CC BY
31
I
Орипнальы досл1дження
Original Researches
Травма
УДК 612.76+616.727.3:616.717.51-001.5 DOI: 10.22141/1608-1706.2.18.2017.102552
Лазарев I.А., Курiнний 1.М., Страфун О. С., Скибан М.В.
ДУ «1нститут травматологи та ортопедн НАМН Украни», м. Кив, Украина
Бюмехашчне визначення навантаження на лктьовий суглоб при переломах головки
променевоТ юстки
Резюме. Актуальнсть. Переломи головки променево!кстки е частим ушкодженням длянкилктьового суглоба (ЛС) i становлять 56 % вд перелом'в проксимального вддлу передпл'ччя [4]. Досить часто х'рургприймаерiшення про видалення фрагмент зламано!головки. На практищ виявлено залежнсть стабльност ЛС вд ступеня резекцП головки променево! кстки. Мета роботи. Вивчити поведнку елементв ЛС i фактор'в забезпечення стабльност в ньому в умовах дефекту головки променево! кстки 5-10-15 мм уд'юпазош рух'в 5-90° з навантаженням 5 кг. Матер'юли та методи. Розрахунки напружено-деформованого стану елементв ЛС методом скнченних елементв на баз'1 комп'ютерно! 3D-моделi Zygote Media Group, Inc. нтактного ЛС i суглоба з дефектом головки променево! кстки 5-10-15 мм у положеннях 5° та 90° згинання. Критер'ями оцнки напружено-деформованого стану були напруження за М'зисом, контакты напруження, максимальн деформацИ та перемщення. Результати. У положенн згинання у ЛС 5° зростання розм'ру дефекту головки променево! кстки викликае зростання макси-мальних напружень на лктьовй кстц на 36,5 % (omax = 8,0 МРа) в субхондральних длянках суглобово! поверхн'1 та в м'сц крiплення lig. collatérale ulnare (omax = 8,86 MPa), максимальних деформацй — на 53 % (emax = 0,31 мм) на lig. collaterale radiale, загальних перемщень модел'1 ЛС — на 37 % (А = 33,36) за рахунок дистального вддлу променево! кстки, загальних перемщень головки променево! кстки — у 4 рази (А = 5,13 мм). У положенн згинання у ЛС 90° зростання розм'ру дефекту головки променево! кстки викликае зростання максимальних напружень на lig. collaterale radiale у 4 рази (omax = 57,14 МРа), субхондрально на суглобовй поверхн'1 л'ктьово! кстки — у 2 рази (omax = 6,67 МРа) та в мсц крiплення lig. collaterale ulnare (omax = 16,02 MPa), субхондрально на суглобов'1й поверхн плечово! кстки в длянц контакту з лктьовою ксткою — у 1,5 раза (omax = 7,08 МРа), зменшення максимальних напружень на суглобовому хрящi плечово! кстки у 3,6 раза, зростання максимальних деформацй у 2 рази (emax = 0,71 мм) на lig. collaterale ulnare posterior, загальних перемщень проксимального вддлу передпл'ччя — у 14 раз'в (А = 58,52 мм), загальних перемщень головки променево! кстки — у 215 раз'в (А = 21,53 мм). Висновки. За даними дослдження, видалення головки променево! кстки значно порушуе нормальну б'юмехан'ку рух'в у ЛС, призводить до перерозподлу навантажень та нестабльност в суглоб'1. Основною структурою, що стаблзуе суглоб, е lig. collaterale radiale, що утримуе суглоб у стаб'1льному стан в усх положеннях згинання. 3i збльшенням кута згинання в суглоб'1 збльшуються показники деформацй модел'1 за И рахунок. Значне збльшення показникв напружень у длянках крiплення lig. collaterale radiale за наявност дефекту головки променево! кстки свдчить про И важливу роль як стаблзатора при вальгусному навантаженн. ¡нтактний ЛС у положенн згинання 90° знаходиться в б'1льш стабльних умовах, нж у положенн згинання 5°. Збльшення величини дефекту головки променево! кстки викликае значне порушення стабльност ЛС у положенн згинання 90°. Доцльно уникати видалення фрагмент при переломах головки променево! кстки та проводити роботу з вдновлення стабльност суглоба.
