Protesi al Ginocchio Monocompartimentale: Quel Taglio Verticale che Può Fare la Differenza (e Come Migliorarlo!)

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di un argomento che mi sta particolarmente a cuore e che, credetemi, tocca da vicino la vita di molte persone: l’artroplastica monocompartimentale di ginocchio, o UKA per gli amici. Si tratta di un intervento chirurgico che ha dimostrato una grande efficacia nel trattare la degenerazione del compartimento mediale del ginocchio. Insomma, una vera manna per chi soffre! Però, come in tutte le cose belle, c’è un “ma”. Le fratture periprotesiche post-operatorie e il dolore persistente sono complicazioni comuni e, diciamocelo, piuttosto fastidiose.

Il “Tallone d’Achille”: Gli Errori nel Taglio Verticale della Tibia

Una delle principali cause di questi problemi, o almeno così si sospetta fortemente, sono gli errori nel taglio verticale della tibia. Cosa intendo? Beh, immaginate che durante l’intervento, il chirurgo debba fare un taglio preciso sull’osso della tibia per alloggiare la protesi. Se questo taglio non è perfetto, se devia dal piano ideale, ecco che iniziano i guai biomeccanici. Ho voluto vederci chiaro e capire quanto questi errori potessero impattare sulla tibia dopo l’intervento e, soprattutto, se ci fosse un modo per migliorare la situazione, magari modificando proprio i piani di taglio per ridurre il rischio di fratture e migliorare i risultati.

La Nostra Indagine: Un Modello 3D e Tanta Simulazione

Per capirci qualcosa di più, abbiamo preso i dati della TAC e della risonanza magnetica di un volontario maschio di 26 anni (sano come un pesce!) e abbiamo costruito un modello tridimensionale super dettagliato della sua tibia. Poi, armati di pazienza e di un potente software di analisi agli elementi finiti (FEA), abbiamo iniziato a simulare cosa succede quando si commettono errori nel taglio verticale. Abbiamo testato diversi scenari: errori di 1 mm, 3 mm, 5 mm, 7 mm e persino 9 mm. Non ci siamo fermati qui! Abbiamo anche ideato due modifiche alla superficie di taglio: una smussatura (chamfering) e una raccordatura (filleting), per vedere se potevano darci una mano. Durante le simulazioni, abbiamo tenuto d’occhio la distribuzione dello stress e della deformazione sulla tibia prossimale, proprio per valutare come questi errori influenzassero il rischio di fratture. E per quantificare questo rischio, abbiamo usato un indice specifico, il ROF (Risk of Fracture), analizzando poi tutti i dati statisticamente.

I Risultati Parlano Chiaro: Occhio al Taglio!

Ebbene, i risultati sono stati illuminanti! È emerso che all’aumentare dell’errore nel taglio verticale, lo stress equivalente e il valore del rischio di frattura sotto la protesi tibiale aumentavano in modo significativo. In particolare, nei modelli con errori di taglio tra i 5 e i 9 mm, il rischio di frattura era decisamente più alto. Quando l’errore di taglio verticale superava i 5 mm, il valore ROF schizzava alle stelle, indicando un aumento sostanziale del pericolo. La buona notizia? I nostri design con smussatura e raccordatura si sono dimostrati efficaci nel ridurre la concentrazione di stress sotto la protesi, abbassando i picchi di stress e diminuendo notevolmente il rischio di frattura. Confrontate con il metodo standard di osteotomia, entrambe le modifiche hanno ridotto il rischio. Quindi, sì, l’errore di taglio verticale tibiale è un fattore di rischio importante per le fratture periprotesiche e il dolore dopo un’UKA. Più grande è l’errore, più velocemente progrediscono il rischio di frattura e la degenerazione ossea.

