Журнал "Хирургия детского возраста" 1-2 (50-51) 2016
Вернуться к номеру
Зміни напружено-деформованого стану кісток передпліччя при інтрамедулярному остеосинтезі діафізарних переломів
Авторы: Левицький А.Ф. - Національний медичний університет імені О.О. Богомольця, м. Київ, Україна; Яресько О.В. - Інститут патології хребта та суглобів імені М.І. Ситенка НАМН України, м. Харків, Україна; Терпиловський Ю.Р. - Національна дитяча спеціалізована лікарня «Охматдит», м. Київ, Україна
Рубрики: Педиатрия/Неонатология, Хирургия
Разделы: Клинические исследования
Версия для печати
Мета дослідження: вивчити напружено-деформований стан (НДС) кісток передпліччя в нормі та при різних методах остеосинтезу діафізарних переломів. На основі дослідження визначити тип фіксатора, що найкраще забезпечує умови для оптимального зрощення перелому. Матеріали та методи. Для чисельного аналізу НДС у кістках передпліччя нами був використаний метод кінцевих елементів. Модель будувалася на основі томографічних зрізів кістки. Було змодельовано поперечний перелом у середині діафіза ліктьової та променевої кісток та побудовані варіанти моделі з остеосинтезом спицями Кіршнера, титановими еластичними стрижнями (ТЕС) та ригідними стрижнями з прямокутним перерізом. Розглядалося навантаження кісток передпліччя в ділянці променевозап’ясткового суглоба в різних напрямках, а також кручення. Для оцінки напруженого стану обрано напруження за Мізесом. Розрахунки проводилися в програмі SolidWorks. Результати та обговорення. У всіх варіантах навантаження при остеосинтезі діафізарного перелому кісток передпліччя ТЕС та спицями Кіршнера променева кістка стає більш напруженою, ніж при використанні стрижня з прямокутним перерізом. У випадках застосування ТЕС та спиць Кіршнера основний перерозподіл напруженого стану відбувається в ділянці перелому і місцях контакту «фіксатор — кістка». При остеосинтезі діафізарного перелому кісток передпліччя за допомогою стрижня з прямокутним перерізом на внутрішній поверхні кортикальної кістки в ділянці перелому внаслідок відсутності контакту «стрижень — кістка» напружений стан значно нижче, ніж у моделі остеосинтезу спицею Кіршнера та ТЕС. Висновки. 1. ТЕС забезпечують помірне збільшення НДС у ділянці перелому з перерозподілом його за рахунок дистального та проксимального відділів кісток передпліччя, що створює оптимальні умови для зрощення. 2. При остеосинтезі за допомогою спиць Кіршнера відбувається збільшення НДС у ділянці перелому, у зоні контакту «спиця — кістка» (НДС у ліктьовій кістці значно зростає порівняно з променевою кісткою), що може зашкодити забезпеченню оптимальних умов для зрощення та призвести до зламу фіксатора. 3. Ригідні фіксатори, такі як стрижень iз прямокутним перерізом, майже повністю беруть навантаження на себе, розвантажують ділянку перелому та значно зменшують НДС саме в зонi перелому порівняно з нормою та з остеосинтезом за допомогою ТЕС та спиць Кіршнера, що може уповільнювати зрощення.
Цель исследования: изучить напряженно-деформированное состояние (НДС) костей предплечья в норме и при различных методах остеосинтеза диафизарных переломов. На основе исследования определить тип фиксатора, который лучше всего обеспечивает условия для оптимального сращения перелома. Материалы и методы. Для численного анализа НДС в костях предплечья нами был использован метод конечных элементов. Модель строилась на основе томографических срезов кости. Был смоделирован поперечный перелом в середине диафиза локтевой и лучевой костей и построены варианты модели с остеосинтезом спицами Киршнера, титановыми эластичными стержнями (ТЭС) и ригидными стержнями с прямоугольным сечением. Рассматривались нагрузки на кости предплечья в области лучезапястного сустава в разных направлениях, а также кручение. Для оценки напряженного состояния выбрано напряжение по Мизесу. Расчеты проводились в программе SolidWorks. Результаты и обсуждение. Во всех вариантах нагрузки при остеосинтезе диафизарного перелома костей предплечья ТЭС и спицами Киршнера лучевая кость становится более напряженной, чем при использовании стержня с прямоугольным сечением. В случае использования ТЭС и спиц Киршнера основное перераспределение напряженного состояния происходит в области перелома и местах контакта «фиксатор — кость». При остеосинтезе диафизарного перелома костей предплечья с помощью стержня с прямоугольным сечением на внутренней поверхности кортикальной кости в области перелома вследствие отсутствия контакта «стержень — кость» напряженное состояние значительно ниже, чем в модели остеосинтеза спицей Киршнера и ТЭС. Выводы. 1. ТЭС обеспечивают умеренное увеличение НДС в области перелома с перераспределением его за счет дистального и проксимального отделов костей предплечья, что создает оптимальные условия для сращения. 2. При остеосинтезе с помощью спиц Киршнера происходит увеличение НДС в области перелома, в зоне контакта «спица — кость» (НДС в локтевой кости значительно повышается по сравнению с лучевой костью), которое может помешать обеспечению оптимальных условий для сращения и привести к перелому фиксатора. 3. Ригидные фиксаторы, такие как стержень с прямоугольным сечением, почти полностью берут нагрузку на себя, разгружают участок перелома и значительно уменьшают НДС именно в области перелома по сравнению с нормой и остеосинтезом с помощью ТЭС и спиц Киршнера, что может замедлять сращение.