Ключовi слова: лктьовий суглоб; перелом головки променево!кстки; скнченно-елементне моделювання; напружено-деформований стан
© «Травма», 2017 © Trauma, 2017
© Видавець Заславський О.Ю., 2017 © Publisher Zaslavsky O.Yu., 2017
Для кореспонденцп': Лазарев 1.А., ДУ «1нститут травматологи' та ортопедп' НАМН Укра'ши», вул. Бульварно-Кудрявська, 27, м. Кш'в, 01601,
Украина; e-mail: [email protected]
For correspondence: I. Lazarev, State Institution "Institute of Traumatology and Orthopaedics NAMS of Ukraine", Bulvarno-Kudriavska st., 27, Kyiv,
01601, Ukraine; e-mail: [email protected]
Вступ
Лiктьовий суглоб (ЛС) е одним iз найважливiших елементiв функцiонування верхньо! кiнцiвки. Основна функцiя ЛС полягае у розташуванш кистi у простор^ бути опорою для передплiччя, а також у забезпечен-нi захватав i тонких рухiв кистi в рiзних положеннях верхньо! кiнцiвки. Втрата функци ЛС викликае значнi функцюнальш порушення верхньо! кiнцiвки, суттево попршуе можливостi людини у самообслуговуваннi та повсякденнш дiяльностi, критично погiршуе вико-нання рiзноманiтних професiйних завдань. Розумшня анатомо-функцiональних спрямованостей та взаемо-дай рiзних елементiв ЛС дозволяе уточнити важливi ас-пекти хiрургiчного л^вання та реабiлiтацi! пацiентiв з ушкодженнями лiктя.
ЛС е складним, збалансованим i стабiльним з'еднанням. Пасивна стабшзацгя е результатом як високо! конгруентносп суглобових поверхонь мiж плечовою, лштьовою та променевою кiстками, так i утримуючою дiею зв'язкового апарату [6]. Активна стабiлiзацiя забезпечуеться збалансованим напру-женням м'язiв. Дiю кiсткових стабiлiзаторiв ретельно вивчають. Так, показана залежнють зменшення ста-бiльностi суглоба зi збiльшенням видалено! частини лiктьового вщростка [1]. Виявлено цiкавi данi про залежнють стабтьносп ЛС залежно вiд ступеня резекцi! вiнцевого вщростка та вплив на стабiлiзацiю суглоба у цих умовах резекци головки променево! кiстки [8, 9].
Доведено, що при розгинаннi ЛС передш вiддiли капсули натягуються та стабшзують суглоб, те саме вiдбуваеться iз заднiми порцiями капсули при згинанш [5]. Також доведено, що в умовах порушення стабшзу-ючо! функци медiально! колатерально! зв'язки в поло-женнi згинання лiкоть бiльш стабтьшший при сушна-ци, у той час як при латеральнш нестабтьносп лiкоть е бiльш стабiльним у положенш пронаци [2].
Переломи головки променево! истки е найбтьш частим ушкодженням дтянки ЛС i, за даними [4], ста-новлять 56 % вщ переломiв проксимального вщдту пе-редплiччя. Досить часто хiрург приймае рiшення про видалення фрагмент зламано! головки [3]. Тому важ-
ливим е вивчення змш бюмехашки руив при дефектах головки променево! истки.
Зважаючи на достатньо складну фyнкцiональнy ана-томiю ЛС, а також на значну варiабельнiсть анатомо-фyнкцiональних порушень при численних комбшащях ушкоджень лiктя, кожне дослiдження у цьому напрям-ку заслуговуе на увагу. Особливо актуальним е продо-вження вивчення дй' та взаемозв'язку пасивних стабь лiзаторiв ЛС.
Мета роботи — вивчити поведiнкy елементав ЛС i факторiв забезпечення стабтьносп у ньому в умовах дефекту головки променево! истки 5—10—15 мм у дiа-пазош рyхiв 5—90° i3 навантаженням 5 кг.
Матер1али та методи
Для проведення розрахунив напружено-деформо-ваного стану (НДС) елементав ЛС використовували комп'ютерну SD-модель компани Zygote Media Group, Inc. (Велика Бриташя) (http://www.3dscience.com), що складаеться з плечово!, лiктьово!, променево! кусток, lig. collaterale ulnare та lig. collaterale radiale. Побудовано необхiднi геометричнi моделi iнтактного ЛС та суглоба з дефектом головки променево! истки 5—10—15 мм у положеннях 5° та 90° згинання (рис. 1).
Застосовували метод синченних елеменпв, що на-був поширення як чисельний метод ршення крайових задач мехашки сyцiльних середовищ, орiентований на використання електронних обчислювальних машин. Метод синченних елеменпв дозволяе дослщжувати еволюцiю процесу деформування структур ЛС iз великими геометричними та фiзично не лiнiйними влас-тивостями матерiалiв i змiнними в чаш зовшшшми впливами. Розрахунки здiйснено з урахуванням ваги сегментав кiнцiвки у вщсотках вiдносно загально! маси тла: кисть — 0,61 %, передплiччя — 1,15 % [10], в умовах додаткового навантаження на ЛС за рахунок сили скорочення м'язiв (бщепс-трицепс), необхiдно! для утримання в рyцi вантажу 5 кг (рис. 2, 3). Для розрахунив дано! задачi взято середньостатистичну масу тла людини 75 кг, з яко! отримано сумарну вагу сегмента — 1,76 %, що становить близько 1,323 кг (13,23 Н). Зна-
Рисунок 1. Гэометричш моделi л1ктьового суглоба: а — нтактний суглоб; б — дефект головки 5 мм;
в — 10 мм; г — 15 мм
чення НДС визначали для купв згинання у суглобi 5 е та 90 е.