L’UKA, come dicevo, è diventata una procedura comune e apprezzata. Tuttavia, le complicanze post-operatorie come le fratture tibiali periprotesiche e il dolore persistente alla tibia prossimale sono un bel problema. Spesso, queste fratture avvengono o durante l’intervento o nelle prime settimane successive, e le cause principali includono tecniche chirurgiche non impeccabili, carico precoce dopo l’operazione, osteoporosi o ridotta densità ossea. Con l’aumento del numero di interventi UKA, l’allungamento dell’aspettativa di vita, l’incremento dei casi di osteoporosi e una maggiore attività dei pazienti, il numero assoluto di persone a rischio di frattura e dolore persistente è in crescita. Alcuni studi hanno mostrato che stress e deformazioni elevate sull’osso corticale possono compromettere il rimodellamento osseo, portando alla degenerazione. Questa deformazione ossea anormalmente alta potrebbe essere legata alla geometria dell’angolo di resezione sulla superficie di taglio.

La Sfida della Precisione Chirurgica

Nelle procedure standard di UKA, la tecnica chirurgica attuale prevede l’uso di una guida di taglio extramidollare per creare superfici di resezione ortogonali attraverso tagli verticali e orizzontali. Questo richiede che i chirurghi ortopedici eseguano tagli precisi ad angolo retto a mano libera con una sega ossea, senza l’ausilio di robot chirurgici, navigazione esterna o limitatori. Tuttavia, gli errori di taglio verticale sono comuni, specialmente quando la resezione è eseguita da chirurghi meno esperti. La letteratura scientifica ha già esplorato vari aspetti dell’osteotomia tibiale. Ad esempio, Houskamp ha studiato la relazione tra la profondità della resezione del piatto tibiale mediale e il carico massimo medio di fallimento, concludendo che una profondità di resezione superiore a 5,82 mm comporta un carico di fallimento medio significativamente inferiore. Altri studi hanno analizzato il rischio di avulsione dell’eminenza tibiale o l’influenza dell’angolazione della componente tibiale sulla distribuzione dello stress. Ma, fino ad ora, non c’era una ricerca chiara sugli effetti biomeccanici di diversi tagli verticali estesi sulla tibia. La nostra ipotesi era proprio che questi errori influenzassero la deformazione della tibia prossimale e che modifiche alla tecnica chirurgica potessero prevenire tali errori.

Per il nostro studio, abbiamo selezionato un volontario maschio sano di 26 anni (peso 70 kg, altezza 170 cm). Abbiamo eseguito scansioni TC e RM del ginocchio e costruito il modello. I dati grezzi sono stati esportati in formato DICOM e importati nel software Mimics 22.0 per la pre-elaborazione. Combinando i dati anatomici umani del ginocchio, abbiamo delineato la struttura tibiale per creare un modello completo. Questo modello è stato poi importato nel software di reverse engineering medicale Geomagic Wrap 2021.0, mantenendo la struttura fisiologica originale. Dopo l’elaborazione, abbiamo generato la superficie NURBS finale e esportato il file in formato STP. Questo file è stato quindi importato nel software di pre-elaborazione agli elementi finiti HyperWorks 21.0 per la generazione della mesh e l’impostazione dei contatti. Il diametro della mesh è stato impostato a 1,0 mm e, per simulare meglio la biomeccanica della tibia, l’osso corticale e spongioso sono stati assegnati a nodi comuni. Abbiamo misurato le dimensioni tibiali e processato il modello secondo la procedura standard di osteotomia tibiale per una protesi monocompartimentale mediale a piattaforma fissa, selezionando poi una protesi tibiale adatta. Abbiamo scelto la protesi monocompartimentale mediale a piattaforma fissa Oxford, molto diffusa, per la modellazione 3D. Il modello include la protesi tibiale e l’inserto in polietilene. Dopo aver scansionato la protesi con uno scanner 3D, i dati sono stati importati in Geomagic Wrap 2021. Utilizzando la funzione di reverse engineering, abbiamo generato un modello 3D sia dell’inserto in polietilene che della protesi tibiale. La protesi tibiale è stata poi spostata verso l’alto di 1 mm per creare uno spazio per il riempimento con cemento osseo. Il modello completo di tibia e protesi tibiale è stato salvato in formato STL e importato in HyperWorks 21.0 per la generazione della mesh, definendo contatti e assegnando nodi comuni.

