Біомеханічний аналіз надійності фіксації кісткових відламків при остеосинтезі переломів проксимального відділу великогомілкової кістки LCP-пластиною та інтрамедулярним блокованим стрижнем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Біомеханічний аналіз надійності фіксації кісткових відламків при остеосинтезі переломів проксимального відділу великогомілкової кістки LCP-пластиною та інтрамедулярним блокованим стрижнем

Лазарев І.А., Чіп Є.Е., Калашніков А.В., Скибан М.В.

Анотація

перелом кістковий остеосинтез

Переломи проксимального відділу великогомілкової кістки (ППВВК) становлять до 5 % серед усіх переломів кісток скелета та часто супроводжуються пошкодженням важливих м'якотканних структур і компресією кісткової тканини з боку суглобової поверхні. Актуальність даної проблеми визначається тим, що для ППВВК характерна висока частота несприятливих функціональних результатів: нерідко у віддаленому періоді після травми розвиваються деформуючий остеоартроз, контрактури, нестабільність колінного суглоба. За даними низки авторів, перелічені вище ускладнення зустрічаються в 5,828 % випадків, при цьому вихід на інвалідність досягає 5,9-9,1 %>. Усе це обумовлює велику медико-соціальну значимість даної проблеми, а визначення найбільш ефективного методу лікування цієї патології є нагальним питанням сучасної травматології. Матеріали та методи.

На початковому етапі за даними анатомічних моделей та КТ-сканів засобами SolidWorks створено твердотільну 3D-модель гомілки, яка налічувала такі елементи, як великогомілкова та малогомілкова кістки, міжкісткова мембрана, зв'язки проксимального та дистального міжгомілкового зчленування (перелом проксимального відділу великогомілкової кістки). Далі розроблено чотири варіанти фіксації кісткових відламків із застосуванням пластин LCP та інтрамедулярного блокуючого остеосинтезу металевим стрижнем. На наступному етапі задані граничні умови закріплення та навантаження моделі масою тіла в середньому 75 кг (750 Н) та створена кінцево-елементна модель, яка налічувала 381 787 вузлів та 206 583 елементи. Результати. Більш рівномірний розподіл напружень на всіх елементах моделі відбувається при застосуванні інтрамедулярного блокуючого стрижня, навантаження на металеві частини, кістку та зв'язки менше, ніж навантаження в моделях 1 та 2. Показники деформацій та загальних переміщень моделі при цьому також незначні, що говорить про достатню стабільність відламків та способу остеосинтезу в цілому. Подібна ситуація спостерігається й при використанні пластин LCP при їх білатеральному застосуванні (модель 3). Висновки. Результати дослідження в подальшому можуть служити основою для розробки алгоритму хірургічного лікування та реабілітації пацієнтів із ППВВК.

Ключові слова: кінцево-елементне моделювання; переломи проксимального відділу великогомілкової кістки; напружено-деформований стан; LCP-пластина; інтрамедулярний блокований стрижень.

Аннотация

Биомеханический анализ надежности фиксации костных отломков при остеосинтезе переломов проксимального отдела большеберцовой кости LCP-пластиной и интрамедуллярным блокированным стержнем

Лазарев И.А., Чип Е.Е., Калашников А.В., Скибан М.В.

Актуальность. Переломы проксимального отдела большеберцовой кости (ППОБК) составляют до 5 % среди всех переломов костей скелета и часто сопровождаются повреждением важных мягкотканных структур и компрессией костной ткани со стороны суставной поверхности. Актуальность данной проблемы определяется тем, что .для ППОБК характерна высокая частота неблагоприятных функциональных результатов: нередко в отдаленном периоде после травмы развиваются деформирующий остеоартроз, контрактуры, нестабильность коленного сустава. По данным ряда авторов, перечисленные выше осложнения встречаются в 5,8--28 % случаев, при этом выход на инвалидность достигает 5,9--9,1 %. Все это обусловливает бо.дьшую мсдико-со- циальную значимость проблемы, а определение наиболее эффективного метода лечения этой патологии является актуальным вопросом современной травматологии.

