CC BY
42
I
Орипнальы досл1дження
Original Researches
Травма
УДК 616.718.4-002.27-001.5-089.84
ЛАЗАРЕВ I.A.1, ШИДЛОВСЬКИЙ М.С.2, ГУКЮ.М.1, ОЛ1ЙНИКЮ.В.1, ЧЕВЕРДА А.1.1 1ДУ «1нститут травматологи та ортопедИ НАМН Укра1ни», м. Кив 2На^ональний технiчний унверситет Укра!ни «Кивський полiтехнiчний нститут»
БЮМЕХАЫЧНИЙ AHAAi3 НАДМНОСТ ФкСАЦП ПРОКСИМАЛЬНОГО BiÄÄiAY СТЕГНОВО1 ЮСТКИ ПРИ ФiБРО3HiЙ ДИСПAA3ií В YМОBAХ ОСТЕОСИHТЕ3Y Рi3HИМИ ТИПАМИ ФiКСAТОРiB (експериментальне досл1дження)
Резюме. Ф1брозна дисплаз':я — вроджене неспадкове захворювання скелета, що супроводжкуеться формуванням патолопчних осередюв, заповнених диспластичною ф/брозно-юстковою тканиною. Виб/р методики остеосинтезу при х!рург!чному л/куванн/ перелом/в та деформац/й проксимального в1ддлу стегново'1' юстки у хворих з ф/брозною дисплазею залишаеться досить актуальним через значний вдсо-ток ускладнень, пов'язанихз м/грац/ею елементв конструкц/й iнестабльним остеосинтезом. Проведено б1омехан1чне дослдкення з випробування на мiцнiсть та жорстюсть синтетичноi моделi стегново'1 юстки Sawbones (США) з наявним порожнистим дефектом у проксимальному ii вддш та в умовах остеосинтезу рiзними типами металевих фiксаторiв: LCP (locking compression plate) — пластина для проксимального в^лу стегна, femoral interlocking nail (FIN) — стегновий блокувальний стрижень, АВР (angled blade plate) — кутова пластина. Тестування зразюв на стиснення при статичному навантаженн було здiйсне-но у випробувальнiй машинi TIRAtest-2151. Визначенi границ мцност та деформащй пд час руйнування зразка. Переломи на вах зразках вдбувалися при навантаженнях, що значно перевищували т1 як мають мсце в природних умовах, що вказуе на ефективнсть застосування цих методик остеосинтезу. Отриманi результати вдображують переваги застосування LCP та FIN, що забезпечують бльшу жорстюсть фiксацi'¡' проксимального в^лу стегна та можуть бути розглянут як варiант вибору методики остеосинтезу у хворих на фiброзну дисплазю.
Ключов слова: фiброзна дисплазiя, проксимальний вддл стегново'1 юстки, патолопчний перелом, бюмеха-нчний аналiз, металоостеосинтез.
Вступ
Фiброзна дисплазiя (ФД) — вроджене диспластич-не захворювання опорно-рухового апарату, що супро-воджуеться формуванням патолопчних осередыв на певних дтянках исток, заповнених диспластичною фiброзно-кiстковою тканиною, з можливим форму-вання кiстоподiбних порожнин на зразок аневриз-мальних, з геморапчним вмютом при розвитку дис-трофiчного процесу [10]. Змшена структура ыстки у щй дшянщ е причиною патолопчних переломiв i деформаци, що найчастше ускладнюють переб^ захворювання та потребують хiрургiчного лшування [7].
Тривалий час в хiрурril фiброзноl дисплазп перевага вщдавалася класичному методу лшування, що застосовуеться при пухлиноподiбних захворюван-нях, а саме внутршньоыстковш резекци патоло-пчного осередку в межах умовно здорово! тканини з подальшою ыстковою пластикою шслярезекцш-ного дефекту. Однак значний вшсоток рецидивiв
захворювання [8], збереження ризику патолопчних переломiв у дшянщ патолопчного процесу змусили впровадити в тактику лкування рiзноманiтнi мето-ди остеосинтезу нашстковими та штрамедулярни-ми фшсаторами промислового чи шдивщуального виробництва [1, 3, 11]. На жаль, бшьшють фахiвцiв використовують ix емшрично, спираючись лише на клшчш спостереження, без достатнього експе-риментального випробування, чим обумовлена, на нашу думку, значна кшьшсть незадовшьних резуль-татiв лiкування у виглядi м^рацш та переломiв мета-локонструкцiй.
