Исследование биомеханики остеосинтеза удлиняемой бедренной кости

14 Апреля в 11:34 1170 0


В работе проведено геометрическое и математическое моделирование остеосинтеза отломков удлиняемой бедренной кости после косой и Z-образной остеотомий. Выполнен анализ напряженно-деформированного состояния системы фиксации с помощью метода конечных элементов. Проведено сравнение двух моделей фиксации.

Введение. 

Проблема восстановительного лечения больных с укорочениями конечностей является важной социально-экономической задачей. Удельный вес инвалидности от последствий травм и заболеваний опорно-двигательной системы все еще остается высоким, достигает 10-21 % и не имеет тенденции к снижению. Укорочение сегмента нарушает статическую и динамическую функцию конечности, приводит к формированию вторичных деформаций скелета - сколиозу, перекосу таза, которые приобретают характер стойких психических и физических страданий.

При коррекции длины конечности применяются различные виды остеотомий: поперечная, косая, Г-, V-, Z-образные с последующей стабильной фиксацией отломков костей при помощи аппаратов внешней или конструкций внутренней фиксации.

Биомеханические исследования системы внутренней фиксации позволяют еще на этапе подготовки к операции иметь возможность выбора способа остеотомии и дальнейшей тактики реабилитации больного.

Материалы и методы. 

Удлинение бедренной кости выполняли после косой и Z-образной остеотомии в верхней трети бедренной кости на 20 мм дистальнее малого вертела. Отломки кости были разведены на 40 мм и замещением дефекта при косой остеотомии фрагментом спонгиозной кости. При Z-образной остеотомии замещение костным трансплантатом не предусматривалось.

Остеосинтез костных отломков осуществляли углообразной пластиной ТРХ с клинком, вводимым в проксимальный конец бедренной кости вдоль оси шейки со стороны большого вертела. Пластину фиксировали с помощью 2 спонгиозныхи 5 кортикальных винтов при косой остеотомии и 2 спонгиозных и 6 кортикальных финтов при Z-образной остеотомии.

Компьютерная модель бедренной кости была построена по срезам, полученным на томографе (Siemens Somatom Emotion ТМ; Berlin-Munich, Germany). При создании пространственной модели бедренной кости использовали пакет программ параметрического моделирования SolidWork 2009 (SolidWork Corp; Concord, Massachusetts). В этом же пакете созданы трехмерные модели остеосинтеза пластиной ТРХ. Значения физико-механических и упругих характеристик кортикальной и спонгиозной костной ткани, сплава титана пластины ТРХ принимались из справочных и периодических источников.

Определения напряженно-деформированного состояния системы фиксации решали исходя из следующих предположений: коленный сустав жестко закреплен; все материалы считались изотропными, упругими, характерными для молодого человека; сосредоточенная сила прикладывалась к головке бедренной кости в направлении биомеханической оси.


Анализировали влияние изменения температуры системы фиксации на 17 °С на ее напряженно-деформированное состояние. Напряжение системы фиксации «пластина - винты - кость» проводили дозированной нагрузкой 70 Н. Рассматривали совместное действие дозированной силы в 70 Н и изменение температуры системы фиксации на 17 °С.

Влияние температуры на напряженно-деформированное состояние системы «пластина-винты-кость» обусловлен градиентом температуры фиксатора до операции (20 °С) и в период функционирования в организме (37 °С). Звенья системы фиксации «пластина - винты кость» имеют разные значения коэффициентов линейного расширения, и при изменении температуры в системе возникают различия механического напряжения, перемещения и деформации. Расчеты перемещений и механических напряжений выполнены в пакете программ Simulation (SolidWorks Corp; Concord Massachusetts), реализующем метод конечных элементов.

Результаты, обсуждение. 

При остеосинтезе бедренной кости после косой остеотомии и осевой нагрузке до 70 Н, при градиенте температуры фиксации в 17 °С наибольшие эквивалентные напряжения в элементах металлического фиксатора составляют 2,5 % от опасного для титанового сплава. В кортикальной кости под пластинкой напряжения достигают 5,9 % от опасного для кортикальной кости. В спонгиозной костной ткани проксимального отдела бедренной кости в зоне вхождения клинка пластины и костном трансплантате в зоне контакта с дистальным отломком напряжения достигают 22 % от опасного для спонгиозной кости. Наибольшее полное перемещение имеет головка бедренной кости, достигая 0,4 мм.

При остеосинтезе бедренной кости после Z-образной и осевой нагрузки до 70 Н, при градиенте температуры 17 °С наибольшие эквивалентные напряжения в пластине возникают на уровне верхнего отверстия центрального ряда, что составляет 2,7 % от опасного для титанового сплава. В кортикальной кости эквивалентные напряжения наибольшего значения достигались на уровне поперечного распила кости дистального отломка, что составляло 2 % от опасного для кортикальной кости. В спонгиозной костной ткани, как и при поперечной остеотомии, наибольшее напряжение возникало в зоне вхождения клинка пластины и достигало 20 % от опасного для спонгиозной кости. Наибольшее полное перемещение головки бедренной кости составляло 0,5 мм.

Сравнительный анализ результатов расчетов показал необходимость ограничения градиента температур на степень напряженно-деформированного состояния в системе фиксации «пластина - винты - кость» при осевой нагрузке в 70 Н, что приведет к уменьшению деформации кости и увеличению стабильности фиксации. При планировании остеотомии при удлинении бедренной кости, если за критерий стабильности фиксации принять напряжение в системе фиксации, то предпочтение следует отдать Z-образной остеотомии. Она обеспечивает меньшие напряжения в спонгиозной кости. Однако необходимо отметить, что локальные разрушения спонгиозной кости не могут существенно повлиять на жесткость фиксации.


Ю. А. Шукейло, В. П. Хомутов, В. В. Хомутов, А. М. Схиртладзе, А. Б. Бузаков
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, Центр стабильно-функционального остеосинтеза Елизаветинской больницы, г. Санкт-Петербург


Похожие статьи
показать еще
 
Травматология и ортопедия