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 12, №4, 2011

Back to issue

Биомеханический анализ вариантов остеосинтеза диафизарных переломов ключицы

Authors: Шайко-Шайковский А.Г.1, Билык С.В.2, Олексюк И.С.2, Белов М.Е.1, 1Черновицкий национальный университет им. Ю. Федьковича, 2Буковинский государственный медицинский университет, г. Черновцы

Categories: Traumatology and orthopedics

print version


Summary

Рассмотрены биомеханическое обоснование и сравнительный анализ разных вариантов остеосинтеза переломов диафиза ключичной кости с помощью разных фиксирующих конструкций: плоской накостной пластины, интрамедуллярного винта, двойной деротационной пластины, деротационной пластины с ушками.

Теоретическим и экспериментальным путем определена деформативность биотехнической системы в случаях простых и сложных видов нагружения.


Keywords

Ключица, биомеханический анализ, перелом, остеосинтез.

Введение

В наше время в травматологии и ортопедии все большее распространение приобретает концепция остеосинтеза, которая базируется на принципе создания максимально стабильного соединения отломков при сохранении возможности их микроподвижности при условии безиммобилизационного режима пациентов в послеоперационный период и максимального обеспечения кровоснабжения в зоне перелома [1].

Для реализации этой концепции необходима реализация оперативных путей лечения с использованием фиксирующих конструкций разных типов. Биомеханические исследования и обоснование применения того или иного типа фиксирующей системы для создания стабильного остеосинтеза — важные и актуальные задачи, которые стоят перед специалистами, работающими в этой области. Это — врачи-травматологи, специалисты в области биомеханики, материаловедения, сопротивления материалов и т.д.

Осуществление сравнительных экспериментальных и теоретических исследований прочности и жесткости биотехнических систем «отломки кости — фиксатор» при использовании разных типов фиксирующих конструкций — одно из условий обеспечения правильного выбора фиксирующей системы при создании остеосинтеза для того или иного вида повреждения или перелома кости.

Так, в соответствии с данными различных авторов, переломы костей ключицы составляют 2,6–19,5 % от всех переломов костей [6–8], в частности до 44 % переломов костей, которые представляют верхний плечевой пояс [9].

Чаще всего переломы ключицы возникают в средней трети [10], достигая по частоте 75 % [11] всех переломов этой кости. Этим и обусловлена необходимость уделить особенное внимание лечению в первую очередь именно переломов средней трети ключицы [12].

Оценка теоретическим и экспериментальным путем прочности и деформативности биотехнической системы «кость — фиксатор» при использовании разных типов фиксирующих конструкций с целью создания стабильного остеосинтеза, сравнение результатов расчетов и измерений с последующим выбором наиболее целесообразного варианта фиксации для каждого вида и типа перелома — задачи биомеханического исследования для обоснования того или иного способа фиксации.

Цель работы: проведение сравнительного теоретического и экспериментального биомеханического анализа эффективности использования разных фиксирующих конструкций для создания стабильного остеосинтеза диафизарных переломов ключичной кости.

Материалы и методы

В работе с целью создания стабильного остеосинтеза рассмотрены следующие варианты фиксации отломков при диафизарных переломах ключичной кости: накостная плоская пластина; интрамедуллярный винт, двойная деротационная пластина, двойная деротационная пластина с ушками [2]. Рассматриваемые в работе конструкции накостных и интрамедуллярных фиксирующих конструкций представляют собой в настоящее время одни из самых предпочтительных конструкций для создания стабильного остеосинтеза ключичной кости.

Для теоретической оценки деформативности биотехнической системы, образованной с помощью указанных выше конструкций, для случаев деформации изгиба и кручения, оценки допустимых значений нагрузок было проведено определение положения главных центральных осей инерции всех типов поперечных сечений указанных выше биотехнических систем. Проведено определение положения центра тяжести сечения каждой биотехнической системы и с помощью теоремы об изменении осевых моментов инерции при параллельном переносе координатных осей определены главные центральные моменты инерции и моменты сопротивления для всех рассмотренных типов биотехнических систем.

