Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.


Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.

"Тrauma" Том 9, №2, 2008

Back to issue

Математичні розрахунки та біомеханічне обгрунтування остеосинтезу зустрічно-компресійними спонгіозними гвинтами

Authors: Г.І. Герцен, Г.Г. Білоножкін - Національна медична академія післядипломної освіти ім. П.Л. Шупика, Київ, Україна

Categories: Traumatology and orthopedics

Sections: Specialist manual

print version


Summary

За допомогою математичних розрахунків показано, що зустрічно-компресійні спонгіозні гвинти на відміну від традиційних спонгіозних гвинтів системи АО дозволяють створювати більш значну компресію відламків, яка досягає 5000 Н. В результаті біомеханічних досліджень на трупних кістках епіметафізів плечової, стегнової, великогомілкової кісток встановлено, що зустрічно-компресійні гвинти дозволяють створювати на 26-32% більш міцну фіксацію з кісткою порівняно з традиційними.

С помощью математических расчетов показано, что встречно-компрессирующие спонгиозные винты, в отличие от традиционных спонгиозных винтов системы АО, позволяют создавать более значительную компрессию отломков, достигающую 5000 Н. В результате биомеханических опытов на трупных костях епиметафизов плечевой, бедренной, большеберцевой костей установлено, что встречно-компрессирующие винты позволяют достигнуть на 26-32% более прочной фиксации с костью по сравнению с традиционными.

The use of mathematical calculations has illustrated that meeting-compressing spongiosys screws, in contrast to traditional ones of AO system, allow to produce more strong compression of fragments, that runs up to 5000 N. As a result biomechanical tests at cadaver epimetaphyseals of humeral , femoral, tibia bones, it was determined that meeting-compressing spongiosys screws allows to achieve the boosting of fixation to the bone more then 26-32%, in comparison with traditional ones.


Keywords

спонгіозні гвинти, остеосинтез, біомеханічне моделювання, математичні розрахунки

спонгиозные винты, остеосинтез, биомеханическое моделирование, математические расчеты

spongiosys screws, osteosynthesis, biomechanical modeling, mathematical calculations

У 2002 р. нами створена конструкція спонгіозних гвинтів для остеосинтезу навколо- внутрішньосуглобових переломів кісток [2].Подібна конструкція була запропонована ще у 1984 році T.J. Herbert, W.E. Fisher для остеосинтезу зламів човноподібної кістки, однак гвинт подібного типу не знайшов застосування в клінічній практиці для остеосинтезу навколо-, внутрішньосуглобових зламів довгих кісток. Ці гвинти відрізняються від традиційних системи АО наявністю двох різьб різного діаметра: в підголовчатій частині гвинта діаметр різьби 6,5 мм, на протилежному кінці гвинта -4,5 мм, загальна довжина гвинтів знаходиться в межах від 30 мм до 100 мм. При цьому тіло гвинта без різьби діаметром 4 мм має довжину від 9 до 37 мм. Гвинти виготовлені із титанового сплаву ВТ6. За період з 2003 р. по 2005 р. у клініках кафедри ортопедії і травматології №1 НМАПО ім. П.Л. Шупика виконано 42 операції остеосинтезу навколо-, внутрішньосуглобових переломів кісток зустрічно-компресійними спонгіозними гвинтами, результати яких дозволяють позитивно оцінити дану конструкцію гвинтів. Для подальшого вивчення механізму дії зустрічно-компресійних спонгіозних гвинтів на кісткові відламки при остеосинтезі було виконано біомеханічні дослідження на епіметафізах трупних кісток. За допомогою математичних розрахунків визначено характер компресійного ефекту запропонованих спонгіозних гвинтів. Методика біомеханічного моделювання широко застосовується в світовій практиці для оцінки ступеня ефективності остеосинтезу різними імплантатами [4,5,6].

Мета дослідження - за допомогою математичних розрахунків і біомеханічних досліджень на фрагментах трупних кісток обгрунтувати ефективність компресійного ефекту зустрічно-компресійних спонгіозних гвинтів.

Матеріал і методи

Математичні розрахунки можливих компресійних дій на епіметафізи кісток традиційних спонгіозних гвинтів системи АО і зустрічно-компресійних спонгіозних гвинтів нашої конструкції виконані з урахуванням розмірів компонентів імплантатів (загальна довжина гвинта, довжина тіла гвинта, довжина різьби гвинта, шаг різьби гвинта, діаметр головки гвинта, діаметр тіла гвинта, кількість витків різьби), а також даних літератури з характеристики традиційних спонгіозних гвинтів системи АО [1,3]. Біомеханічні дослідження проведені в НДІ надтвердих матеріалів АН України ім.В.Н.Бакуля у лабораторії технології виробництва композиційних матеріалів на 56 епіметафізах трупних кісток людей віком 34-55 років. Для виконання біомеханічних досліджень були заготовлені епіметафізи плечової, стегнової, великогомілкової кісток. Заготовлені епіметафізи трупних кісток, фіксовані традиційними спонгіозними гвинтами діаметром 6,5 мм і зустрічно-компресійними гвинтами, встановлювали в розривну машину, яка може розвивати зусилля до 1000 кг за 3 шкалами: шкала А 0-200 кг, шкала В 0-500 кг, шкала С 0-1000 кг, при можливій швидкості механічного навантаження від 24 до 100 мм/хв. Результати біомеханічних досліджень дозволили дати оцінку міцносних характеристик фіксації епіметафізів кісток традиційними спонгіозними гвинтами і зустрічно-компресійними гвинтами нашої конструкції.

