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 15, №1, 2014

Back to issue

Анализ напряженно-деформированного состояния дистального отдела голени и стопы при повреждениях pilon в условиях наружной фиксации при помощи стержневых аппаратов

Authors: Стойко И.В. - КУЗ «Харьковская городская многопрофильная больница № 18»; Бэц В.Г. - КУ «Днепропетровская областная клиническая больница ИМ. И.И. Мечникова»; Карпинский М.Ю., Бэц И.Г. - ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко АМН Украины», г. Харьков

Categories: Traumatology and orthopedics

Sections: Clinical researches

print version


Summary

Цель исследования — выявить возможности применения стержневых устройств для внеочагового остеосинтеза при повреждениях pilon и установить наиболее подходящие конструкции для данной локализации повреждений. Для этого в условиях лаборатории биомеханики ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко АМН Украины» использован анализ напряженно-деформированного состояния дистального отдела голени и голеностопного сустава в норме и в условиях внеочаговой фиксации разными типами стержневых аппаратов при переломах pilon. Анализ проведен методом конечных элементов, который дает возможность в полной мере учитывать геометрические и физические особенности конструкций, а также предоставить полную картину нагрузки, провести объективное сравнение методов и устройств для фиксации переломов, оценить их преимущества и недостатки.
Исследование проведено на объемной трехмерной модели дистального отдела голени и голеностопного сустава с применением трехмерной конечно-элементной модели. Расчеты проведены с применением расчетной программы BioCаd и программы визуализации расчетов Looker.
В результате определены наиболее нагруженные участки исследуемой анатомической зоны в норме и распределение нагрузок в условиях внеочаговой фиксации при переломах pilon. Доказано, что применение стержневых односторонних устройств при переломах pilon в принципе возможно, так как обеспечивает разгрузку поврежденной анатомической зоны в условиях осевых нагрузок в границах половины массы тела человека, выделены конструкции фиксаторов, которым следует отдавать предпочтение.

Мета дослідження — виявити можливості використання стрижневих пристроїв для позаосередкового остеосинтезу при пошкодженнях pilon та встановити найбільш придатні конструкції для даної локалізації пошкоджень. Для цього в умовах лабораторії біомеханіки ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка АМН України» використаний аналіз напружено-деформованого стану дистального відділу гомілки та гомілковостопного суглоба в нормі та в умовах позаосередкової фіксації різними типами стрижневих апаратів при переломах pilon. Аналіз проведено методом кінцевих елементів, що дає можливість найбільш повно врахувати геометричні та фізичні особливості конструкцій, а також дати повну картину навантаження, провести об’єктивне порівняння методів і пристроїв для фіксації переломів, оцінити їх переваги та недоліки.
Дослідження проведене на об’ємній трьохвимірній моделі дистального відділу гомілки та гомілковостопного суглоба з використанням трьохвимірної кінцево-елементної моделі. Розрахунки проведені з використанням розрахункової програми BioCаd та програми візуалізації розрахунків Looker.
У результаті встановлені найбільш навантажені ділянки досліджуваної анатомічної зони в нормі та розподіл навантажень в умовах позаосередкової фіксації при переломах pilon. Доведено, що використання стрижневих однобічних пристроїв при переломах pilon у принципі можливе, тому що забезпечує розвантаження пошкодженої анатомічної зони в умовах осьових навантажень у межах половини маси тіла людини, виділені конструкції фіксаторів, яким слід надавати перевагу.

The purpose of the study — to identify opportunities for the application of rod devices for extrafocal osteosynthesis in pilon injuries and to install the most appropriate structure for this localization of injury. To do this, in the laboratory of biomechanics of State institution «Institute of Spine and Joint Pathology named after professor M.I. Sitenko of Academy of Medical Sciences of Ukraine» we used an analysis of the stress-strain state of the distal tibia and ankle joint in the health and under extrafocal fixation with various types of rod devices in pilon fractures. Analysis was performed using finite element method, which allows you to fully take into account the geometric and physical design features, as well as to provide a complete picture of the load, to carry out an objective comparison of methods and devices for fixation of fractures, to assess their advantages and disadvantages.
The study was conducted on a solid three-dimensional model of the distal tibia and ankle joint using three-dimensional finite element model. The calculations were performed using BioCad calculation program and visualization program Looker.
As a result, we revealed the most loaded areas of studied anatomic area in the health and load distribution in terms of extrafocal fixation in pilon fractures. It is proved that use of rod unilateral devices in pilon fractures is possible theoretically, as it provides unloading damaged anatomic area under axial loads within the borders of half the mass of the human body, there were identified construction of devices, which should be preferred.


