Выполнено исследование стабильности фиксации отломков бедренной кости аппаратами внешней фиксации с целью определения значений дозированной нагрузки на конечность.
В настоящее время в нашей
стране и за рубежом предложено большое число фиксаторов, имеющих различную
компоновку и звенья. Каждый из них имеет одну и ту же функцию – фиксацию
отломков кости. Поэтому, несмотря на конструктивные различия фиксаторов, их
можно сравнивать по функции.
Металлические фиксаторы
используются достаточно давно, однако отсутствуют единые подходы (методики)
оценки стабильности фиксации отломков кости фиксаторами.
Это можно объяснить:
1) тем, что со временем меняются принципы
лечения переломов по мере того, как приходит более полное понимание процессов,
происходящих в организме при лечении переломов; изменяются принципы лечения —
меняются требования к фиксаторам;
2) невозможностью идентичной
фиксации отломков кости, что связано с различиями в строении кости у отдельных
людей; в типах переломов; в возможном различии положения отломков после
репозиции; в степени повреждения мягких
тканей; в мастерстве хирурга; в типах используемых фиксаторов.
Рассмотрим более подробно
вопросы биомеханики остеосинтеза, связанные с оценками стабильности фиксации
отломков и определением начальных дозированных нагрузок на фиксатор.
Стабильная фиксация отломков
кости определяется значениями внешних нагрузок. Она должна обеспечивать
неизменной репозицию отломков кости и не препятствовать их микроперемещениям
в зоне диастаза до момента образования регенерата, а затем не допускать опасных
деформаций материала регенерата.
Методы
биомеханики позволяют оценить стабильность фиксации отломков кости: экспериментальными методами; методами
математического моделирования их состояния;
экспериментально-теоретическими методами, когда необходимые для математического
моделирования данные предварительно получают
экспериментальным путем и используют затем в расчетах [1].
Исследовалась стабильность
фиксации отломков бедренной кости в условиях огнестрельного перелома в средней
трети диафиза с диастазом 30 мм четырьмя типами аппаратов внешней фиксации:
·
аппаратом Илизарова (рис. 1, а),
·
спице-стержневым аппаратом с сегментами
аппарата Илизарова (рис.1, б),
·
стержневым аппаратом с сегментами аппарата Илизарова (рис.2, а),
·
стержневым аппаратом рамочного типа c двумя штангами (рис. 2, б).
Аппараты имели стандартную компоновку,
размеры сегментов аппарата Илизарова были взяты из стандартных наборов,
использовались спицы и стержни соответственно диаметром 2 мм и 6 мм. Спицы и
стержни были выполнены из сплава титана.
Закрепления отломков
бедренной кости относительно других костей скелета соответствует случаю
контролируемого начального нагружения конечности:
заделка дистального конца кости (нижнего отломка) и шарнирная опора,
допускающая малые вертикальные смещения верхнего отломка кости.
Для аппарата Илизарова
и аппаратов, в которых применены сегменты аппарата Илизарова, в качестве
элементов промежуточных опор отломков используются дуги и полукольца, имеющие
отверстия, центры которых расположены на срединной окружности колец или дуг.
Учет жесткости опорных колец был выполнен в
работе [2].
В настоящей работе проведено математическое
моделирование напряженно-деформированного состояния систем «отломки кости –
фиксатор» с учетом податливости опор методом конечных элементов. Площадь и
моменты инерции поперечного сечения перфорированных колец и дуг опор являются
переменными величинами и зависят от положения поперечного сечения. Сечение
колец моделировалось сплошным по всей длине, но при этом учитывались реальные
свойства колец путем определения их конструктивных характеристик. Были
проведены испытания полуколец на растяжение и изгиб. Деформации определялись с
помощью тензодатчиков, а перемещения индикатором
часового типа с ценой деления 0.001 мм. Конструктивные площадь и моменты
инерции поперечного сечения колец и дуг определялись по известным формулам
сопротивления материалов для стержней с криволинейной осью.
Геометрические
характеристики спиц определялись экспериментально. Спицы диаметром 2 мм
проводились через имитатор кости или отломки кости и имели натяжение 800 Н.
Углы между спицами для опор с двумя спицами и для опор с тремя спицами показаны
на рис. 3. Опоры закреплялись в испытательной машине МИП-100-2. По результатам
экспериментов подсчитывались конструктивные площади и моменты инерции спиц,
которые в расчетных схемах моделировались стержнями.
Традиционно расчет
напряженно-деформированного состояния систем фиксации выполняется с помощью
метода конечных элементов [3], [4], [5]. Теоретический анализ систем фиксации,
проведенный в этих работах, не учитывает податливость сегментов аппарата
Илизарова. В настоящей работе проведены расчеты микроперемещений в зоне
диастаза отломков бедренной кости при нагружении
системы силой Р0 = 50 Н. Для компоновок 
аппарата Илизарова и спице-стержневого аппарата с сегментами аппарата Илизарова
спицы проводились по схеме рис. 2, 3. Остальные аппараты имели стандартные
компоновки. Расчеты напряженно-деформированного состояния систем фиксации
выполнены на ПК. Определены усилия в стержнях, перемещения в узлах систем и
относительные микроперемещения отломков кости в зоне
диастаза для каждого типа фиксатора. Их численные значения служат основой для
сравнения аппаратов внешней фиксации. Критерием оценки стабильности фиксации
является недопущение разрушения растущих в зоне диастаза кровеносных сосудов.
В начальный период
репаративная регенерация сопровождается ростом соединительной
и хрящевой тканей и кровеносных сосудов в зону диастаза [6].
