CC BY
31
Оригінальні дослідження 1 ГЧОПМО
Original Researches 1раВМа
ТЯЖЕЛОВ А.А.1, ЯРЕСЬКО А.В.1, КАРПИНСКИЙ М.Ю.1, ФЕДУЛИЧЕВ П.Н.2, ГОНЧАРОВА Л.Д.3, КУЗНЕЦОВ А.А.2 1ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко НАМН Украины», г. Харьков 2Городская клиническая больница № 6 скорой медицинской помощи, г. Симферополь 3Донецкий научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии
АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КРЫЛА БЕЗЫМЯННОЙ КОСТИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНЫХ ВАРИАНТОВ КРЕПЕЖНОГО УЗЛА ПОГРУЖНОГО АППАРАТА ДЛЯ УДЛИНЕНИЯ БЕДРЕННОЙ КОСТИ
Резюме. В статье приводятся результаты исследования особенностей механического взаимодействия узла крепления погружного аппарата для удлинения бедренной кости с крылом безымянной кости. Рассмотрен вариант модернизированного тазового узла в сравнении с первоначальным вариантом. Дана сравнительная характеристика распределения уровня напряжений по контрольным точкам моделей с блокирующим винтом и без него. Изучено напряженно-деформированное состояние моделей под воздействием четырех вариантов нагрузки. Представленный материал прошел клиническую проверку, доказал свою практичность и улучшил эстетическую составляющую оперативного вмешательства. Ключевые слова: внутрикостный аппарат, дистракция, бедро, тазовый узел, прочность, модель.
Введение
Внутрикостный дистракционный остеосинтез длинных трубчатых костей, кроме функции непосредственно остеосинтеза, выполняет дополнительную функцию удлинения. Конструкции аппаратов и технологии их имплантации отличаются. Дистракционный эффект для каждого метода достигается за счет различного вида воздействия на механизм аппарата — при помощи привода (аппараты Блискунова), электромагнитного воздействия (аппараты НЛоп) и ротации сегмента конечности (аппараты АШгиа, ККБ) [3, 6—8].
Изначально крепление тазового узла, включающее храповой механизм дистрактора при удлинении бедра по методу Блискунова, присоединялось к безымянной кости через достаточно травматичный доступ над крылом вышеуказанной кости размером около 5 см с обязательной отслойкой крепящихся к безымянной кости мышц [5]. Однако усилия, прилагаемые для закручивания соединения, вызывали некроз кости под гайкой с последующим лизисом кости и появлением нестабильности в месте соединения. Травматичность имплантации конструкции сопровождалась значительным кровотечением, появлением остаточных внутритазовых гематом с риском нагноения последних. Возможность имплантации модернизированного узла через два доступа 0,8 и 0,5 см устраняет развитие внутритазовых гематом, сохраняется косметический эффект имплантации, а реализация «блокирования» деталей узла между собой исключает возникновение некроза кости [2].
Различия в конструкции тазового узла возможно оценить при математическом моделировании «тазовая кость — устройство» с целью определения прочностных характеристик узла и зоны его крепления.
Материалы и методы исследования
Совместно слабораторией биомеханики ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко НАМН Украины» нами были проведены исследования особенностей механического взаимодействия узла крепления погружного аппарата для удлинения бедренной кости с крылом подвздошной кости. Исследования проводили на математической модели с использованием метода конечных элементов.
Для реализации поставленной задачи была построена модель таза с крестцом и крепежным элементом погружного аппарата для удлинения бедренной кости, установленном на левом крыле подвздошной кости. Моделировали два варианта установки узла крепления аппарата — с блокирующим винтом и без него.
Внешний вид модели с обоими вариантами установки крепежного элемента погружного аппарата для удлинения бедренной кости приведен на рис. 1, 2.
В связи с тем, что в данном исследовании нас интересовал только узел крепления аппарата и его взаимодействие с
© Тяжелов А.А., Яресько А.В., Карпинский М.Ю., Федули-чев П.Н., Гончарова Л.Д., Кузнецов А.А., 2013 © «Травма», 2013 © Заславский А.Ю., 2013
крылом подвздошной кости, бедренный компонент аппарата мы не моделировали, а заменили его адекватной нагрузкой, приложенной к крепежному элементу аппарата.