Значення сили В з il складовими по осях Х та Y роз-раховували за формулою:
B
F • 30 + P • 13 50 • 30 + 13,23 • 13
5
5
Тодi Bx = B • cos(180 - a), By = B • sin(180 - a). Мехашчш властивостi матерiалiв, яы застосовували для розрахункiв [7], наведен у табл. 1.
Таблиця 1. Мехашчш властивост! матер!ал!в модел!
Модель Модуль Юнга, Е (МРа) Коефщент Пуассона,и
Компактна кютка 17 600 0,3
Спонгюзна кютка 500 0,3
Хрящ 50 0,45
Зв'язка 400 0,45
На наступному еташ побудовано сынченно-еле-ментну сику. Для пiдвищення точностi розрахунив у дтянщ контактних поверхонь у натвавтоматичному режимi згенеровано щiльну сику i3 середнiм розмь ром елемента не бтьше 0,5 мм та переважанням тет-раедричних елементiв (2 130 546 точок та 1 661 360 елеменпв) (рис. 4).
Подготовлен вхщш дан експортовано у програм-не середовище Workbench програмного комплексу ANSYS. Для подальшого аналiзу НДС обрано основнi критери оцiнки: напруження за Мiзисом, контактн напруження, максимальнi деформаци та перемщення (Total Deformation).
При розрахунках розглянуто! бiомеханiчноi системи методом скiнченних елеменпв були прийняп основнi гiпотези та припущення:
— всi матерiали вважали однорiдними й !зотропни-ми з в!домими фiзико-механiчними характеристиками (табл. 1);
— завдання статичного аналiзу виршувалося в фь зично i геометрично лшшнш постановцi, при цьому розглядали малi деформаци i перемiщення, в силу чого шдтверджувався закон Гука для опису поведшки мате-рiалу.
Результати та обговорення
Шоказники НДС штактно! моделi ЛС у положенш його згинання 5° наведенi на рис. 5.
Як можна спостериати на iнтактнiй моделi ЛС у положенш згинання 5°, максимальш напруження не пе-ревищують показниыв 7,6 МРа, що нами прийнято за референтш значення. На р!зних дiлянках моделi макси-мальнi напруження розподтеш так: на лштьовш ыст-щ вони локалiзованi в дтянщ кршлення lig. annulare radii — amax = 6,49 MPa, при цьому вони розподте-н по площ! контакту р!вном!рно та не перевищують 4,31 МРа, а на хрящ! 5,2 МРа. На головщ променево!
ыстки максимальнi напруження локалiзованi в дiлянцi крiплення lig. collaterale radiale — «ïïax = 7,17 MPa, при цьому в субхондральному шарi на суглобовiй поверхнi не перевищують 3,1 МРа, а на хрящi розподтяються по зонi контакту рiвномiрно зi збiльшенням показникiв бтя кра!в до значень 5,22 МРа.
На плечовш кiстцi максимальнi напруження зосе-редженi у субхондральному шарi на суглобовiй поверх-нi Capitulum humeri в дiлянцi контакту iз суглобовою поверхнею головки променево! истки, де у субхондральному шарi вони сягають amax = 6,65 MPa. На шших дiлянках плечово! кiстки напруження не перевищують значень 3,7 МРа. На суглобовому хрящi максимальш напруження з показниками ст = 7,59 MPa також ло-
* J max '
калiзованi в дiлянцi контакту iз суглобовою поверхнею головки променево! ыстки.
На вшх зв'язках ЛС максимальш значення напру-жень локалiзуються у дтянках крiплення до кiстки. На lig. collaterale radiale максимальш показники напру-жень сягають значень ст = 7,36 MPa.
max
Максимальш значення деформацш з показниками £max = 0,19 мм спостериаються на lig. collaterale radiale — найбтьш еластичнш структурi дано! дiлянки, на якш також спостерiгаються i максимальнi значення напружень.
Загальш перемiщення моделi становлять 24,37 мм, яы вiдбуваються за рахунок девiацiï дистального вщ-дту передплiччя (променево! кiстки). Загальнi перемь щення головки дорiвнювали 1,29 мм.
Дефект головки променево'1 кстки у diana30Hi 5— 15 мм моделi ЛС у положенш згинання 5е викликае змши il НДС. Динамша цих змiн на кожному елеменп моделi ЛС наведена у табл. 2. При цьому основш змши втбуваються на lig. collaterale radiale та lig. collaterale ulnare, на яких показники напружень зростають в 4 рази. В дтянках кршлення зв'язок до променево! ыстки напруження зростають в 2 рази. Таке ж зростання показниыв напружень (в 2 рази) спостериаеться й у да-лянках кршлення зв'язок до плечово! ыстки (рис. 6).