Keywords

переломы дистальных эпиметафизов костей голени (переломы pilon), хирургическое лечение, внеочаговый остеосинтез, стержневые фиксаторы, метод конечных элементов.

переломи дистальних епіметафізів кісток гомілки (переломи pilon), хірургічне лікування, позаосередковий остеосинтез, стрижневі фіксатори, метод кінцевих елементів.

fractures of the distal epimetaphysis of tibial bones (pilon fractures), surgical treatment, extrafocal osteosynthesis, rod devices, finite element method.

Статья опубликована на с. 41-49

Введение

Повреждение pilon, как результат высокоэнергетической травмы, сопровождается тяжелым (часто определяемым как взрывной) характером повреждений костной ткани дистального эпиметафиза голени [1]. Известные анатомо-физиологические особенности данной области (небольшое количество покровных тканей и ограниченные компенсаторные возможности кровообращения) объясняют неудовлетворительные результаты использования травматичных методов репозиции и фиксации костных отломков при помощи массивных опорных пластин [2] в условиях тяжелой костно-мягкотканной травмы, когда хирургическая травма усугубляет тяжесть травмы первичной. Это обусловливает необходимость поиска альтернативных методов остеосинтеза, минимизирующих травматичность хирургического пособия. Естественно, этот поиск концентрируется на средствах и способах внеочаговой фиксации переломов [3].

Последние к настоящему времени получили широкую степень развития в двух основных версиях: спицевые и стержневые аппараты или фиксаторы. Аппаратами принято называть устройства, конструктивно предполагающие возможности закрытых послеоперационных манипуляций костными отломками, а фиксаторы могут использоваться только после репозиции отломков для нейтрального остеотаксиса.

При лечении переломов pilon используются стержневые и спице-стержневые устройства, при этом спицевые и спице-стержневые аппараты, как правило, предполагают закрытую репозицию отломков, а односторонние стержневые наружные фиксаторы (СНФ) могут применяться в сочетании с закрытой и открытой репозицией. О биомеханических особенностях использования СНФ при травмах дистального отдела голени пойдет речь ниже.

Материалы и методы исследования

Для анализа напряженно-деформированного состояния биомеханических моделей наиболее широкое распространение получил метод конечных элементов (МКЭ). Основными преимуществами этого метода являются его способность наиболее полно учитывать геометрические и физические особенности конструкций и картины нагружения. Кроме того, проведение анализа НДС конечно-элементной модели позволяет провести объективное сравнение различных устройств и методов фиксации переломов костей скелета человека, оценить их преимущества и недостатки [4, 5].

Основной задачей данного исследования является сравнительный анализ двух вариантов крепежных устройств, используемых при фиксации переломов в области pilon. В первом варианте использовали фиксатор с массивной цельнометаллической наружной опорой и зажимом, имеющим лишь две степени свободы. Считается, что данное устройство обладает повышенной жесткостью и надежностью фиксации, однако имеет ограниченные репозиционные возможности (фиксатор модели 1). Во втором варианте использовали аппарат системы «Булфикс», конструктивно содержащий дистракционное устройство в наружной опоре, и зажим, имеющие три степени свободы (фиксатор модели 2). Таким образом, в эксперименте мы в первом варианте имеем дело со стержневым устройством, определяемым как фиксатор, а во втором варианте это аппарат. Оба устройства использовали в схеме монтажа «голень — стопа».

Вначале выполнен анализ НДС данной анатомической зоны в норме, а затем проведено сравнение полученных результатов для двух вариантов крепления с нормой. Наилучшим является вариант, который дает наименьшее отклонение в величинах напряжений от расчетных значений модели в норме.

