"Тrauma" Том 18, №2, 2017
Back to issue
Biomechanical definition of the load on the elbow joint in radial head fractures
Authors: Лазарев І.А., Курінний І.М., Страфун О.С., Скибан М.В.
ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України», м. Київ, Україна
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
print version
Актуальність. Переломи головки променевої кістки є частим ушкодженням ділянки ліктьового суглоба (ЛС) і становлять 56 % від переломів проксимального відділу передпліччя [4]. Досить часто хірург приймає рішення про видалення фрагментів зламаної головки. На практиці виявлено залежність стабільності ЛС від ступеня резекції головки променевої кістки. Мета роботи. Вивчити поведінку елементів ЛС і факторів забезпечення стабільності в ньому в умовах дефекту головки променевої кістки 5–10–15 мм у діапазоні рухів 5–90° з навантаженням 5 кг. Матеріали та методи. Розрахунки напружено-деформованого стану елементів ЛС методом скінченних елементів на базі комп’ютерної 3D-моделі Zygote Media Group, Inc. інтактного ЛС і суглоба з дефектом головки променевої кістки 5–10–15 мм у положеннях 5° та 90° згинання. Критеріями оцінки напружено-деформованого стану були напруження за Мізисом, контактні напруження, максимальні деформації та переміщення. Результати. У положенні згинання у ЛС 5° зростання розміру дефекту головки променевої кістки викликає зростання максимальних напружень на ліктьовій кістці на 36,5 % (σmax = 8,0 МРа) в субхондральних ділянках суглобової поверхні та в місці кріплення lig. collaterale ulnare (σmax = 8,86 MPa), максимальних деформацій — на 53 % (εmax = 0,31 мм) на lig. collaterale radiale, загальних переміщень моделі ЛС — на 37 % (Δ = 33,36) за рахунок дистального відділу променевої кістки, загальних переміщень головки променевої кістки — у 4 рази (Δ = 5,13 мм). У положенні згинання у ЛС 90° зростання розміру дефекту головки променевої кістки викликає зростання максимальних напружень на lig. collaterale radiale у 4 рази (σmax = 57,14 МРа), субхондрально на суглобовій поверхні ліктьової кістки — у 2 рази (σmax = 6,67 МРа) та в місці кріплення lig. collaterale ulnare (σmax = 16,02 MPa), субхондрально на суглобовій поверхні плечової кістки в ділянці контакту з ліктьовою кісткою — у 1,5 раза (σmax = 7,08 МРа), зменшення максимальних напружень на суглобовому хрящі плечової кістки у 3,6 раза, зростання максимальних деформацій у 2 рази (εmax = 0,71 мм) на lig. collaterale ulnare posterior, загальних переміщень проксимального відділу передпліччя — у 14 разів (Δ = 58,52 мм), загальних переміщень головки променевої кістки — у 215 разів (Δ = 21,53 мм). Висновки. За даними дослідження, видалення головки променевої кістки значно порушує нормальну біомеханіку рухів у ЛС, призводить до перерозподілу навантажень та нестабільності в суглобі. Основною структурою, що стабілізує суглоб, є lig. collaterale radiale, що утримує суглоб у стабільному стані в усіх положеннях згинання. Зі збільшенням кута згинання в суглобі збільшуються показники деформацій моделі за її рахунок. Значне збільшення показників напружень у ділянках кріплення lig. collaterale radiale за наявності дефекту головки променевої кістки свідчить про її важливу роль як стабілізатора при вальгусному навантаженні. Інтактний ЛС у положенні згинання 90° знаходиться в більш стабільних умовах, ніж у положенні згинання 5°. Збільшення величини дефекту головки променевої кістки викликає значне порушення стабільності ЛС у положенні згинання 90°. Доцільно уникати видалення фрагментів при переломах головки променевої кістки та проводити роботу з відновлення стабільності суглоба.
Актуальность. Переломы головки лучевой кости являются частым повреждением области локтевого сустава (ЛС) и составляют 56 % от переломов проксимального отдела предплечья [4]. Достаточно часто хирург принимает решение об удалении фрагментов сломанной головки. На практике выявлена зависимость стабильности ЛС от степени резекции головки лучевой кости. Цель работы. Изучить поведение элементов ЛС и факторов обеспечения стабильности в нем в условиях дефекта головки лучевой кости 5–10–15 мм в диапазоне движений 5–90° с нагрузкой 5 кг. Материалы и методы. Расчеты напряженно-деформированного состояния элементов ЛС методом конечных элементов на базе компьютерной 3D-модели Zygote Media Group, Inc. интактного ЛС и сустава с дефектом головки лучевой кости 5–10–15 мм в положениях 5° и 90° сгибания. Критериями оценки напряженно-деформированного состояния были напряжение по Мизису, контактные напряжения, максимальные деформации и перемещения. Результаты. В положении сгибания в ЛС 5° увеличение размера дефекта головки лучевой кости вызывает увеличение максимальных напряжений на локтевой кости на 36,5 % (σmax = 8,0 МПа) в субхондральных участках суставной поверхности и в месте крепления lig. collaterale ulnare (σmax =
= 8,86 MPa), максимальных деформаций на 53 % (εmax = 0.31 мм) на lig. collaterale radiale, общих перемещений модели ЛС на 37 % (Δ = 33,36) за счет дистального отдела лучевой кости, общих перемещений головки лучевой кости в 4 раза (Δ = 5,13 мм). В положении сгибания в ЛС 90° увеличение размера дефекта головки лучевой кости вызывает увеличение максимальных напряжений на lig. collaterale radiale в 4 раза (σmax = 57,15 МРа), субхондрально на суставной поверхности локтевой кости в 2 раза (σmax = 6,67 МРа) и в месте крепления lig. collaterale ulnare (σmax = 16,02 MPa), субхондрально на суставной поверхности плечевой кости в зоне контакта с локтевой костью в 1,5 раза (σmax = 7,08 МРа), уменьшение максимальных напряжений на суставном хряще плечевой кости в 3,6 раза, увеличение максимальных деформаций на lig. collaterale ulnare posterior в 2 раза (εmax = 0,71 мм), общих