendicular pe axul mecanic al femurului, analizând apoi datele achiziţionate de la acest nivel.

            Valorile deformaţiilor şi deplasărilor obţinute la încărcare arată că recoltarea cilindrilor osteocondrali de la nivelul trohleei femurale nu modifică comportamentul biomecanic al femurului. Deformaţiile de la nivelul femurului în timpul încărcării acestuia de la 0 la 5.000 N sunt minime. În concluzie, rezultatele obţinute arată că la compresiune nu apar tensiuni, deplasări sau deformaţii accentuate la nivelul femurului distal în condiţiile recoltării cilindrilor osteocondrali pentru transplant.

 

            Capitolul 13 prezintă sinteză a rezultatelor cercetărilor efectuate, concluziile finale şi principalele contribuţii ale lucrării.

            Prin teza de faţă s-au adus o serie de contribuţii originale în ceea ce priveşte identificarea parametrilor de proces şi a modului în care aceştia influenţează procesul de  deformare a cilindrilor osteocondrali transplantaţi şi a femurului distal la încărcare, contribuţii publicate de autor, în ţară şi străinătate, sau aflate în curs de publicare, după cum urmează:

Din punct de vedere teoretic:

- valoarea reală a incidenţei leziunilor cartilajului articular este necunoscută;

- în scopul evaluării frecvenţei şi repartiţiei leziunilor cartilaginoase ale genunchiului lotul de studiu pentru evaluarea incideţtei şi prevlenţei leziunilor condrale a cuprins un număr de 1058 de pacienţi cu 1062 de intervenţii chirurgicale artroscopice realizate în perioada 01 ianuarie 2005 – 30 iunie 2009;

- s-a realizat scanarea computerizată 3D a unui femur şi a unei tibii umane şi s-a realizat câte un model parametrizat, utilizat în analiza prin metoda elementului finit, descris prin programul ANSYS-LS/DYNA;

- s-a abordat în premieră, pe plan naţional, studiul teoretic prin metoda elementului finit a comportării la compresiune a unui femur distal la nivelul căruia s-a refectuat un transplant osteocondral;

- s-au sintetizat sub forma unui studiu bibliografic, majoritatea rezultatelor ştiinţifice şi tehnice publicate în legătură cu această temă;

- s-a realizat analiza teoretică prin metoda elementului finit a comportării la încărcare a unui femur uman prin metoda elementului finit în cazul transplantării unui singur cilindru, 2, 3, 4 şi 6 cilindri de 8 mm diametru şi în cazul transplantării a 6 şi 9 cilindri cu diametrul de 6 mm şi s-a efectuat analiza comparativă a rezultatelor obţinute;

- 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 (faţă de metodele clasice) pentru înţelegerea comportării biomecanice a zonei grefate şi a grefonului în transplantul osteocondral autolog;

- s-a studiat starea de tensiuni şi deformaţii, comportamentul la compresiune a femurului cu transplant osteocondral în diferite variante a diametrului şi numărului cilindrilor transplantaţi, precum şi  variaţia în timp a anumitor mărimi caracteristice;

- s-au efectuat analize explicite pentru diferite mărimi ale defectului condral, pentru diferite diametre ale cilindrilor transplantaţi, precum şi în funcţie anumite detalii de tehnică chirurgicală;

- au fost analizate şi în cadrul experimental al încercării la compresiune a unui femur de vită stările de tensiuni şi deformaţii, caracteristici biomecanice al e grefonului, variaţia în timp a anumitor mărimi caracteristice precum şi modul în care acestea sunt influenţate de diferiţi parametri de structură şi anatomie, precum şi de anumite aspecte ale tehnicii chirurgicale;

- s-au identificat şi s-au parametrizat factorii de influenţă ai proceselor biomecanice ce influenţează comportamentul la încărcare a femurului având un transplant osteocodral;

- pentru analiza referitoare la determinarea forţei la care cilindrul osteocondral se deplasează în raport cu tunelul s-a folosit un program factorial de tipul 2³, cu ajutorul metodei suprafeţelor de răspuns, s-a putut determina modelul polinomial de ordinul întâi cu interacţiuni pentru forţa studiată.

Din punct de vedere experimental:

Cercetările experimentale au fost canalizate pe două direcţii: una pentru realizarea suportului tehnic necesar, a pregătirii teoretice şi a programării experimentului, şi cea de-a doua pentru realizarea unei serii de experimente practice care să determine principalele caracteristici biomecanice ale cilindrilor transplantaţi şi patului primitor.

Cercetările experimentale legate de realizarea suportului tehnic necesar şi pregătirea experimentului practic cuprind urmăroarele:

- proiectarea cele două componente esenţiale ale instrumentarului pentru realizarea transplantului osteocondral autolog: dispozitivul pentru recoltat grefonul osteocondral şi dispozitivul pentru efectuarea tunelului primitor. Fiecare dintre acestea prezintă mai multe subansamble;

- realizarea unei analize 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. S-a analizat: deformarea maximă, deplasarea maximă, deformarea maximă la flambaj, tensiunea echivalentă von Mises şi factorul de siguranţă. Rezultatele obţinute arată că dispozitivele rezistă la solicitările mecanice la care sunt supuse în timpul utilizării;

- efectuarea desenelor de execuţie pentru realizarea dispozitivelor prezentate;

- realizarea unui stand experimental pentru pentru încercarea la compresiune a articulaţiei genunchiului. Acest stand cuprinde mai multe subansamble şi permite fixarea unui genunchi la nivelul maşinii de încărcare Instron, pentru realizarea unor variate experimente practice de compresiune şi tracţiune la nivelul articulaţiei genunchiului, posibilităţi experimentale ce se extind dincolo de cadrul lucrării de faţă.

            - realizarea unei analize teoretice prin Metoda Elementului Finit a comportării la compresiune a fiecărui subansamblu. Cele patru simulări realizate arată că deplasările şi deformaţiile maxime apărute în standul experimental sunt mult mai mici decât deformaţiile apărute în articulaţia genunchiului şi prin urmare pot fi eliminate din calcule. În concluzie, pe standul experimental proiectat se pot măsura deformaţiile şi deplasările în articulaţie.

- efectuarea desenelor de execuţie pentru standul experimental.

Cercetările experimentale strict legate de testele efectuate pe femur de vită au cuprins următoarele activităţi:

            - s-au elaborat strategii de experimentare pentru fiecare din direcţiile de cercetare experimentală luată în considerare;

- s-au realizat analiza parametrilor şi variabilelor care influenţează stabilitatea grefonului în tunelul primitor;

- s-au efectuat cercetări experimentale pentru determinarea stabilităţii cilindrilor în tunelul primitor şi a fost analizat modul în care parametrii din proces influenţează forţa la care se deplasează cilindri;

- s-au efectuat cercetări experimentale pentru determinarea comportării cilindrilor osteocondrali în tunelul primitor, analizând comparativ variante ale raportului dintre lungimea cilindrului şi cea a tunelului primitor;

- s-au efectuat cercetări experimentale pentru determinarea caracteristicilor biomecanice la compresiune ale cilindrilor osteocondrali prelevaţi;

- s-au efectuat cercetări experimentale pentru determinarea forţei de smulgere dintre cilindrul osteocondral şi tunelul primitor;

- s-au efectuat cercetări experimentale pentru determinarea comportamentul biomecanic al femurului de la nivelul trohleei căruia au fost recoltaţi cilindri osteocondrali.