CC BY
61
Колесник М.И. , Аль Салама М.Васек, Билык С.В., Олексюк И.С. , Шайко-Шайковский А.Г. БИОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ НАКОСТНОГО ОСТЕОСИНТЕЗА С ПОМОЩЬЮ ДЕМПФИРУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
По данным ВОЗ на сегодняшний день в мире только в результате ДТП ежегодно погибает 250 тыс. человек, около 10 млн. становятся калеками. По оценкам специалистов травматизм занимает 3 - 4
место в мире в общей структуре заболеваемости населения. Первое место - удерживают сердечнососудистые заболевания [1].
Поэтому - разработка, совершенствование и поиск путей повышения эффективности лечения пострадавших вследствие переломов костей конечностей - важная и актуальная задача, стоящая перед специалистами медицинских и инженерных специальностей. Длительная утрата работоспособности, неспособность ведения активного образа жизни пострадавшими делает эту проблему ещё и социально-экономической.
В работе рассмотрены конструкции предложенных авторами накостных пластин, которые в отличие от существующих плоских и деротационных (угловых) конструкций снабжены волнообразными участками, играющими роль своеобразных демпферов. Назначением таких демпфирующих участков является возможность «регулировать» в известных пределах жёсткость биотехнической системы «кость - фиксирующая пластина».
Разработанные и предложенные авторами расчётные методики позволяют оценить влияние поперечных размеров сечения пластины, её длины, а также - радиусов кривизны и количества волнообразных участков на жёсткость конструкции в целом. Целью расчётно-конструктивных мероприятий является максимальное приближение жёсткости полученной в результате остеосинтеза биотехнической системы «кость - фиксатор» к жёсткости целой неповреждённой кости, которую можно условно считать неким природным естественным эталоном.
Многочисленными исследованиями установлено, о чём свидетельствуют всевозможные многочисленные литературные данные, что кость является предварительно напряжённой конструкцией. Именно создание компрессионного динамического остеосинтеза в максимальной степени благоприятствует возникновению костной мозоли и скорейшему сращению отломков повреждённой кости.
Конструкции накостных пластин постоянно совершенствуются, что привело к появлению малоконтактных и деротационных фиксаторов. Конструкция этих пластин раз и навсегда предопределяет их жёсткость, создание компрессирующего усилия между отломками кости достигается благодаря умению и квалификации оперирующего врача. При этом величина усилия затяжки фиксирующих винтов оказывает существенное влияние на весь репаративный процесс в целом. Наряду с этим количество фиксирующих винтов, направление их проведения, методика постановки определяют стабильность остеосинтеза, его эффективность, возможность обеспечения требуемых результатов операции. Жёсткость создаваемой при этом биотехнической системы является величиной постоянной и превышает соответствующую жёсткость целой неповреждённой кости. Если это превышение будет находиться в пределах выше допустимых, -как показывает практика, может начаться рассасывание костной ткани вокруг фиксирующих винтов, их миграция и нарушение стабильности остеосинтеза в целом.
В современных условиях конструирование новых и усовершенствование существующих технических конструкций для остеосинтеза идёт по пути создания систем «биологического» остеосинтеза, который позволяет приблизить, в частности, параметры жёсткости биотехнической системы к соответствующим параметрам эталона - целой неповреждённой кости.
Для приближения жёсткости биотехнической системы накостного остеосинтеза к жёсткости целой неповреждённой кости и предназначена предлагаемая конструкция плоской накостной пластины с волнообразными демпфирующими участками [5].
Пластина имеет две опорные площадки, среднюю приподнятую мостообразную часть, обеспечивающую беспрепятственный приток крови к месту перелома и два демпфирующих волнообразных участка. Форма отверстий для фиксирующих винтов обеспечивает создание межотломковой компрессии, а наличие демпфирующих участков - динамизацию всей биотехнической системы в целом. Форма и число полуволн демпфирующих участков пластины обеспечивают снижение жёсткости всей системы «кость - фиксатор», приближая её значение к жёсткости целой неповреждённой кости. Деформация прямолинейных участков биотехнической системы определялась с помощью закона Гука в абсолютных значениях для деформации растяжения-сжатия:
п Р1
8 = ,1)
и Щ
где 5- суммарное осевое перемещение; Р - осевая сила (её принимают равной возможному весу пациента); 11 -длины составляющих прямолинейных участков; Е - модуль упругости I- го рода (для костной ткани Ек = 1,18 ■ 105 кг/см2, для материала пластины, изготовленной из стали 12Х18Н9Т, Ест
= 2,26 ■ 106кг/см2); Е1 - площадь поперечного сечения соответствующего участка; п - число участ-
ков.
Для определения осевых деформаций, возникающих на криволинейных участках накостного фиксатора, использовались энергетические методы определения перемещений в упругих системах, в частности - интегралы Мора. В общем случае, с учётом всех внутренних силовых факторов, возникающих в материале упругой системы:
(2)
где 5 - суммарное осевое перемещение; Мкр, Му, М2, Оу , , N - компоненты внутренних силовых
факторов от внешних нагрузок при кручении, изгибе, срезе и растяжении-сжатии; Мкрі, Муі,М2і,Оуі,О2і,^ -внутренние силовые факторы, возникающие в поперечных сечениях бруса под действием единичной безразмерной силы, приложенной в точке, перемещение которой следует определить; I р, I у, 12, - по-
лярный и осевые моменты инерции сечения пластины; Ку , К2 - поправочные коэффициенты, зависящие от особенности формы поперечного сечения; Е -модуль упругости 1-го рода; О - модуль упругости II -го рода материала пластины; Е - площадь соответствующего поперечного сечения пластины.
