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 18, №5, 2017

Back to issue

Biomechanical definition of the elbow stability at the radial head fractures combined with collateral ligament injury

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


Summary

Актуальність. Переломи головки променевої кістки є частими пошкодженнями, при яких широко застосовується видалення зламаної головки [3]. При цьому лікарі, вважаючи це втручанням, що не має серйозних негативних наслідків, не враховують значне порушення стабільності суглоба внаслідок такої операції. У випадках пошкодження типу «нещаслива тріада» або в комбінації з пошкодженням колатеральних зв’язок вилучення головки променевої кістки призводить не тільки до додаткової втрати анатомічних співвідношень, а й до втрати надії на повернення функції ліктьового суглоба (ЛС). Мета роботи: вивчити фактори забезпечення стабільності в ліктьовому суглобі в положенні розгинання 175° в умовах дефекту головки променевої кістки 5–10–15 мм, комбінованого з пошкодженням колатеральних зв’язок ліктьового суглоба, при навантаженні 5 кг. Матеріали та методи. Розрахунки напружено-деформованого стану елементів ліктьового суглоба методом скінченних елементів на базі комп’ютерної 3D-моделі Zygote Media Group, Inc. інтактного ліктьового суглоба та суглоба з дефектом головки променевої кістки 5–10–15 мм, комбінованим із пошкодженням колатеральних зв’язок ліктьового суглоба, в положенні розгинання 175°. Критеріями оцінки напружено-деформованого стану були напруження за Мізисом, контактні напруження, максимальні деформації та переміщення. Результати. У положенні розгинання 175° ізольоване пошко­дження lig. collateralе radiale викликає значне зростання показників загальних переміщень моделі (Total Deformation) на 81,5 % (Δ = 44,24 мм) та переміщень проксимального відділу (головки) променевої кістки на 53,2 % (Δ = 5,70 мм), які опосередковано є критерієм стабільності моделі ЛС. Зростання показників загальних переміщень одночасно супроводжується зростанням показників напружень на ліктьовій кістці в 4,6 раза (σmax = 29,78 MPa), променевій кістці — в 4,8 раза (σmax = 34,31 MPa) та ділянках кріплення пошкодженої lig. collateralе radiale до променевої кістки — у 5,3 раза (σmax = 38,7 MPa). Пошкодження lig. collateralе radiale, комбіноване з дефектом головки променевої кістки 15 мм, викликає зростання показників загальних переміщень моделі (Total Deformation) у 2 рази (Δ = 53,01 мм) та зростання показників переміщень проксимального відділу променевої кістки — у 2,5 раза (Δ = 9,3 мм). Зростання показників переміщень одночасно супроводжується значним зростанням показників напружень на ліктьовій кістці у 6 разів (σmax = 39,82 MPa), променевій кістці — у 5 разів (σmax = 40,02 MPa) та на ділянках кріплення lig. collateralе ulnare аnterior intermediate і lig. collaterale radiale до кістки — у 7 разів (σmax = 52,4 MPa).