Усе викладене вище визначае актуальнiсть про-ведення експериментального бiомеxанiчного досль
© Лазарев I.A., Шидловський М.С., Гук Ю.М., Олшник Ю.В.,
Чеверда A.I., 2015 © «Травма», 2015 © Заславський О.Ю., 2015
Рисунок 1. Зовн1шн1й вигляд Femur Composite Bone (Sawbones®): a) вигляд спереду; б) вигляд ззаду
дження з метою визначення надшносп та жорсткосп фiксаторiв, що застосовуються для проксимального вщдшу стегново'! кiстки у хворих на фiброзну диспла-зш. Дане дослiдження дозволить обГрунтовано пщ-йти до вибору методики остеосинтезу, знизити вщ-соток ускладнень та вщновити в оптимальнi термiни функцш опори та ходи.
Мета дослщження: проведення випробувань на мiцнiсть та жорстысть бюмехашчно! системи «стег-нова ыстка — фшсатор» в умовах наявного порож-нистого дефекту проксимального вщдшу стегново! кiстки при остеосиш^ рiзними типами фiксаторiв.
Матер1али та методи
Для проведення бiомехaнiчного дослщження за-стосовано синтетичну модель стегново! ыстки фiрми
Sawbones, Femur Fourth Generation Composite Bone (Sawbones, Pacific Research Laboratories, Inc., Vashon, Вашингтон, США) (рис. 1, 2), що зроблена з поль мерних композитних мaтерiaлiв, !! фiзичнi власти-восп максимально нaближенi до фiзичних власти-востей кортикально! та спонгiозно! тканини ыстки людини, вона призначена для бюмехашчних досль джень в медицин [12] (рис. 1, 2).
Вибiр синтетичних моделей стегново! кiстки обу-мовлений необхiднiстю проведення стандартизо-ваного бюмехашчного тестування з нiвелювaнням шдивщуальних та вiкових властивостей трупно! кютки, що, безумовно, можуть вплинути на показники мщносп та жорсткосп [9].
Для дослщження використано три стандартш мо-делi стегново! ыстки ^ва, М (medium)) iз заданими антропометричними параметрами (рис. 2).
З метою максимального наближення експери-менту до натуральних умов юнування патолопчно-го осередку ФД в проксимальному вщдш кожно! моделi стегново! ыстки сформовано порожнину об'емом 27,0 ± 0,2 см3, що топогрaфiчно займае мiжвертлюгову, пiдвертлюгову дiлянку та базальну частину шийки. Для цього на визначенш осi ший-ки в мiжвертлюговiй дiлянцi експериментальним шляхом знаходили точку, що була розташована на вщсташ 75 мм вщ краю головки. Циркулем вимь рювали окружнiсть дiaметром 40 мм iз захватом ба-зально! частини шийки, мiжвертлюговоl та пщверт-люгово! дшянки. Свердлом (0 10 мм) формували трепанацшний отвiр (0 11 мм). Свердлами, бурами та ложкою Фолькмана пщ контролем електронно-оптичного перетворювача (ЕОП) сформовано порожнину на всю товщину кiстки до кортикального шару ^i збереженням останнього) в межах визна-чено! окружностi.
Для перевiрки забезпечення iдентичностi форми, об'ему та локaлiзaцi! отворiв в уах трьох моделях проведена вiзуaлiзaцiя осередку порожнистого дефекту на рентгенограмах та комп'ютерно-томогрaфiчних (КТ) сканах (рис. 3).
Бюмехашчш моделi стегново! ыстки Sawbones зi сформованим порожнистим дефектом у прокси-
С
Рисунок 2. Антропометричн! параметри бюмехашчно/ модел! стегновоi кстки (Femur, left; #3403)
Рисунок 3. РентгенографЫне (а) та КТ-зображення (б) модел! стегновоi кстки з порожнистим дефектом
мальному вщдш пiд контролем ЕОП синтезовано за стандартними методиками такими фшсаторами: LCP (locking compression plate) — пластина для проксимального вщдшу стегна; FIN (femoral interlocking nail) — стегновий блокувальний стрижень; АВР
(angled blade plate) — кутова пластина для проксимального вщдшу стегна (рис. 4), техшчш характеристики яких подан в табл. 1.
