Full Text

Введение Переломы бедренной кости относятся к категории сложных повреждений. Они составляют от 8 до 16% от всей травмы скелета. Утрата трудоспособности при переломах бедренной кости в РФ достигает 16% [7]. Обеспечение стабильной фиксации поврежденной конечности приведет к полноценному восстановлению функции опоры и движения в максимально ранние (физиологические) сроки. Создание стабильного остеосинтеза зависит не столько от толщины имплантата, сколько от дистанционного перемыкания зоны перелома и антиротационной способности имплантата. Поперечную, продольную и ротационную стабильность обеспечат, например, «штыковидный гвоздь ЦИТО» (Охотского-Суваляна) с четырьмя продольными рёбрами, популярный в 80-е годы и который пока производится, или гвозди Ключевского-Зверева, которые массово производились в г. Ярославле. Эти методики позволяют быстро стабилизировать перелом с помощью относительно малоинвазивной процедуры по установке и вернуть поврежденную конечность к полноценному функционированию [5, 9]. В основе отмеченных методик лежит плотное прилегание к стенкам костномозговой полости. К концу ХХ столетия процедура остеосинтеза кардинально меняет свою концепцию, а именно: важно не только фиксировать отломки кости в правильном положении, но и создать условия для динамического поведения системы «кость-имплантат». В последнее десятилетие для лечения диафизарных переломов, независимо от уровня повреждения и их типа, наиболее часто используется метод интрамедуллярной фиксации с блокированием (БИОС). Однако его безальтернативное использование приводит к осложнениям и неудовлетворительным результатам лечения до 22,4% [4, 8, 10, 11]. Цель исследования: провести биомеханическое исследование жёсткости фиксации отломков бедренной кости при её переломах типа А1, А2, А3 и В1 четырьмя видами интрамедуллярных стержней - ChM, ВNB (трёхлопастной), стержень СарНИИТО (Саратовского научно-исследовательского института травматологии и ортопедии) и Fixion (Израиль). Материалы и методы Авторами проведено исследование стабильности фиксации отломков, фиксированных разными типами стержней путем измерения величины их смещаемости. По проектно-конструкторским чертежам и измерениям поперечных распилов изделий созданы трехмерные модели наиболее часто используемых в клинической практике стержней для блокированного интрамедуллярного остеосинтеза (БИОС) ChM Sp.z.o.o. (Польша, регистрационное удостоверение Росздравнадзора ФС № 2006/2105), Fixion (Израиль, регистрационное удостоверение № 2006/1285 от 14.08.2006), интрамедуллярного блокирующего устройства для остеосинтеза (стержня СарНИИТО по патенту РФ № 115 646 от 10.05.2012 производства ООО «Эндокарбон» (г. Пенза, Россия) (регистрационное удостоверение Росздравнадзора ФС РЗН 2015/3434 и стержня по патенту РФ № 2526242 (BNB трёхлопастной)) (рис. 1). После компьютерного моделирования интрамедуллярных фиксаторов и бедренной кости в программе SolidWorks произведены биомеханические исследования на основе испытания стабильности систем «кость-фиксатор» при нарушении целостности кости в средней трети аналогично переломам кости типа А1, А2, А3, В2 [3, 6]. Нагружения проводили в трех направлениях: осевое воздействие (силой 800 Н), поперечное (силой 100 Н) и ротационное (силой 10 кгс) (рис. 2). а б Рис. 1. Стержни для интрамедуллярного остеосинтеза: а - стержень СарНИИТО; б - стержень BNB трёхлопастной Контактные условия задавали в соответствии с аналогичными исследованиями [1, 2, 14, 16-18]. При достижении диастаза между отломками полученные значения перемещений между отломками записывали в таблицу. Наибольшие перемещения отломков бедренной кости в моделях системы «кость-имплантат», мм Нагрузки Стержень ChM Стержень Fixion Тип перелома средней трети диафиза бедренной кости А1 A2 A3 В2 А1 А2 А3 В2 Осевая 1,0 1,1 1,4 1,44 1,0 1,0 1,53 1,33 Поперечная 2,0 2,1 2,71 3,66 1,8 1,9 2,48 2,4 Торсионная 0,8 0,7 0,61 1,2 0,5 0,4 0,44 0,44 Нагрузки Стержень BNB Стержень СарНИИТО Тип перелома средней трети диафиза бедренной кости А1 A2 A3 В2 А1 A2 A3 В2 Осевая 1,0 1,2 1,5 1,4 1,1 1,1 1,4 1,18 Поперечная 1,7 1,6 2,26 2,7 2,0 1,8 2,72 2,95 Торсионная 0,9 0,8 0,52 0,6 0,3 0,2 0,63 0,62 а б в Рис. 2. Распределение напряжений в системе «кость-фиксатор» при переломе типа А3 в средней трети бедра: а - стержень ChM; б - стержень СарНИИТО; в - стержень BNB Результаты исследований При моделировании принимались исходные константы: имплантаты изготовлены из нержавеющей стали с модулем Юнга 1,93·1011 Па и коэффициентом Пуассона 0,33. Механические параметры трабекулярного и кортикального слоев были взяты из литературы [5, 17]: модуль Юнга кортикального слоя 1,8·1010 Па, модуль Юнга трабекулярного слоя 1,2·1010 Па, коэффициент Пуассона кортикального и трабекулярного слоев 0,3. Разброс модулей упругости костной ткани связан с различием в методах исследования, в способе подготовки образцов. Модуль упругости трабекулярной кости на 20-30 % ниже модуля упругости кортикальной кости [3, 8, 10, 11]. Считалось, что материалы фиксаторов и костной ткани являлись изотропными идеально-упругими. При расчетах учитывались большие деформации, которые могут возникать как в костной ткани, так и в фиксаторах, т.е. постановка задачи включала геометрическую нелинейность. За образец (эталон) приняты значения перемещения отломков при трех видах нагрузки в стержне с поперечным блокированием (ChM). Рассмотрим величину смещения отломков при переломе типа А1 (по AO/ASIF) - простом переломе с одиночной спиральной линией перелома диафиза в средней трети (рис. 3). б а в г Рис. 3. Графическое отображение смещения отломков, фиксированных разными видами интрамедуллярных стержней при А1 (а); А2 (б); А3 (в) и В2 (г) переломах бедренной кости При использовании стержня ChM величина смещения отломков при действии осевой нагрузки 800 Н составила 1,0 мм, поперечной 100 Н - 2,0 мм, при торсионной 10 Н·м - 0,8 мм. Использование четырехгранного стержня с блокированием на протяжении всего костномозгового канала путем его расширения (Fixion) привело к повышению стабильности фиксации отломков относительно предыдущего (эталонного) стержня при воздействии поперечной и торсионной нагрузок и показало меньшее смещение отломков на 10 и 37,5% соответственно при аналогичных показателях при осевой силе. Использование трехлопастного стержня BNB показало меньшую смещаемость отломков, а следовательно, лучшую стабильность при воздействии поперечной силы соответственно. Круглый стержень с блокированием спицей изнутри канала (СарНИИТО) показал лучшую стабильность при торсионном приложении силы (на 62,5%). Фиксация смоделированного перелома типа А2 (с косой линией излома) разными видами стержней показала аналогичную динамику и соотношение смещений при разных воздействиях. При использовании стержня ChM для перелома типа А3 (простой перелом с поперечной или близкой к ней линией излома с малыми осколками кортикального слоя, составляющими менее 10% окружности диафиза в средней трети) величина смещения отломков при действии осевой нагрузки 800 Н составила 1,4 мм, поперечной 100 Н - 2,71 мм, торсионной 10 Н·м - 0,61 мм. Использование четырехгранного стержня с блокированием на протяжении всего костномозгового канала путем его расширения (Fixion) привело к снижению стабильности фиксации отломков при воздействии осевой нагрузки на 9,2%, а нагружение поперечной и торсионной - показало меньшее смещение отломков, на 8,5 и 28,1% соответственно. Использование трехлопастного стержня BNB показало меньшую смещаемость отломков и, следовательно, лучшую стабильность при поперечном и ротационном нагружениях на 16,7 и 14,8% соответственно. Стержень СарНИИТО показал практически идентичные значения (см. рис. 3). Моделирование перелома типа В2 (оскольчатый перелом диафиза с одним или более промежуточными фрагментами, при котором после репозиции имеется некоторый контакт между отломками), фиксированного в системе «кость-стержень ChM», при воздействии осевой нагрузки 800 Н показало смещаемость отломков на 1,44 мм, поперечной силы - 3,66 мм, торсионной - 1,2 мм. Сравнивая показания смещаемости, можно отметить, что при использовании стержня Fixion стабильность фиксации была лучше. Так, при осевой нагрузке - на 7,7%, поперечной - на 34,4%, торсионной - на 44%. Использование трехлопастного стержня BNB привело к увеличению жесткости фиксации на 3, 16,3 и 50% соответственно. Стержень СарНИИТО показал лучшие значения в условиях воздействия осевой силы (на 19,1%), поперечной - на 20%, а торсионной - на 49,2% (см. рис. 3). Численные расчеты проводились в системе Ansys версии 15.0 с