Ізольоване пошкодження lig. collateralе ulnare викликає значне зростання показників загальних переміщень моделі (Total Deformation) на 64,1 % (Δ = 39,99 мм) та переміщень проксимального відділу (головки) променевої кістки на 44,6 % (Δ = 5,38 мм). При цьому відбувається зростання показників напружень на ліктьовій кістці у 3 рази (σmax = 19,27 MPa), променевій кістці — у 3,8 раза (σmax = 27,08 MPa), плечовій кістці — у 2,8 раза (σmax = = 18,53 MPa) та ділянках кріплення пошкодженої lig. collateralе ulnare аnterior intermediate до медіального виростка плечової кістки — у 6,7 раза (σmax =7,94 MPa) та ділянках кріплення lig. collateralе radiale до променевої кістки — у 3,9 раза (σmax = 28,47 MPa). Пошкодження lig. collateralе ulnare, комбіноване з дефектом головки променевої кістки 15 мм, викликає зростання показників загальних переміщень моделі (Total Deformation) в 1,2 раза (Δ = 49,43 мм). При цьому показники загальних переміщень проксимального відділу променевої кістки (головки) зменшились на 4 % (Δ = 5,14 мм). Дефект головки 15 мм викликає додаткові переміщення проксимального відділу променевої кістки за віссю Х (Directional Deformation) до Δ = 13,3 мм. Зростання показників переміщень одночасно супроводжується зростанням показників напружень на ліктьовій кістці на 27 % (σmax = 19,27 MPa), променевій кістці — на 36 % (σmax = 27,08 MPa) та на ділянках кріплення lig. collateralе ulnare anterior intermediate і lig. collaterale radiale до кістки — в 1,8 раза (σmax = 28,47 MPa). Висновки. За даними дослідження, пошкодження lig. collateralе radiale та lig. collateralе ulnare викликає збільшення показників загальних переміщень (Total Deformation) усієї моделі та загальних переміщень проксимального відділу променевої кістки (головки) за рахунок девіації дистального відділу передпліччя (променевої кістки), які відображають виникнення нестабільності ЛС у положенні розгинання 175°. Із збільшенням величини дефекту головки променевої кістки на фоні пошкодження колатеральних зв’язок ЛС відбувається пропорційне порушення стабільності ЛС. Асиметричність навантаження на суглобові поверхні призводить до зростання напружень на контактних поверхнях ліктьової та плечової кісток, у відповідних ділянках суглобового хряща ліктьової та плечової кісток, на залишках пошкоджених зв’язок та у місцях їх кріплення до ліктьової та променевої кісток. Пошкодження lig. collateralе ulnare призводить до більш значного порушення стабільності ЛС, ніж при пошкодженні lig. collateralе radiale, за рахунок суми загальних переміщень (Total Deformation) дистального відділу передпліччя (девіації) та осьових переміщень проксимального відділу променевої кістки (Directional Deformations) в ділянці дефекту головки, з її наближенням до суглобової поверхні надвиростка плечової кістки. Значний ріст показників напружено-деформованого стану в місцях кріплення колатеральних зв’язок ЛС до кістки, у тому числі й на пошкоджених, відбувається за рахунок перерозподілу навантаження на зв’язковий апарат в умовах нестабільності ЛС та може викликати їх пошкодження.