Materiali, Errori Simulati e Modifiche Intelligenti

Facendo riferimento a precedenti studi di biomeccanica del ginocchio, abbiamo assegnato le proprietà dei materiali all’osso corticale tibiale, all’osso spongioso, alla protesi tibiale, all’inserto e al cemento osseo. Il modulo elastico e il rapporto di Poisson per ciascuna struttura sono stati validati attraverso la letteratura esistente. Basandoci sui modelli di tibia e protesi tibiale, abbiamo simulato una superficie di taglio verticale utilizzando una sega alternativa con una larghezza di 0,9 mm. Gli errori di taglio verticale sono stati impostati a 1 mm, 3 mm, 5 mm, 7 mm e 9 mm, creando i modelli corrispondenti. Per i modelli di modifica superficiale, abbiamo utilizzato due approcci:

• Smussatura (Chamfering): Abbiamo applicato uno smusso all’intersezione dei piani verticale e orizzontale, dove il profilo dello smusso era un triangolo rettangolo isoscele. La lunghezza dei lati dell’angolo retto è stata impostata a 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm e 5 mm.
• Raccordatura (Filleting): Abbiamo applicato una raccordatura all’intersezione dei piani verticale e orizzontale, con diversi raggi impostati a 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm e 5 mm.

Una volta stabiliti i modelli, abbiamo eseguito l’analisi meccanica applicando un carico di 1000 N all’articolazione del ginocchio, basandoci sulla distribuzione del carico tra i compartimenti mediale e laterale del ginocchio e sul ciclo del passo. Questo carico è stato utilizzato per simulare le forze che agiscono sull’articolazione del ginocchio durante il movimento tipico. Abbiamo raccolto principalmente dati sulla deformazione limite elastica e sulla deformazione principale massima sotto la protesi tibiale. Per calcolare il rischio di frattura, abbiamo usato lo standard ROF, che è la deformazione principale massima (ε) nell’osso divisa per il valore della deformazione limite elastica. In questo studio, sotto condizioni di carico compressivo, un valore ROF più alto in regioni localizzate indica un rischio di frattura maggiore.

Zone d’Interesse e Validazione del Modello

Per valutare quantitativamente la deformazione principale massima e la deformazione limite elastica, abbiamo definito quattro Regioni di Interesse (ROI) sulla tibia prossimale mediale. ROI 1 era localizzata nella parte più interna della tibia prossimale, mentre le ROI da 2 a 4 erano progressivamente spostate verso l’esterno a intervalli di 10 mm, con ROI 4 situata leggermente esterna al centro dell’articolazione del ginocchio. Queste regioni sono state selezionate perché rappresentano siti comuni di frattura, specialmente nei casi con errori di taglio verticale significativi. Per ogni modello, abbiamo raccolto lo stress di von Mises e la deformazione principale massima ai nodi delle ROI da 1 a 4, calcolato il ROF e confrontato i risultati con i valori statistici del metodo standard di osteotomia UKA. Per validare il nostro modello, ci siamo basati su studi precedenti, confrontando le posizioni di frattura ad alto rischio con i siti di frattura clinici tipici e il ROF massimo con il carico di fallimento riportato in letteratura. I nostri risultati erano in linea con questi studi, confermando l’applicabilità del modello. Ad esempio, lo stress nell’osso spongioso sotto la protesi tibiale nel nostro modello (0,6–1,1 MPa sotto un carico di 1000 N) era simile a quello riportato da Ma (circa 0,5-1 MPa), confermando l’usabilità del modello.

Analizzando la variazione dello stress equivalente nelle diverse ROI per i modelli con errori di taglio verticale da 1 mm a 9 mm, abbiamo notato che per ROI 4 lo stress equivalente aumentava da 6,83 MPa a 10,55 MPa, con un incremento significativo quando l’errore passava da 5 mm a 7 mm. Lo stress massimo si verificava sul bordo del taglio verticale. Per i modelli con design a smusso, lo stress equivalente diminuiva gradualmente all’aumentare della dimensione dello smusso (da 5,65 MPa a 5,58 MPa in ROI 4). Similmente, per i modelli con design a raccordo, lo stress equivalente diminuiva all’aumentare della dimensione del raccordo (da 5,65 MPa a 5,62 MPa in ROI 4). Anche i valori ROF in ROI 4 seguivano un andamento simile: aumentavano con l’errore di taglio e diminuivano con l’aumentare del diametro della superficie di taglio modificata (smusso o raccordo).