Материалы и методы. На начальном этапе по данным анатомических моделей и КТ- сканов средствами SolidWorks создана твердотельная SD-модель голени, которая насчитывала такие элементы, как большеберцовая и малоберцовая кости, межкостная мембрана, связки проксимального и дистального межберцового сочленения (перелом проксимального отдела большеберцовой кости). Далее разработаны четыре варианта фиксации костных отломков с применением пластин LCP и интрамедуллярного блокирующего остеосинтеза металлическим стержнем. На следующем этапе заданы граничные условия закрепления и нагрузки модели массой тела в среднем 75 кг (750 Н) и создана ік>іісчігс>- >;ісмсегтііая модель, которая насчитывала 381 787 узлов и 206 583 этго-мс-пта. Результаты. Более равномерное распределение напряжений на всех элементах модели происходит при применении интрамедуллярного блокирующего стержня, нагрузки на металлические части, кость и связки меньше, чем нагрузка в моделях 1 и 2. Показатели деформаций и общих перемещений модели при этом также незначительны, что говорит о достаточной стабильность отломков и способа остеосинтеза в целом. Подобная ситуация наблюдается и при использовании пластин LCP при их билатеральном ігриме нении (модель 3). Выводы. Результаты исследования в дальнейшем могут служить основой для разработки алгоритма хирургического лечения и реабилитации пациентов с ПОБВК.

Ключевые слова: конечно-элементное моделирование; переломы проксимального отдела большеберцовой кости; напряженно-деформированное состояние; LCP-пластина; интрамедуллярный блокированный стержень.

Abstract

перелом кістковий остеосинтез

Background. The proximal tibial fractures (PTF) amount for 5 % of all skeletal bone fraclures and are often accompanied by damage to the important soft tissue structures and bone compression iii the tibial plateau. The urgency of this issue is determined by Ihe fact tth^t the PTF is characterized by a high frequency of adverse fiun^t^t^iain^l results: often, in the distant period after the injury, the osteoa.rtturits, contractures, instability of the knee develop. According to some authors, the rate of the above complications ranges from 5.8 to 28 %, with tthe output of disability of 5.9--9.1 %. All. these cause great meeded and to- cial significance of this problem, and ddermiinatiin of the most eftec- tive method of this pathology treatment is an urgent issue of modern traumatology. Materials and methods.

At the initial stage, ас-согсНиу to the anatomical models and CT scans, a solid 3D model of the tibia, which included elements tibia, fibula, intercostal membrane, ligaments of the proximal and tibiofibular ligament (fracture of the proximal tibia) is created in Solid Works software package. In the folio wing, 4 varfraihs of bone fragments osteosynthesis using LCP-plates and intramedLillary locking nail were developed. At the next stage, the boundary сопШюпп for fixing and loading the model with a hodyw'elghl corresponding to the average bodyweight of 75 kg (750 H) were applied, and a tirnte element model was created, which numbered 381,787 knots and 206,583 elements. Results. More uniform stress distribution on all elements of the model occurs when applying the intrarw^^^lLillur^7 locking nail t im odt 4), the stress on the metal parts, bone and 1 igame,n is less than the ttsets on the elements in models 1 and 2. The strain and total deformation values of the model 4 are also insignificant and less than the stsain on the elements of model 1 and 2, which indicates siUйictent slab jilty of 1 th. fragments and the method of osteosynthesis as a whole. A slrmiia' sHua- tion was observed in She case of the use of I .CP-plnaes in іієєtr Ьїі^і^і^Ј^1 application (model 3). Conclusions. The results of She study can ігігіієзг serve as a basis for the algorithm oithe det'elopment of surgied 1 re;a- ment and rehabilitation of PTF patients.

Keywords: finite element modeling; fractures of She proximal tibia; stress-strain state; LCP-plate; intramedullary locking nail.

Вступ

Переломи проксимального відділу великогомілкової кістки (ППВВК) становлять від 2 до 5 % серед усіх переломів кісток скелета [8] та часто супроводжуються пошкодженням важливих м'ягкотканних структур і компресією кісткової тканини з боку суглобової поверхні [9, 11]. Актуальність даної проблеми визначається тим, що для ППВВК характерна висока частота несприятливих функціональних результатів: нерідко в віддаленому періоді після травми розвиваються деформуючий остеоартроз, контрактури, нестабільність колінного суглоба. За даними низки авторів, перераховані вище ускладнення зустрічаються від 5,8 до 28 %, при цьому вихід на інвалідність досягає 5,9--9,1 % [1, 10]. Усе це обумовлює велику медико-соціальну значимість даної проблеми, а визначення найбільш ефективного методу лікування цієї патології є нагальним питанням сучасної травматології.