Як подано на рис. 6, при зростанш розмiру дефекту головки променево! ыстки максимальш напруження на лшгьовш ыстки зростають на 36,5 % i зосереджують-ся субхондрально на il суглобовш поверхш iз значен-нями amax = 8,0 МРа та в мющ кр^ення lig. collaterale ulnare — а = 8,86 MPa.
max '
Показники напружень на суглобовому хрящi лштьо-во! кiстки не перевищують amax = 6,60MPa. На суглобовому хрящi плечово! кiстки показники максимальних напружень не перевищують amax = 5,68 MPa.
Максимальнi деформаци' у моделi ЛС виникають на lig. collaterale radiale з показниками е = 0,31 мм, що
max
на 53 % бтьше, шж для шгактного ЛС.
3i збтьшенням дефекту головки променево! кiстки до 15 мм зростають i загальш перемщення моделi ЛС (на 37 %) з показником Д = 33,36. Це вiдбуваеться за рахунок дистального вщдту передплiччя (променево! ыстки). Загальш перемщення головки променево! ыстки збтьшуються у 4 рази та сягають значень Д = 5,13 мм.
Динамiка 3mîh НДС на кожному елемент моделi ЛС залежно вщ po3Mipy дефекту головки променево! истки подана у табл. 2 та на рис. 7.
Показники НДС штактно! моделi ЛС у положенш його згинання 90° наведеш на рис. 8.
Як можна спостертати на iнтактнiй моделi ЛС, у положенш згинання 90° максимальш напруження не пе-ревищують показниыв 11,69 МРа, що нами прийнято за референтш значення для даного кута згинання у ЛС. На рiзних дiлянках моделi максимальш напруження розподтеш так: на лштьовШ кiстцi вони зосередженi на суглобовш поверхнi в дiлянцi Processus coronoideus — CTmax = 3,36 MPa, на хрящi суглобово! поверхнi локаль зованi по краю суглобово! поверхш в дiлянцi Olecranon i не перевищують 4,45 МРа, на головщ променево!' кустки локалiзованi в дтянщ крiплення lig. collatérale radiale — amax = 6,16 MPa, при цьому на суглобовш поверхш не перевищують 2,99 МРа, а на хрящi розподь ляються по зош контакту рiвномiрно зi збтьшенням показник1в бiля кра!в контакту до значень 5,80 МРа.
На плечовш ыстщ максимальнi напруження зосередженнi на суглобовш поверхш в дтянщ контакту Capitulum humeri iз суглобовою поверхнею головки променево!' ыстки — amax = 4,79 MPa. На шших дтян-ках плечово! ыстки напруження не перевищують значень 3,64 МРа. На суглобовому хрящi максимальш напруження з показниками ст = 6,13 MPa локалiзованi
* J max '
в дтянщ контакту Capitulum humeri iз суглобовою поверхнею головки променево!' ыстки та з показниками 4,02 МРа — в дтянщ контакту блоку плечово! ыстки з Incisura semilunaris лшгьово! ыстки.
На вшх зв'язках ЛС максимальш значення напру-жень локалiзуються у дтянках !х кр^ення до кiстки. На lig. collaterale radiale максимальнi показники напру-жень сягають значень ст = 11,69 MPa.
max
Максимальш значення деформацш i3 показниками emax = 0,31 мм спостертаються на lig. collaterale radiale — найбтьш еластичнш структурi дано! дiлянки, на яый також спостерiгаються i максимальнi значення напружень.
Загальш перемiщення моделi становлять 4,15 мм, яы вiдбуваються за рахунок девiащl дистального в!д-дiлу передптччя (променево! к1стки). Загальнi перемь щення головки дорiвнювали 1,29 мм.
Дефект головки променево! ыстки у д!апазош 5—15 мм викликае зм1ни НДС модел! ЛС у положеннi згинання 90° (рис. 9). Динамша цих змш на кожному елементi моделi ЛС наведена у табл. 3. При цьому основ-н1 змши вiдбуваються на lig. collaterale radiale та в дтянщ 'li кр^ення на променевiй к1стц1, де показники напру-жень зростають в 4—5 разiв. Спостерiгаеться зростання в
2 рази напружень на суглобовш поверхш лжгьово! ыстки та в 1,5 раза на суглобовш поверхш плечово! ыстки пор1вняно з штактним суглобом (рис. 9).
Як подано на рис. 9, при зростанш розм1ру дефекту головки променево! ыстки максимальш напруження на лштьовш ыстщ зростають майже у 2 рази та зо-середжуються на Г! суглобовш поверхш !з значеннями CTmax = 6,67 МРа та в мющ кршлення lig. collaterale ulnare — ст = 16,02 MPa. Зростають у 1,5 раза напруження i на суглобовш поверхш плечово! ыстки, в дтянщ контакту
3 лштьовою ысткою, до значень ст = 7,08 МРа. Тобто
' max '
ця длянка ЛС у даних умовах е основною зоною контакту. При цьому значного збтьшення (9 %) показниыв напружень на суглобовому хрящ1 лштьово! к1стки не спостерiгаеться, а на суглобовому хрящ1 плечово! ыстки вони, навпаки, зменшились у 3,6 раза.