В процессе исследования нами изучалось напряженно-деформированное состояние моделей под воздействием четырех вариантов нагрузки. Первый вариант — вертикальная нагрузка, направленная снизу вверх, имитирует опору на конечность в процессе стояния. Второй вариант — горизонтальная нагрузка, направленная спереди назад, имитирует стояние на коленях. Третий вариант — продольная нагрузка, направленная вдоль оси крепежного элемента, действующая на его
вырывание из крыла подвздошной кости. Четвертый вариант — нагрузка на кручение, может возникать в процессе сгибания нижней конечности в тазобедренном суставе. При всех вариантах нагружения модель имела жесткое закрепление по поверхности вертлужной впадины. Схемы нагружения модели приведены на рис. 3.
Для удобства сравнения результатов исследования при изучении влияния вертикальной, горизонтальной и продольной нагрузок к крепежному элементу прикладывали силу одинаковой величины — 100 Н. Учитывая тот факт, что величина напряжения прямо пропорциональна величине действующей силы, ее можно легко пересчитать для любой величины действующей нагрузки.
При исследовании модели под действием нагрузки на кручение к крепежному элементу аппарата прикладывали крутящий момент величиной 1 Н/м.
Сравнение результатов исследования для моделей с разными вариантами узла крепления проводили по шести контрольным точкам:
1 — на подвздошной кости ниже отверстия для крепежного элемента с внутренней стороны кости;
2 — на подвздошной кости ниже отверстия для крепежного элемента с внешней стороны кости;
3, 4 — внутренняя стенка отверстия для крепежного элемента;
5 — подвздошная кость в вертикальном сечении выше отверстия для крепежного элемента;
Рисунок 1. Модель таза с крепежным элементом аппарата без блокирующего винта: А — фронтальная проекция; Б — сагиттальная проекция; В — крепежный узел аппарата
А
Б
В
Рисунок 2. Модель таза с крепежным элементом аппарата с блокирующим винтом: А — фронтальная проекция; Б — сагиттальная проекция; В — крепежный узел аппарата
Рисунок 3. Схемы нагружения моделей: А — вертикальная нагрузка; Б — горизонтальная нагрузка; В — продольная нагрузка; Г — нагрузка на кручение
6 — подвздошная кость в вертикальном сечении ниже отверстия для крепежного элемента.
Схема расположения контрольных точек представлена на рис. 4.
В процессе моделирования элементам модели из биологических тканей придавали механические свойства согласно данным В.А. Березовского (1990) [1]. Механические свойства титана брали из технической документации производителя.
Таблица 1. Механические характеристики материалов, использованных при построении модели
Материал Модуль упругости, E (МПа) Коэффициент Пуассона,v
Компактная кость 18 350 0,3
Губчатая кость 330 0,3
Титан ВТ16 110 000 0,2
А
Б
Рисунок 4. Схема размещения контрольных точек, в которых сравнивали значения напряжений
Рисунок 5. Картина распределения напряжений в модели без блокирующего винта под действием вертикальной нагрузки:
А — во фронтальной плоскости; Б — в сагиттальной плоскости;
В — в подвздошной кости с внутренней стороны; Г — в подвздошной кости с наружной стороны; Д — вертикальное сечение с крепежным элементом; Е — вертикальное сечение без крепежного элемента
Построение модели осуществляли с помощью программного комплекса SolidWorks, а для анализа напряженно-деформированного состояния моделей использовали входящий в его состав пакет Cosmos/M. В качестве критерия оценки напряженного состояния модели использовали напряжения по Мизесу [4].
Результаты исследования
На первом этапе работы мы исследовали напряженно-деформированное состояние моделей под действием вертикальной нагрузки.
На рис. 5 представлена картина распределения напряжений в модели с крепежным элементом погружного аппарата для удлинения бедренной кости без блокирующего винта.