Актуальность. Переломы головки лучевой кости являются частыми повреждениями, при которых широко используется удаление поврежденной головки лучевой кости [3]. При этом врачи, считая это вмешательством, не имеющим серьезных негативных последствий, не учитывают значительное нарушение стабильности сустава в результате такой операции. B случае повреждения типа «несчастная триада» или в сочетании с повреждением коллатеральных связок удаление головки лучевой кости приводит не только к дополнительной потере анатомических соотношений, но и к утрате надежды на возвращение функции локтевого сустава (ЛС). Цель работы. Изучить факторы обеспечения стабильности в локтевом суставе в положении разгибания 175° в условиях дефекта головки лучевой кости 5–10–15 мм, комбинированного с повреждением коллатеральных связок локтевого сустава, при нагрузке 5 кг. Материалы и методы. Расчет напряженно-деформированного состояния элементов локтевого сустава методом конечных элементов на базе компьютерной 3D-модели Zygote Media Group, Inc. интактного локтевого сустава и сустава с дефектом головки лучевой кости 5–10–15 мм, комбинированным с повреждением коллатеральных святок, в положении разгибания 175°. Критериями оценки напряженно-деформированного состояния были напряжения по Мизису, контактные напряжения, максимальные деформации и перемещения. Результаты. В положении разгибания 175° изолированное повреждение lig. collateralе radiale вызывает значительный рост показателей общих перемещений модели (Total Deformation) на 81,5 % (Δ = 44,24 мм) и перемещений проксимального отдела (головки) лучевой кости — на 53,2 % (Δ = 5,70 мм), опосредованно являющихся критерием стабильности модели ЛС. Рост показателей общих перемещений одновременно сопровождается ростом показателей напряжений на локтевой кости в 4,6 раза (σmax = 29,78 MPa), лучевой кости — в 4,8 раза (σmax = 34,31 MPa) и на участках крепления поврежденной lig. collateralе radiale к лучевой кости — в 5,3 раза (σmax = 38,7 MPa). Повреждение lig. collateralе radiale, комбинированное с дефектом головки лучевой кости 15 мм, вызывает рост показателей общих перемещений модели (Total Deformation) в 2 раза (Δ = 53,01 мм) и рост показателей перемещений проксимального отдела лучевой кости — в 2,5 раза (Δ = 9, 3 мм). Рост показателей перемещений одновременно сопровождается значительным ростом напряжений на локтевой кости — в 6 раз (σmax = 39,82 MPa), лучевой кости — в 5 раз (σmax = 40,02 MPa) и на участках прикрепления lig. collateralе ulnare аnterior intermediate и lig. collaterale radiale к кости — в 7 раз (σmax = 52,4 MPa). Изолированное повреждение lig. collateralе ulnare вызывает значительный рост показателей общих перемещений модели (Total Deformation) на 64,1 % (Δ = 39,99 мм) и перемещений проксимального отдела (головки) лучевой кости — на 44,6 % (Δ = 5,38 мм). При этом отмечается рост показателей напряжений на локтевой кости в 3 раза (σmax = 19,27 MPa), лучевой кости — в 3,8 раза (σmax = 27,08 MPa), плечевой кости — в 2,8 раза (σmax = 18,53 MPa), участках прикрепления поврежденной lig. collateralе ulnare аnterior intermediate к медиальному надмыщелку плечевой кости — в 6,7 раза (σmax = 7,94 MPa) и участках прикрепления lig. collateralе radiale к лучевой кости — в 3,9 раза (σmax = 28,47 MPa). Повреждение lig. collateralе ulnare, комбинированное с дефектом головки лучевой кости 15 мм, вызывает рост показателей общих перемещений модели (Total Deformation) в 1,2 раза (Δ = 49,43 мм). При этом показатели общих перемещений проксимального отдела лучевой кости (головки) уменьшились на 4 % (Δ = 5,14 мм). Дефект головки 15 мм вызывает дополнительные перемещения проксимального отдела лучевой кости по оси Х (Directional Deformation) до Δ = 13,3 мм. Рост показателей перемещений одновременно сопровождается ростом напряжений на локтевой кости на 27 % (σmax = 19,27 MPa), лучевой кости — на 36 % (σmax = 27,08 MPa) и на участках крепления lig. collateralе ulnare аnterior intermediate и lig. collaterale radiale к кости — в 1,8 раза (σmax = 28,47 MPa). Выводы. По данным исследования, повреждение lig. collateralе radiale и lig. collateralе ulnare вызывает увеличение показателей общих перемещений (Total Deformation) всей модели и общих перемещений проксимального отдела лучевой кости (головки) за счет девиации дистального отдела предплечья (лучевой кости), которые отражают возникновение нестабильности ЛС в положении разгибания 175°. С увеличением величины дефекта головки лучевой кости на фоне повреждения коллатеральных связок ЛС происходит пропорциональное нарушение стабильности ЛС. Асимметричность нагрузки на суставные поверхности приводит к росту напряжений на контактных поверхностях локтевой и плечевой костей, в соответствующих участках суставного хряща локтевой и плечевой костей, на остатках поврежденных связок и в местах их прикрепления к локтевой и лучевой кости. Повреждение lig. collateralе radiale приводит к более значительному нарушению стабильности ЛС, чем при повреждении lig. collateralе ulnare. Значительный рост показателей напряженно-деформированного состояния в местах прикрепления коллатеральных связок ЛС к кости, в том числе и на поврежденных, происходит за счет перераспределения нагрузки на связочный аппарат в условиях нестабильности ЛС и может вызвать их повреждение.