Objective: to study the strain-stress state (SSS) of the forearm bones at norm and in various methods of osteosynthesis of diaphyseal fractures. Based on a study to determine the type of fixator that best ensures the conditions for optimal fracture healing. Materials and methods. For numerical analysis of the SSS in the forearm bones, we have used the finite element method. The model was created on tomographic slices of bones. We have simulated a transverse fracture in the middle of the diaphysis of the ulna and radius, and built the variants of osteosynthesis by Kirschner wires, titanium elastic nails (TEN) and rigid rectangular-section nails. We considered the load on the forearm bones in the wrist joint in different directions, as well as torsion. For the assessment of the stress state, we have selected von Mises stress. The calculations were made in the SolidWorks program. Results. In all variants of the load in the osteosynthesis of diaphyseal fractures of the forearm bones using TEN and Kirschner wires, the radius becomes more tense than when using rectangular-section nails. In case of using TEN and Kirschner wires, major redistribution of the stress state occurs in the region of the fracture and the points of fixator-bone contact. Stress state is significantly lower on the inner surface of the cortical bone near the fracture due to the lack of fixator-bone contact during the osteosynthesis of diaphyseal fractures of the forearm bones using rectangular-section nails than in the model of fixation with Kirschner wire and TEN. Conclusions. 1. TEN provide a moderate increase of SSS in the area of the fracture with the redistribution of it due to the distal and proximal parts of the forearm bones that provides optimal conditions for consolidation. 2. Osteosynthesis using Kirschner wires increases the SSS in the wire-bone contact area (SSS in the ulna is significantly increased in comparison with the radius), which can disturb the provision of optimal conditions for consolidation and lead to fracture of the fixation device. 3. Rigid nails, such as rectangular-section nail, almost completely take overload, unload the zone of the fracture and significantly reduce the SSS in the area of fracture compared to the normal conditions and internal fixation using TEN and Kirschner wires, which may slow down the consolidation.
діти, інтрамедулярний остеосинтез, перелом кісток передпліччя, біомеханіка, напружено-деформований стан.
интрамедуллярный остеосинтез, перелом костей предплечья, дети, биомеханика, напряженно-деформированное состояние.
children, intramedullary osteosynthesis, forearm fracture, biomechanics, strain-stress state.
Статтю опубліковано на с. 85-92
Вступ
Матеріали і методи
Властивості матеріалів
Схема навантаження і закріплення
Результати та обговорення
Висновки
1. Anderson D.D., Deshpande B.R., Daniel T.E., Baratz M.E. A Three-Dimensional Finite Element Model of the Radiocarpal Joint // Iowa Orthop. J. 2005; 25: 108-117.
2. Lin Wei Zuo. A Finite Element Analysis on Fixation of Distal Radius Fracture Using AO Oblique T-plate. School: Southern Medical University, Course: Integrative Orthopedics and Traumatology: Master’s thesis, 2007.
3. Edwards W.B, Troy K.L. Finite element prediction of surface strain and fracture strength at the distal radius // Med. Eng. Phys. 2012 Apr; 34(3): 290-8.
4. Troy K.L., Grabiner M.D. Off-axis loads cause failure of the distal radius at lower magnitudes than axial loads: A finite element analysis // J. Biomech. 2007; 40(8): 1670-1675.
5. Saidpour S.H. Assessment of Carbon Fibre Composite Fracture Fixation Plate Using Finite Element Analysis // Annals of Biomedical Engineering. 2006; 34 (7): 1157-1163.