Как показано на рис. 5, при вертикальной нагрузке зона максимальных напряжений в модели располагается в районе отверстия для крепежного элемента с наружной стороны крыла подвздошной кости и составляет
6,7 МПа, несколько ниже величина напряжений с внутренней стороны крыла подвздошной кости — 4,3 МПа. На внутренней поверхности отверстия для крепежного элемента уровень напряжений находится в пределах от 3,0 до 3,6 МПа. Следует отметить, что основную нагрузку в данном случае берет на себя собственно крепежный элемент аппарата.
На рис. 6 представлена картина распределения напряжений в модели с крепежным элементом погружного аппарата для удлинения бедренной кости с блокирующим винтом.
Как видно на рис. 6, наличие блокирующего винта приводит к снижению величины напряжений на внутренней поверхности крыла подвздошной кости до 2,5 МПа в сравнении с моделью без блокирующего винта, однако, в свою очередь, повышаются значения напряжений по наружной поверхности крыла подвздошной кости до 8,4 МПа, а также по внутренней поверхности отверстия для крепежного элемента до величин 4,5—5,0 МПа.
В
Рисунок 6. Картина распределения напряжений в модели с блокирующим винтом под действием вертикальной нагрузки: А — во фронтальной плоскости; Б — в сагиттальной плоскости; В — в подвздошной кости с внутренней стороны; Г — в подвздошной кости с наружной стороны; Д — вертикальное сечение с крепежным элементом; Е — вертикальное сечение без крепежного элемента
Более наглядно сравнить величины напряжений в контрольных точках обеих моделей при вертикальной нагрузке можно на рис. 7.
На втором этапе нашего исследования мы анализировали напряженно-деформированное состояние моделей при воздействии горизонтальной нагрузки.
Картина распределения напряжений в модели с крепежным узлом погружного аппарата для удлинения бедренной кости без блокирующего винта представлена на рис. 8.
Как показали наши исследования, при воздействии горизонтальной нагрузки наиболее напряженной остается зона вокруг отверстия для крепежного элемента по наружной поверхности крыла подвздошной кости. Максимальная величина напряжений в этой зоне составляет 6,4 МПа. По внутренней поверхности крыла подвздошной кости уровень напряжений также достаточно высок и составляет 5,1 МПа.
По внутренней поверхности канала для крепежного элемента величины напряжений на боковых поверхностях (в плоскости действия нагрузки) составляют 3,3 и 2,1 МПа, что значительно выше величин напряжений на верхней и нижней поверхности канала — 1,3 и
1,4 МПа соответственно.
На рис. 9 представлена картина распределения напряжений в модели с крепежным узлом погружного аппарата с блокирующим винтом.
Как показано на рис. 9, при воздействии горизонтальной нагрузки блокирующий винт позволяет разгрузить внутреннюю поверхность крыла подвздошной кости по сравнению с моделью без блокирующего винта и снизить уровень напряжений в этой зоне до 2,2 МПа. Это, в свою очередь, приводит к повышению величины напряжений до 8,7 МПа по наружной поверхности крыла подвздошной кости.
Воздействие блокирующего винта на внутреннюю поверхность канала приводит к повышению напряжений в плоскости действия нагрузки (на боковые стенки) до 6,0 МПа и на верхнюю и нижнюю поверхность — до 3,5 и 3,7 МПа соответственно.
Рисунок 7. Диаграмма величин напряжений в контрольных точках моделей под действием вертикальной нагрузки
Рисунок 8. Картина распределения напряжений в модели без блокирующего винта под действием горизонтальной нагрузки: А — во фронтальной плоскости; Б — в сагиттальной плоскости; В — в подвздошной кости с внутренней стороны; Г — в подвздошной кости с наружной стороны; Д — вертикальное сечение с крепежным элементом; Е — вертикальное сечение без крепежного элемента
Рисунок 9. Картина распределения напряжений в модели с блокирующим винтом под действием горизонтальной нагрузки: А — во фронтальной плоскости; Б — в сагиттальной плоскости; В — в подвздошной кости с внутренней стороны; Г — в подвздошной кости с наружной стороны; Д — вертикальное сечение с крепежным элементом; Е — вертикальное сечение без крепежного элемента
а
1=
н
е
X
сс
р
с
а
Л
И-------------г
3 4
Контрольные точки
2
б
б
СИ Без винта □ С винтом
Рисунок 10. Диаграмма величин напряжений в контрольных точках моделей под действием горизонтальной нагрузки
Сравнительная характеристика величин напряжений в контрольных точках моделей крепежного элемента с блокирующим винтом и без него под действием горизонтальной нагрузки наглядно представлена на рис. 10.