Результати та обговорення

При розрахунку можливих компресійних зусиль традиційних спонгіозних гвинтів системи АО з діаметром тіла гвинта 4,65 мм, діаметром різьби гвинта 6,5 мм, шагом різьби 2,75 мм і наявності 5 повних витків різьби отриманні наступні дані: так площа 1 витка такої різьби ( S ) становить S= π(R2-r2) = π (39-12,96)=81,1мм2, а загальна площа 5 витків буде дорівнювати 409,035мм2. Площа опорної поверхні головки гвинта (S1), яка спирається на кортикальну поверхню кістки без площі поперечного перетину тіла гвинта, становить:

Якщо взяти максимальне зусилля стиску спонгіозним гвинтом діаметром 6,5 мм 3000 Н (Мюллер і співавт., 1998), тоді середній питомий тиск на кістку в ділянці різьби гвинта буде становити 7,33 Н\мм2, а в ділянці головки гвинта 90,09 мм2. Таким чином, при більших зусиллях компресії під головкою гвинта може відбутися руйнування кортикального шару кістки. При розміщенні шайби діаметром 10 мм під головку спонгіозного гвинта діаметром 6,5 мм питомий тиск на кортикальний шар кістки може бути знижено до 38,2 Н\мм2.

Розрахунки компресійних зусиль запропонованих нами зустрічно-компресійних гвинтів показали наступні результати. При діаметрі різьб гвинта 6 мм і 4,8 мм, 5 витках різьби з шагом 2,5 мм, головкою гвинта діаметром 8 мм, площею 1 витка π(R2-r2) площа 1 витка різьби малого діаметра становила 9,456 мм2, а 10 витків відповідно 94,56 мм2; площа 1 витка великого діаметра становила 10,178 мм2, а 5 витків відповідно 50,89 мм2. При введенні гвинта в кісткові фрагменти і розрахунку ходу різьб обох діаметрів: хід різьби меншого діаметра становив 10 обертів х 2 мм = 20 мм, більшого діаметра - 18,75 мм відповідно. При розрахунку розподілу зусиль компресії між відламками величиною в 3000 Н контактне зусилля напруги в ділянці різьби гвинта меншого діаметра становило 31,72 Н\мм2, а більшого діаметра - 76,27 мм2. Отже, математичні розрахунки показали, що традиційні спонгіозні гвинти системи АО при компресії кісткових відламків тільки 8,14% силових напруг зосереджують у ділянці різьби гвинта, а 91,86% - під головкою гвинта, що обмежує їх компресійний ефект. Зустрічно-компресійні спонгіозні гвинти при компресії кісткових відламків дозволяють більш рівномірно розподілити силову напругу: 29,37% в ділянці дистальної різьби гвинта і 70,63% в ділянці проксимальної різьби гвинта.

Порівняльні біомеханічні дослідження міцносних характеристик фіксації епіметафізів трупних кісток традиційними спонгіозними гвинтами і зустрічно-компресійними гвинтами виконані в 4 групах дослідів. У кожній групі дослідів використано 14 епіметафізів трупних кісток, по 7 на кожну умову дослідження. У 1-й групі біомеханічні дослідження проведені на проксимальному кінці плечової кістки, гвинти введені під великим горбиком в головку плечової кістки. При цьому відрив традиційного спонгіозного гвинта від фрагмента плечової кістки наступав при зусиллі навантаження розривної машини в середньому 98,0 ± 8,0 Н, а зустрічно-компресійного гвинта - 176,4 ± 10,9 Н. Відповідно фіксація фрагмента плечової кістки зустрічно-компресійним гвинтом - була в 1,8 рази більш міцнішою при р< 0,05. У 2-й групі дослідів гвинти вводили із підвертлюгової ділянки в напрямку шийки і головки стегнової кістки. Відрив традиційного спонгіозного гвинта від проксимального епіметафіза стегнової кістки спостерігався при силовому навантаженні 1401,4 ± 37,41 Н, зустрічно-компресійного гвинта 1773,0 ± 28,52 Н, тобто при зусиллі в 1,3 рази більшому. У 3-й групі гвинти вводили ззовні в дистальний епіметафіз стегнової кістки крізь зовнішній та внутрішній виростки. Зусилля відриву традиційних спонгіозних гвинтів з виростків стегнової кістки становили 478,8 ± 19,53 Н, зустрічно-компресійних - 831,34 ± 24,8 Н, тобто були в 1,7 рази більшими при р<0,05. У 4-й групі дослідів гвинти вводили ззовні в проксимальний епіметафіз великогомілкової кістки (крізь зовнішній та внутрішній виростки). При цьому середня сила відриву традиційних спонгіозних гвинтів від проксимального епіметафіза великогомілкової кістки становила 299,6 ± 13,84 Н, а зустрічно-компресійних - 782,11 ± 27,62 Н, що було в 2,6 рази більше (р<0,05) (табл.).