6. Tarniţă D., Tarniţă D.N., Hacman L., Copiluş C., Berceanu C. In vitro experiment of the modular orthopedic plate based on Nitinol, used for human radius bone fractures // Romanian Journal of Morphology and Embryology. 2010; 51(2): 315-320.
7. Frydrýšek K., Theisz G., Pliska L., Smolár M., Poruba Z., Pleva L. Plate for treatment of distal radius fractures — strength analyses // International conference of the Polish society of biomechanics «Вiomechanics 2014». Łódź, Poland, September 1–3, 2014; p. 65-66.
8. Arai T. Mechanical advantages of a truss-structure based fracture fixation system — a novel fracture fixation device «PINFIX» // Nagoya J. Med. Sci. 2013; 75: 181-192.
9. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L., Zhu J.Z. The Finite Element Method. Fifth ed. Vol. 2: Solid Mechanics. Butterworth-Heinemann, 2000; p. 459.
10. Проблемы прочности в биомеханике: Учеб. пособие для техн. и биол. спец. вузов / Под ред. И.Ф. Образцова. — М.: Высш. шк., 1988. — 311 с.
11. Karakas S., Okyay P., Ergin F.A., Onen O., Beser E. Limb Lengths of Primary School Children in a City From Western Region of Turkey // Coll. Antropol. 2005; 29 (1): 57-65.
12. Кнетс И.В., Пфафрод Г.О., Саулгозис Ю.Ж. Деформирование и разрушение твердых биологических тканей. — Рига: Зинатне, 1980. — 320 с.
13. Shefelbine S.J., Simon U., Claes L., Gold A., Gabet Y., Bab I., Müller R., Augat P. Prediction of fracture callus mechanical properties using micro-CT images and voxel-based finite element analysis // Bone. 2005; 36: 480-488.
14. Gere J.M., Timoshenko S.P. Mechanics of Material, 1997; p. 912.
15. Ступаков Г.П. Биомеханика позвоночника при ударных перегрузках у практике авиационных космических полетов / Г.П. Ступаков, А.П. Козловский, В.С. Казейкин // Проблемы космической биологии. — Л., 1987. — Т. 5–6. — 245 с.
16. Корж А.А. Репаративная регенерация кости / А.А. Корж, В.А. Белоус, Е.Я. Панков. — М.: Медицина, 1972. — 231 с.
17. Топография силовых напряжений в костях при травме: Атлас / Под. ред. проф. В.Н. Крюкова. — Барнаул: Алтайское кн. изд-во, 1977. — 176 с.
18. Бранков Г. Основы биомеханики / Г. Бранков. — М.: Мир, 1981. — 254 с.
19. Попсуйшапка А.К. Функциональное лечение диафизарных переломов конечностей (клиническое и экспериментальное обоснование): Дис… д-ра мед. наук / А.К. Попсуйшапка. — Х., 1991. — 323 с.
20. Пустовойт М.И. Дистракционный остеосинтез в условиях управляемых динамических воздействий на регенерат: Автореф. дис… д-ра мед. наук / М.И. Пустовойт. — К., 1990. — 38 с.
21. Lascombes P. Flexible intramedullary nailing in children: the Nancy University manual, 1st ed. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2010; p. 19-25.
22. Карафоли Э. Кальциевый сигнал / Э. Карафоли, Д.Т. Пеннистон // В мире науки. — 1986. — № 1. — C. 28-38.
23. Скляренко Є.Т. Травматологія і ортопедія: Підручник / Є.Т. Скляренко. — К.: Здоров’я, 2005. — 384 с.
24. Юмашев Г.С. Травматология и ортопедия / Г.С. Юмашев. — М.: Медицина, 1983. — 576 с.
25. Salter D.M. Electrophysiological responses of human bone cells to mechanical stimulation: evidence for specific integrin function in mechanotransduction / D.M. Salter, J.E. Robb, M.O. Wright // J. Bone Miner. Res. 1997; 12 (7): 1166-41.
26. Овсепян А.В. Совершенствование метода интрамедуллярного металлоостеосинтеза при хирургическом лечении диафизарных переломов костей предплечья в детей: Автореф. дис... канд. мед. наук. — Ростов н/Д, 2004. — 21 с.
27. Остеосинтез стержнями прямоугольного сечения / В.В. Ключевский, Г.А. Суханов, Е.В. Зверев и др. — Ярославль, 1993. — 326 с.
28. Корж Н.А., Дедух Н.В. Репаративная регенерация кости: современный взгляд на проблему. Стадии регенерации // Ортопедия, травматология и протезирование. — 2006. — № 1. — С. 76-84.