Рассмотрим напряженно-деформированное состояние модели при действии продольной нагрузки, направленной на вырывание крепежного элемента из крыла подвздошной кости.
На рис. 11 представлена картина распределения напряжений в модели с крепежным элементом без блокирующего винта под влиянием продольной нагрузки.
Как видно на рис. 11, при действии силы вдоль оси крепежного элемента практически всю нагрузку берет на себя металлическая конструкция. Максимальные значения напряжений по внутренней поверхности крыла подвздошной кости не превышают 2,6 МПа, по наружной — 1,7 МПа. Напряжения на внутренней поверхности канала для крепежного элемента имеют не-
значительные величины и по абсолютным значениям не превышают 0,8 МПа.
Картина распределения напряжений в модели с блокирующим винтом представлена на рис. 12.
Наличие блокирующего винта в крепежном элементе привода погружного аппарата для удлинения бедренной кости при воздействии продольной нагрузки позволяет вдвое разгрузить внутреннюю поверхность крыла подвздошной кости в сравнении с моделью без блокирующего винта до величины 1,2 МПа, при очень незначительном повышении максимального уровня напряжений на наружной поверхности подвздошной кости — до величины 1,9 МПа.
Значения напряжений на внутренней поверхности канала под крепежный элемент, наоборот, возрастают до
2,5 МПа на боковых поверхностях и до 1,5—2,2 МПа — на нижней и верхней поверхностях соответственно, что свидетельствует о том, что в этой ситуации блокирующий винт берет на себя часть нагрузки.
Рисунок 11. Картина распределения напряжений в модели без блокирующего винта под действием продольной нагрузки: А — во фронтальной плоскости; Б — в сагиттальной плоскости; В — в подвздошной кости с внутренней стороны; Г — в подвздошной кости с наружной стороны; Д — вертикальное сечение с крепежным элементом; Е — вертикальное сечение без крепежного элемента
Рисунок 12. Картина распределения напряжений в модели с блокирующим винтом под действием продольной нагрузки: А — во фронтальной плоскости; Б — в сагиттальной плоскости; В — в подвздошной кости с внутренней стороны; Г — в подвздошной кости с наружной стороны; Д — вертикальное сечение с крепежным элементом; Е — вертикальное сечение без крепежного элемента
Сравнительная характеристика величин напряжений в контрольных точках моделей крепежного элемента с блокирующим винтом и без него под действием продольной нагрузки наглядно представлена на рис. 13.
В завершение нашего исследования было проанализировано напряженно-деформированное состояние моделей с обоими вариантами крепления аппарата при действии нагрузки на кручение.
На рис. 14 представлена картина распределения напряжений в модели с крепежным элементом без блокирующего винта под действием нагрузки на кручение.
Следует отметить, что при нагрузке на кручение механические напряжения возникают только в зоне канала под крепежный элемент аппарата для удлинения бедренной кости. Напряжения достигают своего максимального значения 4,6 МПа на наружной поверхности крыла подвздошной кости, непосредственно под фиксирующей гайкой крепежного элемента аппарата. По внутренней поверхности крыла подвздошной кости максимальные значения напряжений не превышают величины 1,0 МПа, так же под фиксирующей гайкой крепежного элемента аппарата.
На внутренней поверхности канала для крепежного элемента аппарата напряжения распределяются равномерно. На боковых поверхностях канала максимальные значения напряжений составляют 1,8 МПа, а на его нижней и верхней поверхностях величины напряжений достигают значений 2,1 и 2,0 МПа соответственно.
На рис. 15 представлена картина распределения напряжений в модели таза с крепежным элементом погружного аппарата для удлинения бедренной кости в варианте установки с блокирующим винтом под воздействием нагрузки на кручение.