В табл. 1 содержатся значения геометрических характеристик поперечных сечений всех рассмотренных биотехнических систем.

На основе значений табл. 1 определены допустимые величины нагрузок на каждый тип фиксирующей системы при деформациях растяжения-сжатия, кручения, изгиба [3].

Величина нагрузки, которая выдерживается целой неповрежденной костью, принималась в качестве своеобразного эталона.

Для деформации растяжения-сжатия величина допустимой нагрузки определялась по формуле:

                                                                                                                                    (1)

где [P] — допустимая величина осевой силы;

[s] — величина допустимого напряжения для костного вещества;

F — площадь поперечного сечения диафизарной части кости.

Величину абсолютного удлинения (укорочения) целой кости Dl определяли по формуле закона Гука:

                                                                                                                                                                           (2)

где Dl — абсолютная осевая деформация;

P — величина осевой действующей силы;

E — модуль упругости 1-го рода для кортикального вещества кости;

F — площадь поперечного сечения диафизарной части кости.

Для оценки допустимых значений внешних нагрузок при деформации кручения использована теория кручения некруглых профилей, в частности теория кручения тонкостенных замкнутых профилей. Так, в конце малой полуоси сечения:

                                                                                                                    (3)

где tmax — максимальные касательные напряжения в материале костной ткани;

Mk — крутящий момент;

Wk — момент сопротивления сечения при кручении (условная геометрическая характеристика).

Из условия прочности максимальное касательное напряжение

                                                                                                      (4)

где G — модуль упругости 2-го рода костной ткани;

j  — угол закручивания;

l — длина кости;

a, b — размеры сечения (длина большого и малого диаметров);

[t] — допустимое значение напряжения.

На конце малой полуоси сечения ключичной кости величина допустимого крутящего момента, который не вызывает разрушения костного вещества, определяется следующим образом:

                                                                                                               (5)

Момент сопротивления Wk при кручении определяется по формуле:

                                                                                                             (6)

где a = a1/a — отношение внутреннего и внешнего больших диаметров сечения кости;

n = a/b — отношение большого и малого внешних диаметров сечения кости.

Деформация изгиба вследствие специфики формы и анатомического расположения ключичной кости совершается в плоскости, не совпадающей ни с одной главной плоскостью инерции. Это означает, что возникает явление косого изгиба (одна из разновидностей сложного сопротивления). Для оценки параметров такого вида нагружения следует использовать, как известно, принцип независимости действия сил [3].

В этом случае

                                                                                                                   (7)

где Mгор и Mверт — изгибающие моменты в главных плоскостях инерции;

Wy и Wz — осевые моменты сопротивления сечения относительно главных осей инерции;

smax — максимальная величина нормальных напряжений при изгибе;

[s] — допустимое значение напряжения.

Для каждого отдельного случая плоского изгиба, который является составной частью сложного сопротивления,

                                                                                                                            (8)

где smax — максимальное нормальное напряжение в кортикальной костной ткани;

Mmax зг — максимальный изгибающий момент в главной центральной плоскости инерции;

Wн.о. — осевой момент сопротивления относительно нейтральной оси.

Тогда, учитывая выражение (8) для изгиба в вертикальной и горизонтальной плоскостях, допустимые значения изгибающих моментов:

                                                                                                                (9)

                                                                                                        (10)

На основании полученных допустимых значений изгибающих моментов можно расчетным путем определить величины углов поворота сечений кости в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно:

                                                                                                         (11)

                                                                                                          (12)

 

где Iy и Ix — осевые моменты инерции сечения кости относительно главных центральных осей.

Аналогичным образом определялись указанные выше параметры (1)–(12) для всех случаев фиксации с помощью конструкций, представленных в табл. 1.

Полученные по выражениям (1)–(12) теоретические значения сопоставлены с экспериментальными величинами, полученными опытным путем на специальной испытательной установке [4, 5].