Background. Radial head fractures are frequent injuries, in which the damaged radial head removal is widely used [3]. At the same time, doctors, deeming that such intervention does not have serious negative consequences, do not take into consideration a significant violation of elbow stability as a result of such an operation. In case of injuries of “unfortunate triad” type or in combination with injury of collateralе ligaments, the radialе head removal leads not only to an additional loss of anatomical relationships but also to a loss of hope for the return of the elbow function. The purpose of our work was to study the factors providing elbow stability in 175° extension position, under the conditions of the radialе head defect of 5–10–15 mm combined with collateralе ligament damage, under load of 5 kg. Materials and methods. Calculations of the stress-strain state of elbow joint elements by the finite element method on the basis of the computer 3D model Zygote Media Group, Inc., of an intact elbow model and elbow with a radialе head defect of 5–10–15 mm combined with collateralе ligament injury at the elbow in 175° extension position. Criteria for assessing the stress-strain state were von Mises stress, contact stresses, strain, total and directional deformation. Results. In the extensor position of 175°, isolated injury of the lig. collateralе radiale leads to a significant increase in the total deformation parameters of the elbow model — by 81.5 % (Δ = 44.24 mm) and total deformation of the proximal radius (radialе head) — by 53.2 % (Δ = 5.70 mm), which are the criterion of the stability of the elbow model. The increase in the total deformation parameters takes place simultaneously with the growth of stress parameters at the ulna — by 4.6 times (σmax = 29.78 MPa), at the radius — by 4.8 times (σmax = 34.31 MPa) and at the areas of the lig. collateralе radiale attachment to the bone — by 5.3 times (σmax = 38.7 MPa). Injury of the lig. collateralе radiale combined with radialе head 15 mm defect leads to 2 times increase in the total deformation parameters (Δ = 53.01 mm) with 2.5 times displacement of the proximal radius area (Δ = 9.3 mm). The increase of the total deformation rate are simultaneously associated with significant stress at the ulna — by 6 times (σmax = 39.82 MPa), at the radius — by 5 times (σmax = 40.02 MPa) and at the areas of attachment of the lig. collateralе ulnare anterior intermediate and lig. collateralе radiale to the bone — by 7 times (σmax = 52.4 MPa). Isolated injury of the lig. collateral ulnare causes a significant increase in the total deformation parameters of the elbow model by 64.1 % (Δ = 39.99 mm) and total deformation of the proximal radius (radial head) — by 44.6 % (Δ = 5.38 mm). At the same time, there is an increase in stress parameters at the ulna by 3 times (σmax = 19.27 MPa), at the radius — by 3.8 times (σmax = 27.08 MPa), at the humerus — by 2.8 times (σmax = 18.53 MPa) and at the areas of attachment of the lig. collateral ulnare anterior intermediate to the medial humeral condyle — by 6.7 times (σmax = 7.94 MPa) and attachment of the lig. collaterale radiale to the radius — by 3.9 times (σmax = 28.47 MPa). Injury of the lig. collateralе ulnare combined with radial head 15 mm defect leads to 1.2 times increase in the total deformation parameters (Δ = 49.43 mm). In addition, the parameters of the total deformation of the proximal radius (radial head) decreased by 4 % (Δ = 5.14 mm). The 15 mm radial head defect leads to an additional directional deformations of the affected area (Δ = 13.3 mm) by X-axis. The increase of the total deformation rate is simultaneously associated with significant stress at the ulna — by 27 % (σmax = 19.27 MPa), at the radius — by 36 % (σmax = 27.08 MPa) and at the areas of attachment of the lig. collateralе ulnare anterior intermediate and lig. collateralе radiale to the bone — by 1.8 times (σmax = 28.47 MPa). Conclusions. According to the study, injury of the lig. collateralе radiale and the lig. collateralе ulnare causes an increase in the total deformation of the entire model and the total deformation of the proximal radius (radialе head), due to the deviation of the distal forearm (radius), which reflect the elbow instability in the 175° extension position. Increase in the radial head defect size combined with collateralе ligament injury associates with a proportional violation of the elbow stability. The asymmetrical loading to the articular surfaces leads to an increase of the stress at the ulnarе and humeral contact surfaces in the corresponding areas of the articular cartilage, at the injured ligaments and at the their attachments to the ulna and radius. Injury of the lig. collateralе ulnare causes a more significant violation of the elbow stability than the lig. collateralе radialе injury, due to the total deformation of the distal part of the forearm (deviation) and the proximal part of the radius axial displacements (directional deformations) of the radialе defect area, with its approach to the articular surface of the humeral condyle. Significant growth in the indicators of the stress-strain state in the places of attachment of collateralе ligaments to the bone, including the damaged ones, occurs due to the redistribution of the load on the ligamentous apparatus under conditions of elbow instability and can cause their damage.