На рис. 15 видно, что установка блокирующего винта позволяет практически полностью разгрузить по сравнению с моделью без блокирующего винта внутреннюю поверхность крыла подвздошной кости, о чем свидетельствует максимальное значение напряжений в этой зоне — 0,4 МПа. Однако это приводит к увеличению
Рисунок 14. Картина распределения напряжений в модели без блокирующего винта под действием нагрузки на кручение: А — во фронтальной плоскости; Б — в сагиттальной плоскости; В — в подвздошной кости с внутренней стороны; Г — в подвздошной кости с наружной стороны; Д — вертикальное сечение с крепежным элементом; Е — вертикальное сечение без крепежного элемента
Рисунок 13. Диаграмма величин напряжений в контрольных точках моделей под действием продольной нагрузки
Рисунок 15. Картина распределения напряжений в модели с блокирующим винтом под действием нагрузки на кручение: А — во фронтальной плоскости; Б — в сагиттальной плоскости; В — в подвздошной кости с внутренней стороны; Г — в подвздошной кости с наружной стороны; Д — вертикальное сечение с крепежным элементом; Е — вертикальное сечение без крепежного элемента
вдвое уровня напряжений на наружной поверхности крыла подвздошной кости до значений 8,4 МПа. Также за счет перераспределения нагрузки на блокирующий винт повышается уровень напряжений на внутренней поверхности канала под крепежный элемент аппарата. Так, на боковых поверхностях канала максимальные значения напряжений составляют 3,1—3,6 МПа, а на нижней и верхней поверхностях — 1,7 МПа.
Сравнительная характеристика распределения уровня напряжений по контрольным точкам моделей с блокирующим винтом и без него наглядно представлена на рис. 16.
Ниже приводим сводную таблицу значений напряжений в моделях с обоими вариантами установки крепежного элемента погружного аппарата для удлинения бедренной кости по контрольным точкам для всех вариантов нагружения (табл. 2).
Выводы
Варианты установки крепежного элемента погружного аппарата для удлинения бедренной кости не имеют принципиальных различий.
Установка блокирующего винта приводит к перераспределению нагрузок с внутренней поверхности крыла подвздошной кости на его наружную поверхность.
Блокирующий винт принимает на себя часть нагрузок, особенно при продольном нагружении (на вырывание) и нагружении на кручение, что приводит к повышению напряжений в средней части канала под крепежный элемент аппарата.
Если принять во внимание необходимость во время операции дополнительного обнажения внутренней поверхности подвздошной кости для установки устройства без блокирующего винта, то становится понятным, что использование устройства с блокирующим винтом при сходных характеристиках напряжения обладает рядом преимуществ. Во-первых, это меньшая травматичность установки фиксирующего модуля, во-вторых — техническая простота манипу-
Рисунок 16. Диаграмма величин напряжений в контрольных точках моделей под действием нагрузки на кручение
Таблица 2. Величина напряжений в контрольных точках моделей при разных нагрузках
Нагрузка Модель Напряжение, МПа
Контрольные точки
1 2 3 4 5 6
Вертикальная Без винта 4,3 6,7 3,1 3,6 3 3
С винтом 2,5 8,4 5 4,5 5 5
Горизонтальная Без винта 5,1 6,4 3,3 2,1 1,3 1,4
С винтом 2,2 8,7 6 3,7 3,5 3,7
Продольная Без винта 2,6 1,7 0,8 0,8 0,5 0,6
С винтом 1,2 1,9 1 2,5 1,5 2,2
Кручение Без винта 1 4,6 2,1 2 1,8 1,8
С винтом 0,4 8,4 3,1 3,6 1,7 1,7
ляции, в-третьих — сокращение времени установки модуля, а следовательно, и времени операции в целом.
Список литературы
1. Березовский В.А., Колотилов Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека: Справочник. — К.: Наукова думка, 1990. — 224 с.
2. Драган В.В. Одновременное удлинение обоих бедер полностью имплантируемыми управляемыми аппаратами Блискунова: Дис... канд. мед. наук: 14.00.22/ Драган Владимир Владимирович. — Симферополь, 1995. — 219 с.