Результаты и их обсуждение

Для удобства сравнения и анализа теоретических и экспериментальных результатов исследования на рис. 1–7 представлены графические зависимости деформативности всех рассмотренных групп препаратов, а также целой неповрежденной ключичной кости.

Во всех случаях экспериментальных исследований при их обобщении проведена соответствующая статистическая обработка полученных результатов, определено математическое ожидание, среднеквадратичное отклонение, величины доверительных интервалов. Величина каждой выборки равнялась 6. Сплошными линиями на графиках обозначены теоретические значения, пунктирными — экспериментальные результаты.

На рис. 6, 7 кривые 1 отображают деформативность целой неповрежденной кости; кривые 2 — деформативность препаратов, синтезированных плоской накостной пластиной (их деформативность в два раза выше, нежели у кривых 1 и 4, которые отображают поведение в случае деформации изгиба целой кости и препаратов, синтезированных двойной деротационной пластиной); кривые 3 иллюстрируют деформативность биотехнической системы при использовании для остеосинтеза интрамедуллярного винта. Деформативность этой группы препаратов достаточно высокая как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях; кривые 4 характеризуют деформативность препаратов, синтезированных двойной деротационной пластиной. Как видно из графиков, представленных на рис. 6, 7, деформативность препаратов в этом случае фиксации приближается к эталону — целой неповрежденной кости, что свидетельствует о высокой стабильности фиксации. Кривые 5 характеризуют свойства двойной деротационной пластины с ушками, которые несколько лучше, нежели у интрамедуллярного винта, но значительно хуже, чем у других типов фиксаторов.

Из анализа деформативности препаратов в вертикальной плоскости (рис. 7) видно, что диапазон возможных нагрузок достаточно жестко ограничивается для плоской накостной пластины (кривые 2) вследствие конструктивных особенностей фиксаторов и соответствующим направлением изгибающих нагрузок.

Лучше всего в обеих плоскостях сопротивляются деформации изгиба препараты, синтезированные двойной деротационной пластиной.

Выводы

1. Предложена методика расчетной и экспериментальной оценки биомеханических параметров системы «отломки ключичной кости — фиксатор» при остеосинтезе с помощью простой накостной пластины, интрамедуллярного винта, двойной деротационной пластины, двойной деротационной пластины с ушками.

2. Анализ и сопоставление расчетных и экспериментальных результатов биомеханической оценки стабильности остеосинтеза при нагрузках растяжения-сжатия и кручения показали высокую способность двойной деротационной пластины сопротивляться указанным видам нагрузок.

3. При изгибе в горизонтальной и в вертикальной плоскостях лучшее качество фиксации при создании стабильного остеосинтеза возникает при использовании двойной деротационной пластины.

4. Разброс между экспериментальными и теоретическими результатами для всех типов рассмотренных фиксирующих конструкций находится в пределах 3,4–12,8 %.


Bibliography



Білик С.В., Рубленик І.М. Малоінвазивний накістковий остеосинтез в лікуванні діафізарних переломів плечової кістки // Ортопедия, травмотология и протезирование. — 2002. — № 2. — С. 111-113.

Пат. на винахід № 43275UA, А МПК 7 А61 В 17/56. Пристрій для остеосинтезу С.В. Білика та І.М. Рубленика / І.М. Рубленик, С.В. Білик (UA). — № 2001063739; Заявл. 01.06.20011; Опубл. 15.11.2004, Бюл. № 11. — 4 с.

Писаренко Г.С. Справочник по сопротивлению материалов / Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. — Киев: Наукова думка, 1988. — 736 с.

А.С. 1409250 СССР, МКИ, А 61 В 17/58. Устройство для определения деформации костного образца / В.Л. Васюк, И.М. Рубленик, А.Г. Шайко-Шайковский, К.Д. Радинский (СССР). — № 4161940/28-14; Заявл. 16.12.86; Опубл. 15.07.88; Бюл. № 26.

