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 14, №2, 2013

Back to issue

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

Categories: Rheumatology, Traumatology and orthopedics

Sections: Specialist manual

print version


Summary

В работе рассмотрена методика проектной оценки с помощью компьютерного моделирования накостных пластин для биологического остеосинтеза с заданными демпфирующими характеристиками. Методика позволяет на этапе проектирования задавать геометрические параметры накостных пластин в зависимости от анатомических особенностей пострадавших, их возраста, вида перелома.

У роботі розглянуто методику проектної оцінки за допомогою комп’ютерного моделювання накісткових пластин для біологічного остеосинтезу із заданими демпфуючими характеристиками. Методика дозволяє на етапі проектування задавати геометричні параметри накісткових пластин залежно від анатомічних особливостей постраждалих, їх віку, виду перелому.

The article deals with the technique of project evaluation using computer simulation of bone plates for biological plates with specified damping characteristics. At the stage of designing this technique enables to specify geometric parameters of bone plates depending on the anatomical features of the victims, their age, the type of fracture.


Keywords

биологический накостный остеосинтез, моделирование.

біологічний накістковий остеосинтез, моделювання.

biological osteosynthesis, modeling.

Введение

В настоящее время в травматологии и ортопедии все более популярной становится концепция остеосинтеза, принципами которой являются максимально стабильное соединение обломков с возможностью их микроподвижности при условии безиммобилизационного режима пациента в послеоперационном периоде и сохранение максимального кровоснабжения зоны перелома. Как считает большинство последователей [1], микроподвижность должна обеспечиваться в таких пределах, которые сопоставимы с деформативностью целой неповрежденной кости. Именно такие условия иммобилизации в максимальной степени благоприятствуют успешному и эффективному протеканию репаративных процессов, образованию первичного и вторичного мозоля, срастанию обломков.

Материалы и методы

Создание накостных фиксирующих конструкций с заранее заданными свойствами — важная и актуальная задача, стоящая перед разработчиками нового медицинского инструментария. Успешное решение такой задачи невозможно без использования современных методов математического моделирования и компьютерной техники.

Создание накостных конструкций, использующих принципы биологического остеосинтеза, позволяет ускорить процессы репарации, делая более эффективным и качественным процесс срастания обломков.

В работе рассмотрена конструкция накостной пластины для остеосинтеза [3] (рис. 1).

Конструкция такой пластины позволяет, с одной стороны, обеспечить необходимый приток крови к месту перелома, а с другой — создать достаточные демпфирующие свойства для всей конструкции благодаря наличию на корпусе пластины своеобразных колен — зигзагов.

Демпфирующие свойства такой конструкции в направлении ее продольной оси зависят от нескольких факторов: материала пластины, размеров ее поперечного сечения, поперечных и продольных размеров каждого колена, количества таких колен.

Деформативность всей биотехнической системы «отломки кости — накостный фиксатор» определялась из величины продольной деформации соответствующего участка целой неповрежденной кости, для чего использовался закон Гука в абсолютных значениях:


 

где: Dlk — абсолютная продольная деформация соответствующего участка целой кости; Р — величина внешней сжимающей силы, равная весу пациента;  lk — длина синтезируемого участка;  Ek — модуль упругости 1-го рода кортикального вещества кости;  Fk — площадь поперечного сечения синтезируемой кости.

Результаты и их обсуждение

Величина продольной деформации зигзагоподобной пластины должна быть равна или достаточно близка к величине  Dlk независимо от того, какие поперечные и продольные размеры имеют каждое колено, сечение пластины или количество колен.