Контроль розташування фшсуючих елеменпв у моделях стегново! кютки здшснено за допомогою
Рисунок 4. Зовншшй вигляд ф'/ксатор'/в LCP (а), FIN (б), АВР (в) та моделей стегновоï кютки з ф!ксаторами (г)
Таблиця 1. Техн'чш характеристики фiксуючих елемент1в
Тип фшсатора Кшьюсть OTBOpiB Кшькють фшсуючих елеменлв на piBHi шийки стегново'Г кютки Кшькють фшсуючих елеменлв на piBHi метафiзу та дiафiзу стегново'Г кiстки
LCP (locking compression plate) — пластина для проксимального вщдшу стегново! кютки; L 150 мм; MaTepian — титан 7 3 0 7,3 мм L 70; 75; 80 мм (канюльоваы, блокувальнО 6 0 5 мм L 36; 38; 40 мм (блокувальнО
FIN (femoral interlocking nail) — стегновий блокувальний стрижень; L 300 мм; 0 10 мм, мaтepiaл — сталь 4 2 0 6,5 мм L 80; 100 мм (реконструктивы, канюльованО 2 0 4,5 мм L 35 мм
АВР (angled blade plate) — кутова пластина для проксимального вщдшу стегново! кютки 130°; L 110 мм, мaтepiaл — сталь 6 Лезо 80 мм 6 0 5 мм L 36, 38, 40 мм
Рисунок 5. Рентгенограми стегновоi юстки з р!зними типами ф'ксатор'в в передньозаднй та боковй проекцИ
Рисунок 6. Загальний вигляд випробувальноï машини TIRAtest-2151
Таблиця 2. Технiчнi характеристики випробувальноï машини TIRAtest-2151
За навантаженням За деформащею
Максимальне випробуваль-не навантаження, кН 5,0 Максимальне перемщення траверси, мм 800
Межi змши навантажен-ня, кН Вщ 0,01 до 5,0 Дiапазон змши швид-костей траверси, мм/хв Вiд 0,5 до 1000
Похибка вимiрювання навантаження, % Не бшьше 1,0 Точнють вимiрювання перемщень, мм 0,01
Пружнють (питома деформащя) випробувально! системи 8,0 • 10-5 мм/Н
отриманих рентгенограм у передньозаднш та боко-вiй проекци' (рис. 5).
Експериментальш дослiдження характеристик мщносл та жорсткостi зразкiв проведено за роз-робленою методикою [4—6] з використанням уш-версально! випробувально! машини TIRAtest-2151 (рис. 6) з додатковими пристроями (рухома платформа та вузли передачи зусиль). Техшчш характеристики випробувально! машини, що призначена для визначення мехашчних властивостей пластмас та композицшних матерiалiв, подаш в табл. 2.
Для проведення випробувань зразки бюмехашч-них моделей стегново! ыстки Sawbones iз сформо-ваним порожнистим дефектом iз рiзними типами фiксаторiв (LCP, FIN, ABP) послщовно розмщува-ли у випробувальнiй машиш iз забезпеченням сшв-
вiсностi прикладення навантаження та фiксували за дистальний епiфiз кiстки у нижньому затискувачi на рухомiй траверсi (рис. 6).
Перед початком навантаження в мшропроцесор випробувально! машини введено робочi характеристики (режим навантаження, довжина зразка та iншi параметри). Швидшсть деформування зразыв пiд час випробувань становила 2,5 мм/хв iз забезпеченням плавност прикладання навантаження. Ви-пробування завершували в момент руйнацп зразка (рис. 7) з реестращею максимально! сили (РМАХ) та деформацп (ДМАХ). Вимiрювання сили Р забезпечува-лося динамометром, на який через жорсткий стри-жень передавалося навантаження шстки.