Шайко-Шайковський О.Г. Основи побудови металополімерних конструкцій біотехнічних систем для остеосинтезу: Дис... д-ра техн. наук: 05.11.17 / Шайко-Шайковський Олександр Геннадійович. — Львів, 2002. — 407 с.

Бейдик О.В., Ромакина Н.А. Стержневой наружный чрескостный oстеосинтез при травмах ключицы и ключично-акромиального сочленения // Гений ортопедии. — 2004. — № 3. — С. 70-76.

Шапошников Ю.Г. Травматология и ортопедия. — М.: Медицина, 1997. — Т. 2. — 591 с.

Nowak J., Mallmin H., Larsson S. The aetiologi and epidemiologi of clavicular fractures. A prospective study during a two-year period in Uppsala, Sweden // Injury-Int. J. Care Injured. — 2000. — P. 353-358.

Safran O., Mosheiff R., Mattan Y., Libergall M. Surgical repair of fractures of the clavicle in the adult // Zentralbl Chir. — 2002. — Vol. 127, № 6. — P. 479-484.

Zhu X., Li W., Chen Z. Analyses of epidemiology in 363 cases of clavicle fractures // Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi. — 2004. — Vol. 18, № 4. — P. 275-276.

Кравченко О.Ф., Онищенко А.В., Носивец Д.С. Первичный остеосинтез спонгиозным винтом при переломах ключицы // Ортопедия, травматология. — 2006. — № 1. — С. 20-23.

Тяжелов О.А., Шпаченко М.М., Чернецкий В.Ю., Карпинский М.Ю., Субота И.А. Експериментальне дослідження механічної міцності остеосинтезу перелому ключиці в середній третині різними фіксаторами // Науковий вісник Ужгородського університету. — 2007. — Вип. 32. — С. 193-199.

Similar articles

Authors: Рубленик И.М.1, Радван Н.М.2, Шайко-Шайковский А.Г.3, Билык С.В.1, 1 Буковинский государственный медицинский университет, кафедра травматологии, ортопедии и нейрохирургии, г. Черновцы, 2 Винницкий национальный медицинский университет, кафедра травматологии и ортопедии, 3 Черновецкий национальный университет им. Ю. Федьковича, кафедра физики
"Тrauma" Том 12, №3, 2011
Date: 2011.12.06
Categories: Traumatology and orthopedics
Методика проектной оценки геометрических параметров накостных конструкций для биологического остеосинтеза
Authors: Шайко-Шайковский А.Г., Илык А.Б., Черновицкий национальный университет им. Ю. Федьковича, Олексюк И.С., Василов В.М., Областная клиническая больница, г. Черновцы, Билык С.В., Черновицкий центр ортопедии и травматологии
"Тrauma" Том 14, №2, 2013
Date: 2013.05.16
Categories: Rheumatology, Traumatology and orthopedics
Sections: Specialist manual
Методика автоматизированного моделирования и оптимизация размещения фиксирующих элементов на корпусе пластины при накостном остеосинтезе
Authors: Белов М.Е. - Черновицкий национальный университет им. Юрия Федьковича; Василов В.М. - Черновицкая областная клиническая больница; Дудко А.Г., Олексюк И.С. - Буковинский государственный медицинский университет, г. Черновцы; Шайко-Шайковский А.Г. - Черновицкий национальный университет им. Юрия Федьковича
"Тrauma" Том 15, №3, 2014
Date: 2014.07.03
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Биомеханическое обоснование эффективности использования механических навигационных устройств при интрамедуллярном остеосинтезе
Authors: С.В.Билык, В.М.Василов, И.С.Олексюк, Д.К.Леник, А.Г.Шайко-Шайковский - Буковинский государственный медицинский университет, Черновицкий национальный университет им. Ю. Федьковича, Черновцы, Украина
"Тrauma" Том 10, №4, 2009
Date: 2011.08.31
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches

Back to issue