Незначне збтьшення значень напружень виникае на lig. collaterale ulnare posterior (ст = 1,0 МРа) та lig. collaterale ulnare anterior intermediate (ст = 1,21 МРа) — на 11 % та 4 %
Таблиця 2. Динамка змн НДС на елементах моделi ЛС залежно вд розм1ру дефекту головки
променево'/' юстки (при згинанш у ЛС 5°)
Елементи моделi Показники напружень, МРа
1нтактна головка променево! юстки Дефект головки променево'Г кютки
5 мм 10 мм 15 мм
Л^ьова кютка 6,49 7,75 7,75 8,86
Хрящ суглобово! поверхн л^ьово! кютки 5,2 5,62 5,62 6,6
Променева кютка 7,17 15,07 17,37 16,8
Хрящ суглобово! поверхн променево! кютки 5,22 - - -
Плечова кютка 6,65 10,14 16,15 14,59
Хрящ суглобово! поверхн плечово! кютки 7,59 4,81 4,81 5,68
Lig. collaterale ulnare 6,57 7,06 7,06 8,02
Lig. collaterale ulnare anterior intermediate 1,18 2,82 2,82 4,75
Lig. collaterale radiale 7,36 26,87 29,06 32,64
Деформацп 0,19 0,27 0,29 0,31
Загальн перемщення 24,37 32,24 33,25 33,36
Перемщення головки променево! кютки 1,29 11,15 11,15 5,13
Рисунок 2. Граничн! умови (закр!-плення та навантаження): Р = 50 Н (5 кг) — вантаж, що утримуеться в руц; W = 13,23 Н (1,323 кг) — вага сегмента юн^вки; В — сила ди ско-рочення бщепс-трицепс залежно вд кута згинання в л1ктьовому суглобi та ïï складовi за осями X та Y
Рисунок 3. Елементи модел'1 в рiзних положеннях згинання у л^ьовому суглобi (Solid Works)
Рисунок 4. С^нченно-елементна с^ка
ж з и
о = 7,36 MPa е = 0,19 мм А = 24,37мм
max ' max ' '
i А = 3,72 мм
Рисунок 5. НДС iнтактноï модел'1 ЛС у положеннi згинання 5°: а — напруження на л^ьовй юст^; б — на хрящiл^ьово/ кстки; в — на головц променево/ юстки; г — на хрящi променево/ юстки; f — на пле-човй юст^; д — на хрящi плечово/ кстки; е — на lig. collatérale ulnare posterior; е — на lig. collatérale ulnare anterior intermediate; ж — на lig. collaterale radiale; з — максимальш деформацИ'; и — загальн перемщення моделi ЛС; i — перемiщення головки променево/ кстки
Рисунок 6. Основн! зм!ни показник!в НДС ЛС 1з дефектом головки променево/к!стки 15 мм у положены! згинання 5°: а — напруження на lig. collaterale radiale; б — на lig. collaterale ulnare; в — на променевiй к!стц1; г — на плечовiй к!стц1; f — на л'1ктьовй к!стц1; д — загальш перемiщення головки променево/
кстки; е — загальн! перемщення модел! ЛС
'-' Я К ibObj Г г fri — >p||Lj нп гтатьошк ИСТЦ1
КК-.ТКЛ KpBLg ni прем?iicpiii гати)
Ппечма ыстка ^JipHUl** MipcriiH к^етц
Lil№# »naterä» I до тел I .j^^ior: Ulrvbra ¿dlalwalb ligartierwi m»mi«1iaf1ft
Radii's Mllitiröii liyanenL
Рисунок 7. Розподл максимальних напружень для в&х елемент!в моделей: 1 — ¡нтактна головка променевоI юстки; 2 — дефект головки 5 мм; 3 — дефект головки 10 мм; 4 — дефект головки 15 мм
а
■■ 3,36 MPa
б
■■ 4,45 MPa
ст = 6,16 MPa
max '
ст = 5,80 MPa
max
Рисунок 8. НДС ¡нтактно/моделi ЛС у положенн1 згинання 90°: а — напруження на лiктьовiй к!стц!; б — на хрящi л^ьово/^стки; в — на головц променево/ ^стки; г — на хрящi променево/ кстки
Рисунок 8 (заюнчення). НДС ¡нтактно/ моделi ЛС у положенн1 згинання 90°: t — на плечовй к!стц1; д — на хрящi плечово/ кстки; е — на lig. collatérale ulnare posterior; e — на lig. collatérale ulnare anterior intermediate; ж — на lig. collaterale radiale; з — максимальн деформацИ'; и — загальн перемщення
моделiЛС; i — перемiщення головки променево/ кстки
Рисунок 9. Основн! зм!ни показник!в НДС ЛС 1з дефектом головки променево'/' к!стки 15 мм у положены! згинання 90е: а — напруження на лiктьовiй к!стц1; б — на променевiй к!стц1; в — на lig. collaterale radiale; г — на плечовй к!стц1; f — деформаци модел! ЛС; д — загальн! перем!щення головки променевоï
к1стки; е — загальн! перемщення модел! ЛС
Рисунок 10. Розподл максимальних напружень
для Bcix елемент!в моделей: 1 — ¡нтактна головка променево'/' ^стки; 2 — дефект головки 5 мм; 3 — дефект головки 10 мм; 4 — дефект головки 15 мм
вщповщно. При цьому основы напруження припали на lig. collatérale radiale, сягаючи значень ст = 57,14 МРа.