перемещений проксимального отдела предплечья в 14 раз (Δ = 58,52 мм), общих перемещений головки лучевой кости в 215 раз (Δ = 21,53 мм). Выводы. По данным исследования, удаление головки лучевой кости значительно нарушает нормальную биомеханику движений в ЛС, приводит к перераспределению нагрузок и нестабильности в суставе. Основной стабилизирующей сустав структурой является lig. collaterale radiale, которая удерживает сустав в стабильном состоянии во всех положениях сгибания. С увеличением угла сгибания в суставе увеличиваются показатели деформаций модели за ее счет. Значительное увеличение показателей напряжений в участках крепления lig. collaterale radiale при наличии дефекта головки лучевой кости свидетельствует о ее важной роли в качестве стабилизатора при вальгусной нагрузке. Интактный ЛС в положении сгибания 90° находится в более стабильных условиях, чем в положении сгибания 5°. Увеличение величины дефекта головки лучевой кости вызывает значительное нарушение стабильности ЛС в положении сгибания 90°. Целесообразно избегать удаления фрагментов при переломах головки лучевой кости и проводить работу по восстановлению стабильности сустава.
Background. Radial head fractures are the most common fractures of the elbow joint and account for 56 % of fractures of the proximal forearm [4]. Quite often, the surgeon decides to remove fragments of the fractured radial head. In practice, the dependence of the elbow stability on the degree of the radial head resection is revealed. The purpose of our study was to study the state of the elbow joint elements and the factors ensuring its stability under the conditions of the radial head defect of 5–10–15 mm at the range of movements of 5–90° with a load of 5 kg. Materials and methods. Calculations of the stress-strain state of the elbow joint elements by the finite element method on the basis of the computer 3D model Zygote Media Group, Inc. An intact elbow model and elbow with a radial head defect of 5–10–15 mm in positions of 5° and 90° flexion were used for calculations. Criteria for assessing the stress-strain state were von Mises stress, contact stress, strain and total deformation. Results. At the 5° elbow flexion, an increase in the size of the radial head defect causes: the stress in the ulna increased by 36.5 % (σmax = 8.0 MPa) at the subchondral areas of the articular surface and at the attachment site of the lig. collaterale ulnare (σmax = 8.86 MPa), strain increased by 53 % (εmax = 0.31 mm) at the lig. collaterale radiale, the total deformation of the elbow model increased by 37 % (Δ = 33.36) due to the distal radius, the total deformation of the radial head increased 4 times (Δ = 5.13 mm). At the 90° elbow flexion, an increase in the size of the radial head defect causes: the stress in the lig. collaterale radiale increased 4 times (σmax = 57.15 MPa), subchondrally at the articular surface of the ulna (σmax = 6.67 MPa) and at the attachment site of the lig. collaterale ulnare (σmax = 16.02 MPa) increased 2 times, the stress at the subchondral areas of the humerus articular surface increased 1.5 times (σmax = 7.08 MPa), reduction of the maximum stress at the articular cartilage of the humerus articular surface by 3.6 times, the strain at the lig. collaterale ulnare posterior increased 2 times (εmax = 0.71 mm), the total deformation of the proximal forearm increased 14 times (Δ = 58.52mm), the total deformation of the radial head increased 215 times (Δ = 21.53 mm). Conclusions. According to the study, the removal of the radial head significantly affects the normal biomechanics of movements in the elbow, leads to a redistribution of loads and instability in the joint. The basic stabilizing structure of elbow is lig. collaterale radiale, which keeps the joint at the stable state in all flexion positions. Increase of flexion angle results in increasing the deformation parameters of the model because of lig. collaterale radiale strain. Significant increase of stress at lig. collaterale radiale in the presence of radial head defect indicates its important role as a stabilizer in the valgus load. The intact elbow at the 90° flexion position is more stable than at the 5° flexion position. Increase in the radial head defect size causes a significant decrease of the elbow stability at the 90° flexion position. It is advisable to avoid the removal of the radial head fractures fragments and to initiate restoring the stability of the joint.
ліктьовий суглоб; перелом головки променевої кістки; скінченно-елементне моделювання; напружено-деформований стан
локтевой сустав; перелом головки лучевой кости; конечно-элементное моделирование; напряженно-деформированное состояние
elbow joint; radial head fracture; finite element mode-ling; stress-strain state
Вступ
Матеріали та методи
Результати та обговорення
Висновки
Similar articles

Authors:
Лазарев І.А., Курінний І.М., Страфун О.С., Скибан М.В.
ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України», м. Київ, Україна
"Тrauma" Том 18, №5, 2017
Date: 2017.11.21
Categories:
Traumatology and orthopedics
Sections:
Clinical researches

Authors:
Лазарев І.А., Страфун О.С., Скибан М.В.
ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України», м. Київ, Україна
"Тrauma" Том 19, №5, 2018
Date: 2018.11.26
Categories:
Traumatology and orthopedics
Sections:
Specialist manual

Authors:
Лазарев І.А.(1), Калашніков А.В.(1), Малик В.Д.(2), Скибан М.В.(1)
1 - ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України», м. Київ, Україна
2 - Полтавська обласна лікарня ім. М.В. Скліфосовського, м. Полтава, Україна
"Тrauma" Том 18, №4, 2017
Date: 2017.09.25
Categories:
Traumatology and orthopedics
Sections:
Clinical researches