Випробуванням на стискання, при короткочас-нiй (протягом кiлькох секунд) дп навантаження,
Рисунок 7. Загальний вигляд моделей «стегнова юстка — ф/ксатор» псля проведення тестування на м1цн!сть (стрлками вказано локал!зац!ю зламу): а) з LCP; б) з FIN; в) з АВР
5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
0 2 4 6 8 Деформащя зразка, мм
5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
0
0 2 4 6 8
б Деформа^я зразка, мм
3500 3000 2500
I
S 1000
2000 1500
500 0
0 1 2 3 4 5 в Деформащя зразка, мм
Рисунок 8. Д1аграми деформування зразкв з р'зними типами ф'/ксатор'/в: а) LCP; б) FIN; в) ABP
визначено показники максимальних навантажень та деформацш в момент руйнування зразыв. Запис результапв випробувань здшснено в координатах «навантаження — абсолютна деформашя ыстки» у виглядi протоколу випробувань за допомогою пристрою для друкування.
Результати та ïx обговорення
Дiлянки зламу зразкiв при статичному наван-таженнi у випробувальнiй машиш поданi на рис. 7. Отримаш дiаграми деформування зразкiв наведено у графшах (рис. 8) для кожно! моделi з рiзними типами фiксаторiв.
Отриманi показники деформацiй (Amax, мм) у ви-пробувальнiй машинi перераховаш за допомогою формул, що дозволило виключити деформацп' ви-пробувально! машини та видiлити власнi iстиннi деформаций якi виникають виключно на моделi стегно-во1 кiстки з рiзними типами фiксаторiв (Amax модел^ мм).
Згiдно з отриманими результатами дослщження (табл. 3) встановлено, що деформаци', якi виникали в момент зламу дослщжуваних зразкiв, незначно вiдрiз-нялись один вщ одного та були в межах 3,14 ± 0,12 мм.
Найбiльший показник навантаження, що при-звело до зламу зразка, отримано на моделi стегново! ыстки з фiксатором LCP (4586,7 Н), що вказуе на-дiйнiшу та стабшьшшу фiксацiю. Показники максимальних деформацш цього зразка становили 3,02 мм. ЛМя зламу моделi була розташована в поперечному напрямку та проходила через дистальний блокуваль-ний гвинт пластини (рис. 8а).
Руйнування моделi стегново! кiстки з фшсато-ром FIN виникло при меншш силi навантаження (4423,9 Н), максимальний показник деформацш мо-делi становив 3,06 мм. ЛШя зламу моделi проходила у косовертикальному напрямку через медiальну частину великого вертлюга з переходом на базальну частину шийки (рис. 8б).
Найменшу силу навантаження (3200,5 Н), яка призвела до зламу зразка, отримано на моделi стег-ново! кiстки з фшсатором АВР. Показники макси-
Таблиця 3. Максимальнi навантаження PMAX та деформаци Amax модел!, що отриманi в момент зламу моделей стегнових юсток з рiзними типами фiксаторiв
Модель з фшсатором pmax> Н ^max> мм amax моДе™, мм
LCP 4586,7 5,91 3,02
FIN 4423,9 6,12 3,06
ABP 3200,5 4,11 3,35
мальних деформацш цього зразка були найбтьшими та становили 3,35 мм, що вказуе на менш надшну та стабшьну фшсацш. Лiнiя зламу моделi була в поперечному напрямку з мюця введення леза фшсатора та проходила через мiжвертлюгову дiлянку (рис. 8в).
Слiд вщмггати, що виявленi в експериментi дшян-ки, на яких виникав злам зразыв, були максимально наближеш по локалiзацil до мiсць концентрацп на-пружень при вивченнi напружено-деформованого стану моделей стегнових ысток з аналопчними типами металофiксаторiв, якi були отримаш нами в попередньому дослщжеш [4]. Цей факт шдтверджуе адекватшсть моделей та вiрогiднiсть результатiв комп'ютерного математичного моделювання з мож-ливютю !х кореляцп з даними експериментального дослiдження.
Висновки
1. Проведене тестування зразыв на стискання при короткочасному навантаженш з визначенням границь мщносп та деформацш визначило: злам ушх зразыв виникав при показниках навантаження, що значно перевищували сили, яы дшть на кiстку при фiзiологiчному навантаженнi, що вказуе на ефектив-нiсть застосування даних методик остеосинтезу.