' max '
Максимальш деформацй' в модел1 ЛС виника-ють на lig. collatérale ulnare posterior з показниками emax = 0,71 мм, що б1льш н1ж у 2 рази перевищуе показ-ник для штактного ЛС у положенн1 згинання 90°.
3i зб1льшенням дефекту головки променево! к1стки до 15 мм загальш перемiщення моделi ЛС зростають у 14 разiв iз показником А = 58,52 мм. Це вщбуваеться за рахунок проксимального вщдд-лу передплiччя — зони дефекту променево! кiстки. Загальнi перемiщення головки променево! кiстки при цьому збшьшуються у 215 разiв та сягають зна-
чень А = 21,53 мм. Динамша змш НДС на кожному елемент моделi ЛС залежно вщ розмiру дефекту головки променево! кiстки наведена у табл. 3 та на рис. 10.
Порiвнюючи отримаш показники НДС штактно-го ЛС у положеннях 5° та 90° згинання, можна спо-стерпати зростання значень напружень на хрящi су-глобово! поверхнi плечово! ыстки (майже у 2 рази) та на lig. collaterale radiale (на 58,8 %), а також значень деформацш моделi (на 63 %) при збтьшенш кута згинання у Л С до 90°. На шших елементах моделi вiдзначено зниження значень НДС за рахунок !х пе-рерозподiлу.
Як показали нашi дослщження, бiомеханiка роз-подiлу навантажень суттево вiдрiзняeться вiд норми при видаленш головцi променево! кiстки. Важливiсть головки променево! ыстки в пасивнiй стабшзацп пiдтверджують дослiдження Morrey, якi довели, що 31—33 % вальгусно! стабшзаци ЛС забезпечуеться саме за рахунок ще! структури, тодi як роль медiаль-но! колатерально! зв'язки зростае в!д 31 % при повно-му розгинаннi до 54 % при згинання до 90°. Отже, за результатами наших дослщжень та дослщжень, що наведеш вище, головка променево! ыстки е основою пасивно! стабшзацп лштя, особливо при вальгусному вiдхиленнi передплiччя.
Отже, як показали нашi дослiдження, видалення головки променево! ыстки значно порушуе нормальну бiомеханiку рухiв у ЛС, призводить до перерозподту навантажень i нестабшьносл в суглобi. Зважаючи на це, доцтьно уникати видалення фрагментiв при переломах головки променево! ыстки та проводити роботу з вщновлення стабшносл суглоба.
Таблиця 3. Динам/ка змн НДС на елементах моделi ЛС залежно в 'щ розм1ру дефекту головки
променево'/' кстки (при згинаннi у ЛС 90е)
Елементи моделi Показники напружень, МРа
1нтактнаголовка променевоГ кiстки Дефект головки променевоГ кютки
5 мм 10 мм 15 мм
Л^ьова кютка 3,36 5,22 5,98 6,67
Хрящ суглобово! поверхн лiктьовоi кютки 4,45 3,07 4,86 4,86
Променева кютка 6,16 22,42 19,69 25,85
Хрящ суглобово! поверхн променево! кютки 5,8 - - -
Плечова кiстка 4,79 5,21 5,67 7,08
Хрящ суглобово! поверхн плечово! кiстки 14,67 2,74 4,1 4,1
Lig. collaterale ulnare 0,89 0,63 1 1
Lig. collaterale ulnare anterior intermediate 1,16 0,94 1,21 1,21
Lig. collaterale radiale 11,69 48,1 57,14 57,14
Деформацй 0,31 0,52 0,65 0,71
Загальн перемщення 4,15 41,2 55,51 58,52
Перемщення головки променево! кютки 0,1 11,15 20 21,53
Висновки
1. За показниками НДС штактний ЛС у положеннi згинання 90° перебувае у бтьш стабiльних умовах, шж у положеннi згинання 5°. Збтьшення величини дефекту головки променево! к1стки викликае значне пору-шення стабiльностi ЛС у положенш згинання 90°.