Для лікування ППВВК запропонована велика кількість оперативних методик. Загальноприйнятим золотим стандартом при позасуглобових ППВВК є використання блокованого інтрамедулярного остеосинтезу, при внутрішньосуглобових ППВВК використовують накладні пластини та гвинти [3, 9]. Проте при аналізі літератури з приводу лікування переломів проксимального відділу великогомілкової кістки виявляється відсутність єдиної думки щодо використання того чи іншого металофіксатора для лікування цієї категорії пацієнтів.

З моменту появи та впровадження в медичну практику перших металевих імплантатів для остеосинтезу й до недавнього минулого перевірка їх біомеханічних властивостей здійснювалася тільки на основі натурних біомеханічних дослідів і результатів клінічної практики. Значною мірою ця тенденція зберіглася й до цього часу. Дослідні зразки імплантатів випробовуються при різних навантаженнях на мертвому кістковому матеріалі, результати експериментів впроваджуються у клінічну практику. При цьому застосування пристрою протягом тривалого часу дозволяє остаточно оцінювати його придатність та вдосконалювати методику використання. Звісно, такий підхід вимагає значних матеріальних ресурсів і займає багато часу. Механічні випробування відносяться до руйнівних методів контролю, тому дослідження проводяться на мертвому кістковому матеріалі, що значно поступається рівню фізико-механічних властивостей живої тканини. Прямі механічні дослідження вивчення інтерактивної поведінки системи «кістка -- імплантат» достатньо складні та малоінформативні через асиметричну геометрію кісткової тканини. Це унеможливлює точне визначення питомих навантажень як за довжиною, так і в перерізі, а також відтворення складно-напруженої схеми одночасних деформацій (стиснення, кручення, згин, розтяг), що знижує економічну й соціальну ефективність таких досліджень [2].

Водночас здійснюються спроби обґрунтування придатності металевих імплантатів на основі відомостей про біомеханіку систем людини. При цьому найчастіше проводиться розрахунок наближених схем, що відображають ключові аспекти поведінки системи «кістка -- імплантат», з використанням програмних реалізацій чисельних методів, наприклад методу кінцевих елементів. На основі результатів розрахунку можна робити висновки про роботу імплантата та його вплив на кістку і тим самим відмовитися від подальшого розгляду очевидно безперспективних конструкцій; з'являється можливість корегувати або змінювати форму компонентів імплантата для поліпшення його функціональності; відпадає потреба в проведенні численних експериментів на тваринах; суттєво знижується вартість і скорочується час розробки конструкції імп- лантата; на основі розподілу деформуючих напружень можливе точне прогнозування віддалених результатів [5, 15].

З метою визначення вибору оптимального методу внутрішньої фіксації кісткових фрагментів при мета- фізарних переломах проксимального відділу великогомілкової кістки проведено дослідження надійності фіксації відламків при застосуванні пластин LCP та інтрамедулярного блокуючого остеосинтезу металевими стрижнями. Шляхом кінцево-елементного (КЕ) імітаційного комп'ютерного моделювання проведено порівняльний аналіз показників напружено-дефор- мованого стану (НДС) біомеханічних систем «металевий фіксатор -- кістка» за показниками напружень (за Мізисом), деформацій і загальних переміщень (Total Deformation) елементів моделі при різних варіантах остеосинтезу.

Матеріали та методи

На початковому етапі за даними анатомічних моделей та КТ-сканів засобами SolidWorks створено твердотільну 3D-модель гомілки, яка налічувала такі елементи: великогомілкова та малогомілкова кістки, міжкісткова мембрана, зв'язки проксимального та дистального міжгомілкового зчленування. На моделі відтворено метафізарний перелом проксимального відділу великогомілкової кістки з діастазом між кістками 1 см і розроблено 4 варіанти фіксації кісткових відламків із застосуванням пластин LCP та інтрамедулярного блокуючого остеосинтезу металевим стрижнем (рис. 1).

На наступному етапі задані граничні умови закріплення й навантаження моделі масою тіла, що відповідає середньостатистичній масі тіла 75 кг (750 Н), та створено кінцево-елементну модель (рис. 2), яка налічувала 381 787 вузлів та 206 583 елементи. У контактних ділянках для підвищення точності розрахунків кінцево-елементну сітку було ущільнено.

Механічні властивості матеріалів, що застосовували для розрахунків [14], наведені у табл. 1.

Таблиця 1. Механічні властивості матеріалів моделі