CC BY
18
I
Орипнальы досл1дження
Original Researches
Травма
СТОЙКО И.В.1, БЭЦ В.Г.2, КАРПИНСКИЙ М.Ю.3, БЭЦ И.Г.3
1КУЗ «Харьковская городская многопрофильная больница № 18»
2КУ «Днепропетровская областная клиническая больница им. И.И. Мечникова»
3ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко АМН Украины», г. Харьков
АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ДИСТАЛЬНОГО ОТДЕЛА ГОЛЕНИ И СТОПЫ ПРИ ПОВРЕЖДЕНИЯХ PILON В УСЛОВИЯХ НАРУЖНОЙ ФИКСАЦИИ ПРИ ПОМОЩИ СТЕРЖНЕВЫХ АППАРАТОВ
Резюме. Цель исследования — выявить возможности применения стержневых устройств для внеоча-гового 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 Б'юСаб 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. Дказано, 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.
Ключевые слова: переломы дистальных эпиметафизов костей голени (переломы pilon), хирургическое лечение, внеочаговый остеосинтез, стержневые фиксаторы, метод конечных элементов.
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-мягкоткан-ной 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 внеочаго-вой фиксации переломов [3].
Последние к настоящему времени получили широкую степень развития в двух основных версиях: спи-цевые 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 от-
© Стойко И.В., Бэц В.Г., Карпинский М.Ю , Бэц И.Г., 2014 © «Травма», 2014 © Заславский А.Ю , 2014
ломков, 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 цельнометал-
Рисунок 1. Используемый конечный элемент
Рисунок 2. Модель голеностопного сустава: а — аксонометрическая проекция; б — сагиттальная проекция; в — фронтальная проекция; г — вид сверху; д — стопа; е — стопа (аксонометрическая проекция); ж — стопа (сагиттальная проекция); з — стопа (вид сверху)
лическои 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 дистрак-ционное 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 изопа-раметрический тетраэдр (рис. 1) с тремя степенями свободы в узле (перемещение вдоль координатных осей). Расчеты проводились с использованием расчетной программы ВюСас! и программы визуализации расчетов L ook e r.
Исходя из поставленной задачи, мы осуществили построение конечно-элементной модели дис-тального 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 рИоп, 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 ВюСас!. 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 С 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
Таблица 1. Механические характеристики материалов, использованных при моделировании
Рисунок 3. Модель дистального отдела голени и голеностопного сустава (фиксатор модели 1): а — аксонометрическая проекция; б — сагиттальная проекция; в — фронтальная проекция; г — вид сверху
Материал Модуль Юнга, Е (МПа) Коэффициент Пуассона,V
Кортикальная кость 15 000 0,30
Субхондраль-ная кость 6900 0,20
Губчатая кость 690 0,30
Хрящ 10,5 0,49
Сталь 210 000 0,28
Рисунок 4. Модель дистального отдела голени и голеностопного сустава (фиксатор модели 2): а — аксонометрическая проекция; б — сагиттальная проекция; в — фронтальная проекция; г — вид сверху
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 рИоп, фиксированным аппаратами внешней фиксации (рис. 6, 7), показало, что основную на-
грузку 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
Рисунок 5. Распределение напряжений в модели (норма): а — сагиттальная плоскость; б — сагиттальная плоскость в разрезе; в — фронтальная плоскость(вид сзади); г — стопа (аксонометрическая проекция); д — стопа (вид сзади); е — стопа (вид сверху)
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, увеличива-
ется (по сравнению с нормой), что вызвано введением жестких металлических стержней в пяточную кость. Величина напряжений в зоне р^п 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
Рисунок 6. Распределение напряжения в модели с аппаратом внеочаговой фиксации модели 1: а — аксонометрическая проекция; б — сагиттальная плоскость; в — фронтальная плоскость (вид сзади); г — стопа (вид сверху); д — стопа (вид снизу)
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 дис-тального отдела голени и стопы установлено, что
Рисунок 7. Распределение напряжения в модели с аппаратом внеочаговой фиксации модели 2: а — аксонометрическая проекция; б — сагиттальная плоскость; в — фронтальная плоскость; г — стопа (вид сверху); д — стопа (вид снизу)
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 та-
ранной 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 остеосин-теза при переломах р^п с некоторым предпочтением относительно модели 2.