Implicazioni e Prospettive Future

I risultati clinici eccellenti dell’UKA sono ampiamente riconosciuti. Tuttavia, il dolore cronico e le fratture periprotesiche causate dalla degenerazione tibiale dopo UKA hanno impatti significativi. Il nostro studio ha concluso che gli errori di taglio verticale tibiale sono fattori ad alto rischio. Quando l’errore supera i 5 mm, il rischio di frattura sotto la protesi aumenta drasticamente. Fortunatamente, le modifiche alle superfici di taglio verticale e orizzontale possono ridurre questi rischi. È interessante notare che in uno studio su 100 campioni ossei, il 18% dei casi presentava errori di taglio verticale superiori a 4,0 mm e il 3% superiori a 8,0 mm. Questo sottolinea quanto sia reale il problema. L’osso corticale sotto la protesi tibiale sopporta la maggior parte del carico. Uno stress e una deformazione eccessivi in quest’area sono cause importanti di dolore persistente. Nel nostro studio, la deformazione equivalente compressiva nella ROI 4 del modello di ginocchio normale era per lo più compresa tra 1500–4500 µε. Tuttavia, per i modelli con errore di taglio verticale, questi valori erano significativamente più alti, e anche il ROF mostrava un marcato aumento. Questi risultati sono coerenti con la ricerca di Clarius, che indicava che tagli sagittali estesi nella tibia (maggiori di 8 mm) portano a un effetto “intaglio”, indebolendo la capacità portante dell’osso.

Secondo studi precedenti, una soglia di deformazione critica (deformazione equivalente tensile > 2500 µε e compressiva > 4000 µε) può ridurre la capacità di rimodellamento osseo. D’altra parte, effetti di “stress shielding”, dove la deformazione ossea scende sotto i 100 µε, possono indurre perdita ossea. Il nostro studio non ha considerato l’osteoporosi, che probabilmente esacerberebbe il rischio di fratture. L’esecuzione impeccabile delle tecniche chirurgiche è sempre una sfida. La precisione richiesta è alta, specialmente durante il taglio osseo. Uno studio di Chang ha suggerito che geometrie con angoli radiali sulla superficie di resezione, rispetto a quelle ortogonali ad angolo vivo, riducono la deformazione. I nostri design di smussatura e raccordatura vanno in questa direzione.

Limiti dello Studio e Orizzonti Futuri

Certo, il nostro studio ha delle limitazioni. Non abbiamo considerato l’impatto dell’osteoporosi. Il modello si basa sulla geometria tibiale di un singolo volontario giovane, il che potrebbe non rappresentare pazienti di età, corporature o condizioni di salute diverse. Ci siamo concentrati principalmente sugli errori di taglio verticale e sulle modifiche superficiali, tralasciando altri fattori importanti come il livello di attività del paziente, la forza muscolare e l’uso di tecnologie di navigazione chirurgica. Inoltre, sebbene abbiamo utilizzato l’analisi agli elementi finiti, manca una validazione clinica. Infine, non abbiamo esplorato a fondo come le variazioni nella qualità ossea nelle diverse regioni della tibia influenzino la distribuzione di stress e deformazione. Quindi, sebbene questo studio abbia un certo valore teorico, una comprensione completa richiede validazione clinica e la considerazione di ulteriori fattori. La ricerca futura dovrebbe esplorare ulteriormente questi aspetti e incorporare tecnologie avanzate di navigazione chirurgica per migliorare la precisione e ridurre gli errori.

In conclusione, abbiamo indagato gli effetti biomeccanici degli errori di taglio verticale tibiale dopo UKA e proposto design di modifica superficiale per ridurre il rischio di frattura. I risultati mostrano che con l’aumentare degli errori di taglio, lo stress e il rischio di frattura sotto la protesi aumentano significativamente, specialmente oltre i 5 mm. I design di superficie modificati hanno ridotto efficacemente la concentrazione di stress e il rischio di frattura post-operatoria. Nonostante i limiti, questi risultati offrono spunti preziosi!

Fonte: Springer