использованием среды Workbench. Решались статические задачи о нагружении систем «кость-фиксатор» тремя типами нагрузок (осевая сила 700 Н, поперечная сила 100 Н, скручивающий момент 10 Н·м), прикладываемых к головке кости при моделировании разных типов переломов (А1, А3, В2 по АО/ASIF) в средней части диафиза кости. Дистальный конец кости жестко закреплялся. Аналогичные условия использовались и в работе [15]. Между костными отломками и стержнем, а также в месте перелома ставился контакт без трения. Между блокирующими винтами и костными отломками ставились условия идеального контакта, который исключает их взаимное перемещение и скольжение. Аналогичные контактные условия ставили и другие авторы [2]. Модель кости и фиксаторов разбивалась на тетраэдрическую (костные отломки) и гексаэдрическую (интрамедуллярный стержень) вычислительную сетку. В первом случае использовались квадратичные 20-узловые элементы, во втором - 10-узловые тетраэдры. В каждом узле было 3 степени свободы - перемещения в трех направлениях. Проводился анализ сеточной сходимости. Другими словами, рассчитывался характерный размер элемента сетки, при котором результаты перестают быть зависимыми от количества узлов (элементов). Таким образом, количество узлов составляло порядка 2 000 000. Заключение Сращение кости по типу первичного заживления обеспечивается созданием максимально стабильной фиксации отломков. В последние годы наиболее эффективным методом показал себя интрамедуллярный остеосинтез с блокированием (БИОС). Из существующих видов наиболее распространено блокирование поперечно введенными винтами на максимально удаленном расстоянии, ближе к концам стержня (в области метафизов кости). Нами проведено исследование смещаемости отломков при нагружении системы «кость-имплантат» при БИОС разными типами стержней, как хорошо зарекомендовавших себя (ChM), так и редко используемых (Fixion) и усовершенствованных авторских изделий. Согласно классификации механические испытания, относящиеся к биомеханическим исследованиям, разделяют на статические: растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твёрдость. Это относительно медленное возрастание нагрузки от нуля до некоторой максимальной величины, при которой происходит разрушение системы или нестабильность фиксации. Мы испытывали три вида, так как в условиях ходьбы человека (опоры на ногу) разница в показателях на растяжение не актуальна. Исходные числа приложения нагрузок (осевая сила 700 Н, поперечная сила 100 Н, скручивающий момент 10 Н·м) выбраны из литературных данных аналогичных исследований и наших ранее проведенных стендовых испытаний [2, 12, 13, 15, 19]. По результатам исследования смещаемости отломков при разных типах переломов и воздействии на систему «кость-фиксатор» тремя видами нагрузок (осевой, поперечной и ротационной) - стабильность не одинаковая. Наиболее часто используемый стержень с поперечным блокированием (а может, и весь тип подобных стержней) продемонстрировал достаточно хорошие показатели стабильности отломков, способных привести к достижению желаемого результата - сращению кости. Применение разных видов интрамедуллярных фиксаторов, основанных на отличающемся способе блокировки в кости (поперечно введенными винтами, путем расширения в костномозговом канале, врезания лопастей в кость изнутри и спицей) позволяет более рационально подходить к увеличению стабильности фиксированного перелома путем использования их положительных сторон. Так, при переломе типа А1 и А2 лучше использовать стержень Fixion. При поперечной линии излома кости (типа А3) предпочтение лучше отдать трехлопастному стержню BNB, поскольку поперечную и ротационную нагрузку он держит лучше, а при воздействии осевой - происходит аутодинамизация перелома (компрессия), стимулируя регенерацию. Переломы типа В2 (оскольчатые, с малой линией контакта между отломками) требуют максимально возможной стабильности. Для этого лучше подходит стержень Fixion, блокирующийся на всем протяжении костномозгового канала. Но при его применении возможно отхождение осколка от материнского ложа при стабилизации стержня его расширением.

About the authors

Yu. A Barabash

D. V Ivanov

V. B Bogatov

A. V Lychagin

References

Statistics

Views

Abstract - 44

PDF (Russian) - 105

Refbacks

• There are currently no refbacks.