3. Драган В.В. Удлинение длинных костей нижних конечностей приводными внутрикостными аппаратами: Дис... д-ра мед. наук: 14.01.21 /Драган Владимир Владимирович. — Донецк, 2009. — 89 с.
4. Зенкевич О.К. Метод конечных элементов в технике. — М.: Мир, 1978. — 519 с.
Тяжелов А.А.1, Яресько А.В.1, Карпинський М.Ю.1,
Федуличев П.Н.2, Гончарова Л.Д.3, Кузнецов А.А.2 1ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків Міська клінічна лікарня № 6 швидкої медичної допомоги, м. Сімферополь
Донецький науково-дослідний інститут травматології та ортопедії
АНАЛІЗ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ КРИЛА БЕЗІМЕННОЇ КІСТКИ ПРИ ВИКОРИСТАННІ РІЗНИХ ВАРІАНТІВ КРІПИЛЬНОГО ВУЗЛА ЗАГЛИБНОГО
АПАРАТА ДЛЯ ПОДОВЖЕННЯ СТЕГНОВОЇ КІСТКИ
Резюме. У статті наводяться результати досліджень особливостей механічної взаємодії вузла кріплення заглибного апарата для подовження стегнової кістки з крилом безіменної кістки. Розглянуто варіант модернізованого тазового вузла порівняно з первісним варіантом. Подано порівняну характеристику розподілення рівня напруг за контрольними точками моделей із блокуючим гвинтом та без нього. Вивчено напру-жено-деформований стан моделей під дією чотирьох варіантів навантаження. Наведений матеріал пройшов клінічну перевірку, довів свою практичність і поліпшив естетичну складову оперативного втручання.
Ключові слова: внутрішньокістковий апарат, дистракція, стегно, тазовий вузол, міцність, модель.
5. Ткач А.В. Аналіз помилок та ускладнень при подовженні стегна апаратами Бліскунова: Дис... канд. мед. наук: спец. 14.01.21 «Ортопедія-травмато-логія» / Ткач Андрій Вікторович. — К., 2003. — 199 с.
6. Попков А.В. Удлинение бедра с помощью интрамедул-лярного стержня Albizzia/Попков А.В., Guichet J.-M., Lascombes P. // Гений ортопедии. — 2001. — № 1. — С. 1б-25.
7. Cole J. Dean The intramedullary skeletal kinetic distraction (ISKD): first clinical results of a new intramedullary nail for lengthening of the femur and tibia / Cole Dean J., Justin Daniel, Tagus Hasparis//Injury. — 2001. — Vol. 32 (Suppl. 4). — P. 129-139.
8. Singh S. Results of limb lengthening by callus distraction using an extending intramedullary nail (Fitbone) in non-traumatic disorders / Singh S., Lahiri S., Iqbal M. // J. Bone Jt. Surg. — 200б.
Получено 14.01.13 □
Tyazhelov A.A.1, Yaresko A.V.1, Karpinsky M.Yu.1,
Fedulichev P.N.2, Goncharova L.D.3, Kuznetsov A.A.2
1State Institution «Institute of Spine and Joint Pathology named after M.I. Sitenko of National Academy of Medical Sciences of Ukraine», Kharkiv
2Municipal Emergency Care Hospital № 6, Simferopol
3Research Institute of Traumatology and Orthopedics,
Donetsk, Ukraine
ANALYSIS OF THE STRESS-STRAIN STATE OF THE WING OF HIP BONE USING VARIOUS TYPES OF ASSEMBLY FIXTURE OF EXTERNAL FIXATION DEVICE FOR ELONGATION OF THE FEMUR
Summary. The paper presents the results of studies of the peculiarities of mechanical interaction of assembly fixture of external fixation device for femur elongation with the wing of hip bone. A variant of the upgraded pelvic node compared to the original version is considered. The comparative analysis of the distribution of the stress level by the control points of models with a locking screw and without has been carried out. Stress-strain state of models under the influence of four type of loading has been studied. The material presented was clinically tested, has proved its utility and improved aesthetic appeal of surgery.
Key words: intraosseous device, distraction, hip, pelvic node, strength, model.