Исследования проводились на объемной модели дистального отдела голени и голеностопного сустава. Сложная пространственная геометрия этого отдела определила выбор трехмерной конечно-элементной модели. Тип КЭ выбирался из анализа работ, выполненных другими исследователями, и требований программы автоматической генерации сетки элементов. На основе проведенного анализа этих исследований был выбран 10-узловой изопараметрический тетраэдр (рис. 1) с тремя степенями свободы в узле (перемещение вдоль координатных осей). Расчеты проводились с использованием расчетной программы BioCаd и программы визуализации расчетов Looker.

Исходя из поставленной задачи, мы осуществили построение конечно-элементной модели дистального отдела голени и голеностопного сустава, включающей большеберцовую, таранную и пяточную кости (рис. 2).

Геометрическая модель строилась на основе анатомических данных, соответствующих взрослому человеку. Размеры элементов снимались с сухих анатомических препаратов скелета.

Расчетная КЭ модель состоит из 28 586 конечных элементов и имеет 39 519 узлов.

Второй (рис. 3) и третий (рис. 4) варианты моделировали перелом области рilon, фиксированный аппаратами внеочаговой фиксации модели 1 и модели 2 соответственно.

Всем элементам модели придавались механические свойства соответствующих материалов. Материал считали однородным и изотропным.

Данные о механических свойствах биологических тканей взяты из справочника В.А. Березовского и Н.Н. Колотилова [6, 7]. Свойства искусственных материалов брались из базы данных программы BioCаd. Все механические характеристики материалов, использованных при моделировании, приведены в табл. 1.

Расчет напряженно-деформированного состояния моделей проводился с учетом действия осевой нагрузки, равной половине массы тела среднестатистического взрослого человека. Такой выбор величины нагрузки связан с тем, что при данной методике лечения больным предполагается нагрузка на конечность до снятия аппарата внешней фиксации до 50 % от массы тела. В расчетной модели масса тела принималась как Р = 700 Н, соответственно нагрузка на модель составляла 350 Н. Нагрузка прикладывалась вертикально сверху вниз по всей площади мыщелков большеберцовой кости. На модель наложены ограничения по перемещениям на опорной плоскости пяточной кости по всем координатным осям.

Результаты исследования и их обсуждение

Исследование напряженно-деформированного состояния модели большеберцовой кости и голеностопного сустава в норме показало, что основными нагружаемыми зонами являются: задняя поверхность большеберцовой кости (5 МПа), задняя часть суставной поверхности таранной кости (11 МПа), отросток пяточной кости (10 МПа) и зона, расположенная в непосредственной близости от опорной поверхности пяточной кости (3,5 МПа). Картина распределения напряжений в модели показана на рис. 5.

Исследование напряженно-деформированного состояния моделей большеберцовой кости с переломом рilon, фиксированным аппаратами внешней фиксации (рис. 6, 7), показало, что основную нагрузку при осевом нагружении берут на себя стержневые элементы аппарата (величина напряжений в стержне достигает 25 МПа).

Следует отметить, что уровень напряжения, возникающий в стержнях аппарата модели 1, значительно выше, чем в аппарате модели 2. В частности, напряжение в стержнях, фиксирующих стопу, отличается практически в 1,5 раза (15 и 9 МПа соответственно). Конструкциональные особенности наружных опорных элементов в аппарате модели 2 позволяют снижать напряжение с 24 МПа (аппарат модели 1) до 7 МПа.

Применение стержневых аппаратов односторонней внеочаговой фиксации позволяет снять нагрузку с суставной поверхности таранной кости и отростка пяточной кости (рис. 8, 9), что положительно характеризует фиксирующие возможности аппаратов. Напряжение в зоне, находящейся в непосредственной близости от опорной поверхности пяточной кости, увеличивается (по сравнению с нормой), что вызвано введением жестких металлических стержней в пяточную кость. Величина напряжений в зоне рilon практически равна нулю, что создает благоприятные условия для стабилизации фрагментов и репаративных процессов.

Исследование напряженно-деформированного состояния пяточной и таранной костей показало преимущество аппарата модели 2. Введение стержня в пяточную кость под острым углом (аппарат модели 1) приводит к значительному увеличению напряжения (10,5 МПа) в зоне непосредственной близости к опорной поверхности пятки (рис. 8 г) по сравнению с перпендикулярным введением в случае использования аппарата 2 (8,2 МПа).