Деформативность каждого такого участка кости вычислялась с помощью так называемых энергетических методов определения перемещений в стержневых системах, а именно — интегралов Мора. Каждый такой интеграл можно определить графоаналитическим методом, который сводится к формуле Верещагина:

где  i = 1, 2, 3... n — число грузовых участков конструкции; wi — площадь грузовой эпюры изгибающих моментов от внешней нагрузки на участки с номером i;  Уi — ордината на единичной эпюре, находящаяся под центром тяжести грузовой эпюры на этом же  i-м участке;  Е — модуль упругости 1-го рода материала фиксатора;  І — осевой момент инерции поперечного сечения накостной пластины.

В работе решена обратная задача: по заданной требуемой величине деформативности  d = Dlk определялись необходимые геометрические параметры накостного фиксатора. Для этого учитывались фиксированная длина колена пластины и размеры ее поперечного сечения, определялась неизвестная глубина каждого колена. Задача сведена к решению неполного кубического уравнения:

        

ах3 + bx2 +  d = 0                                               (3),

 

где a, b, c — коэффициенты, величина которых зависит от перечисленных выше геометрических параметров, характеризирующих конструкцию накостной пластины.

Составленная математическая модель позволяет учитывать геометрические характеристики (толщину и ширину прямоугольного сечения) пластины, а также длину, глубину каждого колена, материал конструкции.

Для решения уравнения 3, действительные корни которого дают глубину изгиба зигзагоподобной пластины, а также для оценки влияния размеров поперечного сечения различных типоразмеров накостных пластин разработана специальная компьютерная программа, работающая в оболочке Delphi.

Проведенные соответствующие расчеты на персональных компьютерах позволили получить зависимости размеров сечения для заданной заранее деформативности и соответствующую им величину глубины изгиба демпфирующего колена зигзагообразной пластины. Моделирование осуществлено для 1-, 2- и 3-коленной конструкции накостной пластины.

На рис. 2 представлена графическая зависимость величины необходимой глубины изгиба зигзагообразной пластины в соответствии с изменением размеров поперечного сечения накостного фиксатора по заданной осевой деформации для конструкции с одним коленом.

Аналогичные диаграммы получены для 2- и 3-коленных конструкций. В качестве материала для накостной пластины принята биоинертная хромо-никелево-титановая сталь 12Х18Н9Т. Анализ диаграммы, представленной на рис. 2, позволяет оценить влияние различных параметров на искомую функцию, установить тенденцию изменения искомого параметра, определить наиболее сильно влияющие на величину искомой функции факторы.

Выводы

1. Разработана и предложена компьютерная методика биомеханического обоснования и выбора геометрических параметров зигзагообразных демпфирующих накостных конструкций для биологического остеосинтеза.

2. Разработанная методика позволяет на этапе проектного моделирования определять величину и необходимое количество изгибов на корпусе накостного фиксатора, зависящие от типа и вида перелома.

3. Методика позволяет определять необходимые геометрические параметры накостных фиксаторов для каждой возрастной группы пациентов, имеющих разную толщину кортикального вещества в костях в соответствии с международной классификацией Lindal.

4. Методика позволяет определять необходимые геометрические параметры накостных фиксаторов, изготовленных из различных биоинертных материалов.


Bibliography

  1. Анкин Л.Н. Биологический остеосинтез — новые направления современных методов хирургического лечения переломов / Л.Н.Анкин // Ортопедия, травматология. — 1997. — № 4. — С. 127-130.
  2. Тяжелов О.А. Математичне моделювання діафізарних деформацій довгих кісток / О.А. Тяжелов, Н.Д. Полєтаєва, К.К. Романенко, А.Д. Горидова, Д.В. Прозоровський // Ортопедия, травматология и протезирование. — 2010. — № 3. — С. 61-63.
  3. Пат. 67676 Україна, МПК А61В 17/42. Демпфуюча деротаційна зигзагоподібна накісткова пластина для остеосинтезу / О.Г. Шайко-Шайковський, І.С. Олексюк, С.В. Білик, М.С. Назарак, В.М. Сапожник, М.М. Шваб; Заявл. 04.01.2012; Опубл. 27.02.2012; Бюл. № 4.

Back to issue