2. Основною стабшзуючою суглоб структурою е lig. collaterale radiale, що утримуе суглоб у стабтьному станi в у^х положеннях згинання. 3i збiльшенням кута згинання в сугло61 з61льшуються показники деформа-ц1й моделi за и рахунок.
3. Значне збтьшення показниыв напружень у дтян-ках крiплення lig. collaterale radiale, за наявност дефекту головки променево! ыстки, свтчить про зростання и рол1 як стабшзатора при вальгусному навантаженнi.
4. У положенш згинання ЛС 90° спостертаеться не-значне зниження показниив напружень, окр1м хряща головки променево! истки та хряща плечово! истки, де щ показники збтьшуються. На зв'язках ЛС спостертаеться зниження показниив напружень на lig. collaterale ulnare posterior та lig. collaterale ulnare anterior intermediate, а на lig. collaterale radiale напруження, навпаки, збтьшуються.
Конфлiкт iffrepeciB. Автори заявляють про вщсут-н1сть конфл1кту штерешв при п1дготовц1 дано! статтi.
Список л1тератури
1. An K.N., Morrey B.F., Chao E.Y. The effect ofpartial removal of proximal ulna on elbow constraint// Clin. Orthop. — 1986. — Vol. 209. — P. 270-279.
2. Armstrong A.D., Dunning C.E., Faber K.J., et al. Rehabilitation of the medial collateral ligament-deficient elbow: an in
vitro biomechanical study // J. Hand Surg. [Am]. — 2000. — Vol. 25, № 6. — P. 1051-1057.
3. Beingessner D.M., Dunning C.E., Gordon K.D., et al. The effect of radial head fracture size on elbow kinematics and stability // Journal of Orthopaedic Research. — 2005. — № 23. — P. 210-217.
4. Court-Brown, C.M., Caesar, B.C. Overview of epidemio-logy offractures // Rockwood and Green's fractures in adults / Ed. by R.W. Bucholz, J.D. Heckman, C.M. Court-Brown, K..J. Koval, P. Tornetts III, M.A. Wirth. — 6h ed. — Philadelphia; Baltimore; New York; London; Buenos Aires; Hong Kong; Sydney; Tokyo: Lipincott Williams and Wilkins, 2006. — Р. 95-113.
5. Deutch S.R., Olsen B.S., Jensen S.L., et al. Ligamentous and capsular restraints to experimental posterior elbow joint dislocation // Scand. J. Med. Sci. Sports. — 2003. — Vol. 13, № 5. — P. 311-316.
6. Fornalski S., Gupta R, Lee T. Q. Anatomy and Biomechanics of the Elbow Joint // Techniques in Hand and Upper Extremity Surgery. — 2003. — Vol. 7, № 4. — P. 168-178.
7. Kubichek M., Florian Z. Stress strain analysis of knee joint // Engineering Mechanics. — 2009. —Vol. 16, № 5. — P. 315-322.
8. The elbow and its disorders / Ed. by B.F. Morrey. — Philadelphia, PA: WB Saunders, 2000.
9. Morrey B.F., Chao E.Y. Passive motion of the elbow joint // J. Bone Joint Surg. — 1976. — Vol. 58A. — P. 501-508.
10. Зациорский В.М. Биомеханика двигательного аппарата человека/В.М. Зациорский, А.С. Аруин, В.Н. Селуя-нов. — М.: ФиС, 1981. — 143 с.
Отримано 10.03.2017 ■
Лазарев И.А., Куренной И.Н., Страфун А.С., Скибан М.В.