При использовании аппарата модели 2 величина напряжения, возникающего в пяточной кости (рис. 8 в, е, и) и суставной поверхности таранной кости (рис. 9 б, д, з), несколько ниже, чем при использовании аппарата модели 1 (3 и 5 МПа соответственно).

Выводы

1. При анализе конечно-элементной модели дистального отдела голени и стопы установлено, что наиболее нагружаемыми зонами являются задний край дистального эпиметафиза большеберцовой кости (5 МПа), задняя часть суставной поверхности таранной кости (11 МПа), отросток пяточной кости (10МПа) и субхондральная зона блока таранной кости (3,5 МПа).

2. Использование обеих моделей стержневых наружных фиксаторов позволяет снять нагрузку с таранной и пяточной костей; величина напряжений в дистальном отделе голени по сравнению с нормой практически не меняется.

3. Результаты исследования позволяют утверждать, что обе исследованные модели СНФ по своим фиксирующим свойствам пригодны для остеосинтеза при переломах рilon с некоторым предпочтением относительно модели 2.


Bibliography

1.   Мюллер М.Е., Алльговер М., Шнайдер Р., Виллингер Х. Руководство по внутреннему остеосинтезу. Главы I–III. — Springer — Verlag: AdMarginem, 1996. — 290 c.

2.   Корж Н.А., Романенко К.К., Горидова Л.Д., Прозоровский Д.В. Переломы костей голени на уровне дистального эпиметафиза (переломы Pilon) и их последствия, диагностика и лечение // Травма. — 2011. — Т. 12, № 2. — С. 6-10.

3.   Behrens F. General theory and principle of external fixation. — 1989. — 241. — 15-23.

4.   Зенкевич О.К. Метод конечных элементов в технике. — М.: Мир, 1978. — 519 с.

5.   Алямовский А.А. Solid Works/Cosmos Works. Инженерный анализ методом конечных элементов / А.А. Алямовский. — М.: ДМК Пресс, 2004. — 432 с.

6.   Березовский В.А., Колотилов Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека: Справочник. — К.: Наукова думка, 1990. — 224 с

7.   Писаренко Г.С. Справочник по сопротивлению материалов / Г.С. Писаренко, А.П. Яковлев, В.В. Матвеев; отв. редактор Г.С. Писаренко. — 2-е изд., переработанное и дополненное. — К.: Наукова думка, 1988. — 736 с.

Similar articles

Authors: Карпинский М.Ю., Нехлопочин А.С., Нехлопочин С.Н., Карпинская Е.Д., Яресько А.В. - ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко НАМН Украины», г. Харьков, Украина
"Тrauma" Том 17, №3, 2016
Date: 2016.09.01
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Medical forums
Анализ напряженно-деформированного состояния проксимального отдела бедренной кости при внутреннем остеосинтезе по поводу переломов шейки
Authors: Климовицкий В.Г.1, Канзюба М.А.1, Канзюба А.И.1, Ересько А.В.2, 1 НИИ травматологии и ортопедии Донецкого национального медицинского университета им. М. Горького, 2 ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко НАМН Украины», г. Харьков
"Тrauma" Том 14, №2, 2013
Date: 2013.05.15
Categories: Rheumatology, Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Экспериментальное биомеханическое обоснование транспедикулярного спондилодеза с вертебропластикой на основе изучения конечно-элементной модели фрагмента позвоночного столба
Authors: Бублик Л.А., Лихолетов А.Н. - НИИ травматологии и ортопедии Донецкого национального медицинского университета им. М. Горького, ККЛПУЗ «Областная травматологическая больница», г. Донецк
"Тrauma" Том 15, №1, 2014
Date: 2014.04.11
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Математическое моделирование контактных напряжений и объема движений в локтевом суставе при переломе блока плечевой кости со смещением
Authors: Макаров В.Б. — ГУ «Специализированная медико-санитарная часть № 6», г. Днепропетровск; Левадный Е.В. — Днепропетровский национальный университет; Страфун А.С. — Отдел микрохирургии и реконструктивно-восстановительной хирургии верхней конечности НИИ травматологии и ортопедии НАМН Украины, г. Киев
"Тrauma" Том 16, №2, 2015
Date: 2015.06.16
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches

Back to issue