Таким чином, біомеханічні досліди на епіметафізах трупних кісток показали, що міцносні характеристики їх фіксації зустрічно-компресійними спонгіозними гвинтами в 1,3-2,6 рази достовірно перевищують аналогічні показники при застосуванні традиційних спонгіозних гвинтів системи АО. Відмічений ефект обумовлений більшим обхватом проксимальною та дистальною різьбами гвинтів кісткової маси епіметафізів кісток.

Висновки

1. Математичні розрахунки показали, що при остеосинтезі епіметафізарних переломів кісток традиційними спонгіозними гвинтами системи АО діаметром 6,5 мм тільки 8,14% шагових напружень зосереджено в ділянці різьби гвинта, а 91,86% - під головкою гвинта. Застосування зустрічно-компресійних спонгіозних гвинтів дозволяє більш рівномірно розподілити компресійні зусилля: 29,37% - на дистальну різьбу гвинта і 70,63% - на проксимальну різьбу гвинта, тобто підвищити компресійний ефект.

2. Біомеханічні досліди на епіметафізах трупних кісток засвідчили більш високі міцносні характеристики їх фіксації зустрічно-компресійними гвинтами – в 1,3-2,6 рази (р<0,05) порівняно з традиційними спонгіозними гвинтами системи АО.

Результати проведених досліджень створюють перспективу застосування зустрічно-компресійних спонгіозних гвинтів для остеосинтезу навколо-, внутрішньосуглобових переломів кісток у клінічній практиці.


Bibliography

1. Анкин Л.Н.,Анкин Н.Л. Практическая травматология. Европейские стандарты диагностики и лечения. – М.: Книга – плюс, 2002. - 480 с.

2. Герцен Г.І., Білоножкін Г.Г., Остапчук Н.П. Зустрічно-компресійні спонгіозні гвинти, техніка остеосинтезу. – Збірник наукових праць співробітників КМАПО ім. П.Л. Шупика. – Київ. – 2005.Вип. 14, книга 1. – С. 88-92.

3. Muller M.Y., Allgouer R.,Schneider H.,Wellinegger K. Manual of internal Fixation. Springer – Verlag, 1999, 750 p.

4. O-brant K. Manegement of Fractures in Severely Osteoporotik Bone. Ortopedik and Pharmacologic Stategies. Springer – Verlag, 2002, 603 p.

5. Herbert T.Y., Figher W.E. Menegement of the fractured scaphoid using a new bone serew. Y. Bone joint Surg. Br. 1984; 66: 114-123.

6. Vienne P., Gerber C. Les Fractures complexes de l’humerus proximal chez l’adulte. A propos du traitement par reduction chirurgicale et osteosynthese aminima. M.D. thesis, University of Zurich, 2003.

Similar articles

Authors: Герцен Г.І., Білоножкін Г.Г., Остапчук Р.М., Національна медична академія післядипломної освіти ім. П.Л. Шупика, м. Київ
"Тrauma" Том 12, №3, 2011
Date: 2011.12.06
Categories: Traumatology and orthopedics
Клінічні результати остеосинтезу навколо - та внутрішньосуглобових переломів кісток різними видами імплантатів
Authors: Герцен Г.І., Білоножкін Г.Г. - Національна медична академія післядипломної освіти імені П.Л. Шупика, м. Київ
"Тrauma" Том 14, №6, 2013
Date: 2014.01.22
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Specialist manual
Біомеханічне обґрунтування малоінвазивних технологій лікування  при переломах проксимального епіметафізу великогомілкової кістки (клініко-експериментальне дослідження)
Authors: Бур’янов О.А., Кваша В.П., Шидловський М.С., Скобенко Є.О., Соболевський Ю.Л., Лакша А.М., Омельченко Т.М., Головчак А.В. - Національний медичний університет імені О.О. Богомольця, м. Київ
"Тrauma" Том 15, №1, 2014
Date: 2014.04.10
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Authors: Філь Ю.Я., Філь А.Ю., Львівський національний медичний університет ім. Данила Галицького
"Тrauma" Том 13, №1, 2012
Date: 2012.05.03
Categories: Traumatology and orthopedics

Back to issue