Аналогичным способом определялась также деформативность и необходимые геометрические конструктивные параметры угловой (деротационной) пластины, снабжённой демпфирующими волнообразными участ-
ками .
Как известно, деротационные пластины с угловой стабильностью значительно лучше сопротивляются внешним ротационным воздействиям по сравнению с плоскими конструкциями. Это обстоятельство делает их применение намного более предпочтительным, поскольку угловая стабильность таких пластин увеличивает их сопротивляемость как к внешним крутящим воздействиям, так и к изгибающим внешним нагрузкам не только в сагитальной, но и во фронтальной плоскостях.
Наличие демпфирующих участков на таких конструкциях позволяет их использовать для создания компрессионного динамического остеосинтеза, приближая жёсткость биотехнической системы «кость-фиксатор» к природному эталону и одновременно повышая за счёт конструктивных особенностей фиксатора стабильность остеосинтеза.
Предложенные авторами расчётные методики позволяют оценить деформативность разработанных конструкций накостных пластин с демпфирующими участками с учётом геометрических параметров их формы и размеров. В таблицах №1,2 приведены результаты расчётов величин продольных осевых деформаций в корпусе плоской накостной пластины с демпфирующими волнообразными участками в зависимости от размеров поперечного сечения, радиуса полуволны демпфирующего участка и числа полуволн на участке. В таблице №1 содержатся результаты расчёта для числа полуволн п = 2, в таблице №2 - для числа полуволн п = 4 соответственно.
Таблица 1 Осевые деформации в корпусе плоской пластины с демпфирующими участками в зависимости от её геометрических параметров при числе полуволн п = 2
№ п/п Размеры поперечного сечения пластины (см) Радиус закругления R=0,5 см Радиус закругления R= 0,75 см Радиус закругления R=1,0 см
Осевая деформация (см)
1 h=0,3 см Ь=1,2 см 0,013 0,04 0,09
2 h=0,35 см Ь=1,3 см 0.0075 0,023 0,052
3 h=0,4 см Ь=1,4 см 0,0047 0,015 0,033
4 h=0,4 см Ь=1,5 см 0,0032 0,0097 0,022
5 h=0,5 см Ь=1,6 см 0,0021 0,0065 0,014
Таблица 2 Осевые деформации в корпусе плоской пластины с демпфирующими участками в зависимости от её геометрических параметров при числе полуволн п = 4.
№ п/п Размеры поперечного сечения пластины (см) Радиус закругления R=0,5 см Радиус закругления R= 0,75 см Радиус закругления R=1,0 см
Осевая деформация (см)
1 h=0,3 см Ь=1,2 см 0,02 0,073 0,16
2 h=0,35 см Ь=1,3 см 0,014 0,043 0,094
3 h=0,4 см Ь=1,4 см 0,0089 0,027 0,052
4 h=0,4 см Ь=1,5 см 0,006 0,018 0,039
5 h=0,5 см Ь=1,6 см 0,0039 0,012 0,026
Анализ данных таблиц 1 и 2 показывает, что деформативность корпусов накостных демпфирующих конструкций существенно зависит от размеров поперечного сечения пластины.
Увеличение числа полуволн на демпфирующем участке в 2 раза приводит к соответствующему увеличению осевой деформации в 1,5 - 1.8 раза.
Разработанная и предлагаемая в работе методика позволяет биомеханически обосновать применение волнообразных демпфирующих конструкций, оценить влияние на деформационные характеристики биотехнической системы «кость-фиксатор» геометрических размеров конструкции, жёсткость самой костной ткани, которая, как известно, в каждой возрастной группе имеет свои средние значения физикомеханических характеристик и геометрических размеров, что учитывается предлагаемой в работе методикой. Параллельно проводился Холтеровский мониторинг контроля показателей сердечной деятельности пострадавших с регистрацией комплекса параметров, которые свидетельствовали о всех аспектах процесса сратания костей, нормальной деятельности сердечной мышцы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Анкин Л.Н., Анкин Н.Л., Поляченко Ю.В. Применение миниинвазивного остеосинтеза при лечении диафизарного перелома бедренной кости// Клінічна хірургія.-2000.-№6.-с.40 - 43.
2. Білик С.В. Двоплощинний накістковий остеосинтез при переломах кісток подвійною деротаційною
пластиною з обмеженим контактом: Дис......канд. мед. Наук: 14.01.24.Київ, 2005.-225 с.
3. Гайко Г.В., Калашников А.В., Боєр В.А., Нікітін П.В. Діафізарні переломи в структурі травм опорно- рухової сисиетми у населення України// Вісник ортопедії, травматології та протезування.-2 0 0 6.-№1.-с.84-87.
4. Стебліна К.В. Розробка шляхів і методики проектування та біомеханічного обґрунтування накісткових конструкцій для остеосинтеза: Дис......канд. техн. наук 05.11.17. Львів, 2008.-180 с.
5. Декл. пат. (11) 2601, (51) 7А61В17/56. Пристрій для остеосинтезу з хвилеподібним демпфером
// Шайко-Шайковський О.Г., Білик С.В., Стебліна К.В., Ковальчук П.Є.; Заявл. 19.01.04; опубл.
15.06.04, Бюл. №6.