2. Бюмехашчш випробування на мщшсть та жор-сткiсть бюмехашчно! системи «стегнова кiстка — фшсатор» в умовах наявного порожнистого дефекту проксимального вщдшу стегново! кiстки (iмiтацiйна модель осередково! форми фiброзноl дисплазп) в умовах рiзних методик остеосинтезу довели переваги
фiксаторiв LCP та FIN завдяки ïx можливостi утри-мувати максимальш навантаження при достатньо стабiльнiй фшсацп'.
3. Отриманi результати експериментальних до-слiджень можуть стати аргументованим шдГрунтям для вибору оптимально!' методики остеосинтезу проксимального вщщлу стегново! кiстки у хворих з фiброзною дисплазieю, сприяти розробщ та удо-сконаленню реабшггацшних заxодiв, що дозволить в оптимальш термiни вiдновити функцiю опори та ходи у цього контингенту хворих.
Список л1тератури
1. Зубаиров Т.Ф. Хирургическое лечение полиоссаль-ных форм фиброзной дисплазии длинных трубчатых костей нижних конечностей у детей // Травматология и ортопедия России. — 2008. — № 2 (48). — С. 25-31.
2. Лазарев I.A. Напружено-деформований стан проксимального вiддiлу стегново1 кстки з наявшстю порожнистого дефекту (осередок фiброзноï дис-плазн) в умовах остеосинтезу рйними типами фт-саторiв / Лазарев I.A., Тук Ю.Н., Олшник Ю.В., Шбан М.В. // Травма. — 2015. — Т. 16, № 3. — С. 62-70.
3. Снетков А.И. Оперативное лечение полиоссальной формы фиброзной остеодисплазии у детей и подростков // Вестник хирургии им. И.И. Трекова. — 1988. — № 6. — С. 85-89.
4. Шидловський М.С., Лакша А.М., Бур'янов О.А. До-aaiдження деформацшних характеристик систем фшсацн, що використовуються при лкуванш по-шкоджень ксток та суглобiв // Вестник Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт», серия «Машиностроение». — 2008. — № 54. — С. 51-62.
5. Шидловский Н.С. О методах исследования систем остеосинтеза конечностей человека // Всник Нацюнального техшчного ушверситету Украши «Кшвський полжехшчний шститут», сер1я «Маши-нобудування». — 2010. — № 58. — С. 195-203.
6. Шидловский Н.С. Методы исследования деформационной надежности систем остеосинтеза конечностей человека // Бюмедична шженерья. — 2011. — № 1. — С. 24-31.
7. Шпилевский И.Э. Деформация проксимального отдела бедренной кости при доброкачественных новообразованиях у детей и подростков/ Шпилевский И.Э., Соколовский Л.А., Пашкевич Л.А. // Травматология и ортопедия России. — 2010. — № 4 (58). — С. 50-58.
8. Guille J.T. Fibrous dysplasia of the proximal part of the femur. Long-term results of curettage and bone-grafting and mechanical realignment / Guille J.T., Kumar S.J., MacEwen G.D. // J. Bone Joint Surg. Am. — 1998. — Vol. 80, № 5. — P. 648-658.
9. Heiner A.D., Brown T.D. Structural properties of a new design of composite replicate femurs and tibias // J. Bio-mech. — 2001. — 34. — 773-781.
10. Stanton R.P. The surgical management of fibrous dysplasia of bone / Stanton R.P., Ippolito E., Springfield D., Lindaman L., Wientroub S., A. Leet. // Orphanet J. Rare Dis. — 2012. — № 7.
11. Stephenson R.B. Fibrous dysplasia. An analysis of options for treatment / Stephenson R.B., London M.D., Hankin F.M., Kaufer H. // J. Bone Joint Surg. Am. — 1987. — № 69. — P. 400-409.
12. Zdero R., Bougherara H., Dubov A., Shah S., Zalzal P., Mahfud A., Schemitsch E.H. The effect of cortex thickness on intact femur biomechanics: a comparison of finite element analysis with synthetic femurs // Proc. Inst. Mech. Eng. H. — 2010. — 224. — 831-840.