Подвижность отломков может
приводить к разрушению сосудов. Оценим возможные
опасные микроперемещения отломков в зоне диастаза.
Будем исходить из результатов, полученных при дистракционном остеосинтезе по
методу Илизарова. Как следует из экспериментальных данных [7], при автоматической
высокодробной дистракции
при разовой величине 17 мкм репаративная регенерация кости протекает очень
активно, а новообразование костных структур порой опережает суточный темп
разведения отломков, и несколько хуже результат при разовой величине дистракции 0,25 мм четыре раза в сутки. При нагружении конечности кровеносные сосуды будут разрушаться
быстрее, чем ретикулярная ткань [8].
При репаративной
регенерации растут и нервы. В работе [9] показано, что условием неповреждаемости нервных волокон является величина разового
удлинения
16-17 мкм. Если нагрузки значительны, то иннервация регенерата может быть
нарушена и болевые ощущения, являющиеся естественным регулятором нагрузки при
взаимодействии организма с внешней средой, могут отсутствовать.
Из критерия и
условия стабильной фиксации [10] следует, что
,
где — допустимое значение абсолютной деформации
сосуда 
.
Это значение может
уточняться при проведении исследований регенерата in vivo и in vitro.
В пользу учета фактора неповреждаемости кровеносных сосудов при микроперемещениях отломков кости в зоне диастаза на
начальном этапе консолидации перелома говорит и изменение тканевого состава
регенерата в условиях огнестрельного перелома – при его заживлении васкуляризированная соединительная ткань длительное время
составляет значительную долю от состава регенерата [11].
Сравнение аппаратов (рис.1, 2) выполнено по
условию стабильной фиксации. Учитывались значения линейных перемещений в
поперечном направлении по отношению к продольной оси отломков. Считалось, что
все элементы фиксаторов и отломки кости деформируются упруго, поэтому
перемещения отломков пропорциональны внешней нагрузке. Допускаемые значения нагрузки
на конечность определялись по зависимости 
, где 
– вычисленное
перемещение в поперечном направлении при нагрузке
. Результаты подсчетов приведены на рис. 4.
Наилучшую стабильность
фиксации при прочих равных условиях обеспечивает аппарат Илизарова (1), затем спице-стержневой аппарат с
сегментами аппарата Илизарова (2), стержневой аппаратом с сегментами аппарата
Илизарова (3), стержневой аппарат рамочного типа c двумя штангами (4).
Перемещения в зоне диастаза моделируемого перелома
были измерены экспериментально для всех типов исследованных систем фиксации.
Лучшую стабильность фиксации обеспечивал аппарат Илизарова, хотя и спице-стержневой аппарат не
намного отличался от аппарата Илизарова.
Получены верхние оценки значений допускаемых
нагрузок на конечность в начальный период реабилитации пациента. Предложенный
способ моделирования может быть использован для анализа других компоновок сложных систем фиксации отломков кости.
Литература
1. Шевцов В.И., Немков В.А., Скляр Л.В. Аппарат Илизарова. Биомеханика. – Курган: Периодика, 1995. –165 с.
2. Янсон И.А. Оценка прогиба спицы аппарата внешней фиксации в зависимости от гибкости кольца. / Биомеханика: проблемы и исследования. – Рига, 1988, с. 215-222.
3. Chao E.Y.S., Kasman R.A., An K.N. Rigidity and stress analysis of external fracture fixation devices. A theoretical approach // J.Biomechanics. – 1982, – 15, – PP. 971-983.
4. Gasseir B., Hyder
D, Schneider E. Comparative
investigation on the biomechanical properties of the circular and other three-dimensional
external fixators/ Biomechanics: Basic and Applied Research. Ed. G. Bergmann, R. Kolbel, A. Rochmann Dordrecht; Martinus Nijhoff Publishers,
1987. – РР. 429 - 434.
5. Juan J.A., Prat
J., Vera P., Hoyos J.V., Sanchez-Lacuesta
J., Peris J.L., Dejoz R.
and Alepuz R. Biomechanical consequences of callus
development in Hoffmann, Wagner, orthofix and Ilizarov external fixators. // J.
Biomechanics. – 1992. – vol.25, №9. –
P. 995-1006.
6. Илизаров Г.А., Ерофеев С.А., Шрейнер А.А., Чиркова А.М., Шевченко Г.И. Зависимость репаративной регенерации кости и функционального состояния удлиняемой конечности от дробности дистракции.// Гений ортопедии. – 1995. – №1. – С.8-12.
7. Илизаров Г.А., Щудло М.М., Карымов Н.В., Сайфудинов М.С., Значение ритма дистракции для реализации «эффекта Илизарова» в нервах удлиняемого сегмента конечности.// Гений ортопедии. – 1995. – №1. – С. 12-18.
8. Баскевич М.Я. Актуальные вопросы регенерации, остеорепарации и лечения переломов. – Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та,1992. – 122с.
9.
Калмин О.В. Структурные основы прочностных свойств нервов//
Морфология. – 1997. – Т. 111. – №1. – С. 39-43.
10. Шукейло Ю.А., Хомутов В.П.,Кормилицын
О.П. Биомеханика остеосинтеза огнестрельного фрагментарного перелома бедренной кости. Сборник. докл. V международной
конференции по мягким вычислениям и измерениям. Т. 2. – С. 134-137.
Санкт-Петербург, 25-27 июня 2002 г.
11. Гололобов В.Г. Регенерация костной ткани при заживлении огнестрельных переломов. – СПб.: Петербург – ХХ1 век, 1997. – 160 с.