Рисунок 8. Распределение напряжения в модели пяточной кости: а — сагиттальная плоскость в разрезе (норма); б — фронтальная плоскость, вид сзади (норма); в — вид сверху (норма); г — сагиттальная плоскость в разрезе (аппарат модели 1); д — фронтальная плоскость, вид сзади (аппарат модели 1); е — вид сверху (аппарат модели 1); ж — сагиттальная плоскость в разрезе (аппарат модели 2); з - фронтальная плоскость, вид сзади (аппарат модели 2); и — вид сверху (аппарат модели 2)
Рисунок 9. Распределение напряжения в модели таранной кости: а — сагиттальная плоскость в разрезе (норма); б — вид сверху (норма); в — вид снизу (норма); г — сагиттальная плоскость в разрезе (аппарат модели 1); д — вид сверху (аппарат модели 1); е — вид снизу (аппарат модели 1); ж — сагиттальная плоскость в разрезе (аппарат модели 2); з — вид сверху (аппарат модели 2); и — вид снизу (аппарат модели 2)
Список литературы
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 эпи-метафиза (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.: ДМКПресс, 2004. — 432 с.
6. Березовский В.А., Колотилов Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека: Справочник. — К.: Наукова думка, 1990. — 224 с
7. Писаренко Т.С. Справочник по сопротивлению материалов /Т.С. Писаренко, А.П. Яковлев, В.В. Матвеев; отв. редактор Т.С. Писаренко. — 2-е изд., переработанное и дополненное. — К.: Наукова думка, 1988. — 736 с.
Получено 03.02.14 □
Стойко 1.В.1, Бець В.Г.2, Карпинський М.Ю.3, Бець 1.Г.3 1КУОЗ «Харквська мська багатопрофльна лкарня № 18»
2КЗ «Днпропетровська обласна клЫчна лкарня ¡м. 1.1. Мечникова»
3ДУ «1нститут патологПхребта й суглобв ím. проф. М.1. Ситенка АМН Украни», м. Харкв
АНАЛiЗ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ДИСТАЛЬНОГО В^ЛУ ГОМИКИ Й СТОПИ
ПРИ УРАЖЕННЯХ PILON В УМОВАХ ЗОВШШНЬОТ ФкСАЦП ЗА ДОПОМОГОЮ СТРИЖНЕВЫХ АПАРАШ
Резюме. Мета дослщження — виявити можливосп викорис-тання стрижневих пристрогв для позаосередкового остеосин-тезу при пошкодженнях pilon та встановити найбшьш придат-н1 конструкцп для дано'! лока^1зац1'1 пошкоджень. Для цього в умовах лабораторп бюмехашки ДУ «1нститут патологи хребта та суглоб1в ím. проф. М.1 Ситенка АМН Украши» використа-ний анал1з напружено-деформованого стану дистального вщ-дшу гомшки та гомшковостопного суглоба в норм1 та в умовах позаосередково'! фжсаци р1зними типами стрижневих апаратш при переломах pilon. Ана^1з проведено методом инцевих еле-мент1в, що дае можливгсть найбшьш повно врахувати геоме-тричн1 та ф1зичн1 особливосп конструкц1й, а також дати повну картину навантаження, провести об'ективне поршняння мето-д1в i пристрогв для фжсацп перелом1в, оц1нити гх переваги та недолжи.
Дослщження проведене на об'емнш трьохвим1рн1й модел1 дистального вщдшу гомшки та гомшковостопного суглоба з ви-користанням трьохвим1рно'1 инцево-елементно! модель Роз-рахунки проведен1 з використанням розрахунково'1 програми В1оСас1 та програми в1зуал1зацп розрахунк1в Looker.
У результат встановлеш найбшьш навантажен1 дшянки до-слщжувано'! анатом1чно'1 зони в норм1 та розподш навантажень в умовах позаосередково'1 фжсаци при переломах pilon. Доведено, що використання стрижневих одноб1чних пристро'1в при переломах pilon у принцип можливе, тому що забезпечуе роз-вантаження пошкоджено'! анатом1чно'1 зони в умовах осьових навантажень у межах половини маси тша людини, видшеш конструкцп ф1ксатор1в, яким слщ надавати перевагу.
Ключовi слова: переломи дистальних еп1метаф1з1в кусток гомшки (переломи pilon), х1рург1чне лжування, позаосередковий остеосинтез, стрижнев1 ф1ксатори, метод юнцевих елемент1в.
Stoyko I.V.1, Bats V.G.2, KarpinskyM.Yu.3, Bats I.G.3 Municipal Healthcare Institution «Kharkiv City Multifield Hospital № 18»
2Municipal Institution «Dnipropetrovsk Regional Clinical Hospital named after I.I. Mechnikov» 3State Institution «Institute of Spine and Joint Pathology named after professor M.I. Sitenko of Academy of Medical Sciences of Ukraine», Kharkiv, Ukraine
ANALYSIS OF STRESS-STRAIN STATE OF THE DISTAL TIBIA AND FOOT IN PILON INJURIES UNDER EXTERNAL FIXATION USING ROD DEVICES
Summary. 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.
Key words: fractures of the distal epimetaphysis of tibial bones (pilon fractures), surgical treatment, extrafocal osteosynthesis, rod devices, finite element method.