Keywords

ліктьовий суглоб; колатеральні зв’язки; перелом головки променевої кістки; скінченно-елементне моделювання; напружено-деформований стан; стабільність ліктьового суглоба

локтевой сустав; коллатеральные связки; перелом головки лучевой кости; конечно-элементное моделирование; напряженно-деформованное состояние; стабильность локтевого сустава

elbow joint; collateralе ligaments; radial head fracture; finite elements modeling; stress-strain state; elbow stability


For the full article you need to subscribe to the magazine.


Bibliography

1. An K.N., Morrey B.F., Chao E.Y. The effect of partial removal of proximal ulna on elbow constraint // Clin. Orthop. — 1986. — Vol. 209. — P. 270-279.
2. Armstrong A.D., Dunning C.E., Faber K.J. et al. Rehabilitation of the medial collateral ligament-deficient elbow: an in vitro biomechanical study // J. Hand Surg. [Am]. — 2000. — Vol. 25, № 6. — P. 1051-1057.
3. Beingessner D.M., Dunning C.E., Gordon K.D. et al. The effect of radial head fracture size on elbow kinematics and stability // Journal of Orthopaedic Research. — 2005. — № 23. — P. 210-217.
4. Court-Brown C.M., Caesar B.C. Overview of epidemio–logy of fractures // Rockwood and Green’s fractures in adults / Ed. by R.W. Bucholz, J.D. Heckman, C.M. Court-Brown, K.J. Koval, P. Tornetts III, M.A. Wirth. — 6th ed. — Philadelphia; Baltimore; New York; London; Buenos Aires; Hong Kong; Sydney; Tokyo: Lipincott Williams and Wilkins, 2006. — Р. 95-113.
5. Deutch S.R., Olsen B.S., Jensen S.L. et al. Ligamentous and capsular restraints to experimental posterior elbow joint dislocation // Scand. J. Med. Sci. Sports. — 2003. — Vol. 13, № 5. — P. 311-316.
6. Fornalski S., Gupta R, Lee T. Q. Anatomy and Biomechanics of the Elbow Joint // Techniques in Hand and Upper Extremity Surgery. — 2003. — Vol. 7, № 4. — P. 168-178.
7. Kubichek M., Florian Z. Stress strain analysis of knee joint // Engineering Mechanics. — 2009. — № 5, Vol. 16. — P. 315-322.
8. Morrey B.F., Chao E.Y. Passive motion of the elbow joint // J. Bone Joint Surg. — 1976. — Vol. 58A. — P. 501-508.
9. The elbow and its disorders / Ed. by B.F. Morrey. — Phi–ladelphia, PA: WB Saunders, 2017. — 1200 p.
10. Зациорский В.М. Биомеханика двигательного аппарата человека / В.М. Зациорский, А.С. Аруин, В.Н. Селуянов. — М.: ФиС, 1981. — 143 с. 
11. Карпинский М.Ю. Результаты моделирования повреждений связочного аппарата коленного сустава / Карпинский М.Ю., Карпинская Е.Д., Щикота Р.А., Тяжелов А.А., Гончарова Л.Д. // Травма. — 2012. — Т. 13, № 3. — С. 165-171.
12. Лазарев І.А. Біомеханічне визначення навантаження на ліктьовий суглоб при переломах головки променевої кістки / Лазарев І.А., Курінний І.М., Страфун О.С., Скибан М.В. // Травма. — 2017. — Т. 18, № 2. — С. 7-16.

Similar articles

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

"Тrauma" Том 18, №2, 2017
Date: 2017.05.25
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Biomechanical calculations of the load on the elbow structures in one-stage manual joint mobilization
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
Biomechanical analysis of conditions of the functioning of knee endoprosthesis  in valgus deformities in patients with rheumatoid arthritis
Authors: Лазарев І.А., Бабко А.М., Автомєєнко Є.М., Скибан М.В.
ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України», м. Київ, Україна

"Тrauma" Том 19, №1, 2018
Date: 2018.04.17
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Biomechanical analysis of conditions of the functioning of knee endoprosthesis  in varus deformities in patients with rheumatoid arthritis
Authors: Лазарев І.А., Автомєєнко Є.М., Бабко А.М., Скибан М.В.
ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України» м. Київ, Україна

"Тrauma" Том 18, №6, 2017
Date: 2018.02.12
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches

Back to issue