Отримано 05.09.15 ■
Лазарев И.А.1, ШидловскийМ.С2, ГукЮ.Н.1, ОлейникЮ.В.1, Чеверда А.И.1
1ГУ «Институт травматологии и ортопедии НАМН Украины», г. Киев
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»
БИОМЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ФИКСАЦИИ ПРОКСИМАЛЬНОГО ОТДЕЛА БЕДРЕННОЙ КОСТИ ПРИ ФИБРОЗНОЙ ДИСПЛАЗИИ В УСЛОВИЯХ ОСТЕОСИНТЕЗА РАЗЛИЧНЫМИ ТИПАМИ ФИКСАТОРОВ
(экспериментальное исследование)
Резюме. Фиброзная дисплазия — врожденное ненаследственное заболевание скелета, сопровождающееся формированием патологических образований, заполненных дис-пластичной фиброзно-костной тканью. Выбор методики остеосинтеза при хирургическом лечении переломов и деформаций проксимального отдела бедренной кости остается актуальным в связи с большим количеством осложнений, связанных с миграцией элементов металлоконструкций и нестабильным остеосинтезом. Проведено биомеханическое исследование на прочность и жесткость синтетической модели бедренной кости Sawbones (США) с наличием полостного дефекта в проксимальном ее отделе в условиях остеосинтеза разными типами металлических фиксаторов: LCP (locking compression plate) — пластина для проксимального отдела бедра; FIN (femoral interlocking nail) — бедренный блокирующий стержень; АВР (angled blade plate) — угловая пластина.
Тестирование образцов на сдавление при статической нагрузке проводилось в испытательной машине TIRAtest-2151. Определены границы прочности и деформаций во время разрушения образцов. Переломы на всех образцах возникали при нагрузках, показатели которых значительно превышали те, которые имеют место в естественных услових, что свидетельствует об эффективности данных методик остеосинтеза. Полученные данные в результате проведенного эксперимента указывают на преимущества использвания LCP и FIN, которые обеспечивают большую жесткость фиксации проксимального отдела бедренной кости и могут быть рассмотрены как вариант выбора методики остеосинтеза у больных с фиброзной дисплазией.
Ключевые слова: фиброзная дисплазия, проксимальный отдел бедренной кости, патологический перелом, биомеханический анализ, металлоостеосинтез.
LazarevI.A.1, ShidlovskyiM.S.2, Guk Yu.M.1, Oliynik Yu.V.1, CheverdaA.I.1
1SI «Institute of Orthopedics and Traumatology of NAMS», Kyiv
2National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine
BIOMECHANICAL ANALYSIS OF FIXATION RELIABILITY OF THE PROXIMAL FEMUR IN FIBROUS DYSPLASIA WITH DIFFERENT TYPES OF OSTEOSYNTHESIS (Experimental study)
Summary. Fibrous dysplasia is a non-hereditary congenital disease of the skeleton, which is accompanied by the cysts formation filled with abnormal fibrous bone tissue. Surgical treatment using various types of the osteosynthesis aimed to reinforcing diseased dys-plastic process of the femur is generally accepted and widely used by orthopedic surgeons. The choice of osteosynthesis for surgical treatment of fractures and deformations of proximal femoral bone in the patients with fibrous dysplasia remains currently important due to a large part of complications associated with migration of structure elements and unstable osteosynthesis. A synthetic femur Sawbones (USA) model was used for biomechanical research of proximal hollow defects, which formed the standard volume and localization (simulation model of focal forms of fibrous dysplasia). Femoral
model with hollow defect has been fixed by the typical methods of osteosynthesis: locking compression plate (LCP); femoral interlocking nail (FIN); angled blade plate (ABP). The samples under compressive static load were tested in TIRAtest-2151 machine. We determined the boundaries of strength and deformation during the destruction of the sample. The destruction of all the samples occurred at loads considerably higher than those ones that occur in normal conditions, indicating the effectiveness of these techniques osteosyn-thesis. The results reflect the benefits of LCP and FIN, providing greater rigidity fixation of the proximal femur and have choices in patients with fibrous dysplasia.
Key words: fibrous dysplasia, proximal femur, pathological fracture, biomechanical analysis, osteosynthesis.