ГУ «Институт травматологии и ортопедии НАМН Украины», г. Киев, Украина
Биомеханическое определение нагрузки на локтевой сустав при переломах головки лучевой кости
Резюме. Актуальность. Переломы головки лучевой кости являются частым повреждением области локтевого сустава (ЛС) и составляют 56 % от переломов проксимального отдела предплечья [4]. Достаточно часто хирург принимает решение об удалении фрагментов сломанной головки. На практике выявлена зависимость стабильности ЛС от степени резекции головки лучевой кости. Цель работы. Изучить поведение элементов ЛС и факторов обеспечения стабильности в нем в условиях дефекта головки лучевой кости 5—10—15 мм в диапазоне движений 5—90° с нагрузкой 5 кг. Материалы и методы. Расчеты напряженно-деформированного состояния элементов ЛС методом конечных элементов на базе компьютерной SD-модели Zygote Media Group, Inc. интактного ЛС и сустава с дефектом головки лучевой кости 5—10—15 мм в положениях 5° и 90° сгибания. Критериями оценки напряженно-деформированного состояния были напряжение по Ми-зису, контактные напряжения, максимальные деформации и перемещения. Результаты. В положении сгибания в Л С 5° увеличение размера дефекта головки лучевой кости вызывает увеличение максимальных напряжений на локтевой кости на 36,5 % (а = 8,0 МПа) в субхондральных участках суставной
поверхности и в месте крепления lig. collaterale ulnare (CTmax = = 8,86 MPa), максимальных деформаций на 53 % (emax = 0.31 мм) на lig. collaterale radiale, общих перемещений модели ЛС на 37 % (Д = 33,36) за счет дистального отдела лучевой кости, общих перемещений головки лучевой кости в 4 раза (Д = 5,13 мм). В положении сгибания в ЛС 90° увеличение размера дефекта головки лучевой кости вызывает увеличение максимальных напряжений на lig. collaterale radiale в 4 раза (CTmax = 57,15 МРа), субхондрально на суставной поверхности локтевой кости в 2 раза (CTmax = 6,67 МРа) и в месте крепления lig. collaterale ulnare (CTmax = 16,02 MPa), субхондрально на суставной поверхности плечевой кости в зоне контакта с локтевой костью в 1,5 раза (CTmax = 7,08 МРа), уменьшение максимальных напряжений на суставном хряще плечевой кости в 3,6 раза, увеличение максимальных деформаций на lig. collaterale ulnare posterior в 2 раза (emax = 0,71 мм), общих перемещений проксимального отдела предплечья в 14 раз (Д = 58,52 мм), общих перемещений головки лучевой кости в 215 раз (Д = 21,53 мм). Выводы. По данным исследования, удаление головки лучевой кости значительно нарушает нормальную биомеханику движений в ЛС, приводит к перераспределению нагрузок и нестабильности в суста-
ве. Основной стабилизирующей сустав структурой является lig. collaterale radiale, которая удерживает сустав в стабильном состоянии во всех положениях сгибания. С увеличением угла сгибания в суставе увеличиваются показатели деформаций модели за ее счет. Значительное увеличение показателей напряжений в участках крепления lig. collaterale radiale при наличии дефекта головки лучевой кости свидетельствует о ее важной роли в качестве стабилизатора при вальгусной нагрузке. Ин-тактный ЛС в положении сгибания 90° находится в более ста-
бильных условиях, чем в положении сгибания 5°. Увеличение величины дефекта головки лучевой кости вызывает значительное нарушение стабильности ЛС в положении сгибания 90°. Целесообразно избегать удаления фрагментов при переломах головки лучевой кости и проводить работу по восстановлению стабильности сустава.
Ключевые слова: локтевой сустав; перелом головки лучевой кости; конечно-элементное моделирование; напряженно-деформированное состояние
I.A. Lazarev, I.M. Kurennoy, A.S. Strafun, M.V. Skiban
State Institution "Institute of Traumatology and Orthopaedics of the NAMS of Ukraine", Kyiv, Ukraine
Biomechanical definition of the load on
Abstract. Background. Radial head fractures are the most common fractures of the elbow joint and account for 56 % of fractures of the proximal forearm [4]. Quite often, the surgeon decides to remove fragments of the fractured radial head. In practice, the dependence of the elbow stability on the degree of the radial head resection is revealed. The purpose of our study was to study the state of the elbow joint elements and the factors ensuring its stability under the conditions of the radial head defect of 5—10—15 mm at the range of movements of 5—90° with a load of 5 kg. Materials and methods. Calculations of the stress-strain state of the elbow joint elements by the finite element method on the basis of the computer 3D model Zygote Media Group, Inc. An intact elbow model and elbow with a radial head defect of 5—10—15 mm in positions of 5° and 90° flexion were used for calculations. Criteria for assessing the stress-strain state were von Mises stress, contact stress, strain and total deformation. Results. At the 5° elbow flexion, an increase in the size of the radial head defect causes: the stress in the ulna increased by 36.5 % (omax = 8.0 MPa) at the subchondral areas of the articular surface and at the attachment site of the lig. collaterale ulnare (a = 8.86 MPa), strain increased by 53 % (emax = 0.31 mm) at the lig. collaterale radiale, the total deformation of the elbow model increased by 37 % (A = 33.36) due to the distal radius, the total deformation of the radial head increased 4 times (A = 5.13 mm). At the 90° elbow flexion, an increase in the size of the radial head defect causes: the stress in the lig. collaterale radiale increased 4 times (a = 57.15 MPa), subchondrally at the articu-
v max '' J
the elbow joint in radial head fractures
lar surface of the ulna (a = 6.67 MPa) and at the attachment site
max
of the lig. collaterale ulnare (am^ = 16.02 MPa) increased 2 times, the stress at the subchondral areas of the humerus articular surface increased 1.5 times (a = 7.08 MPa), reduction of the maximum
max
stress at the articular cartilage of the humerus articular surface by 3.6 times, the strain at the lig. collaterale ulnare posterior increased 2 times (e = 0.71 mm), the total deformation of the proximal fore-
max
arm increased 14 times (A = 58.52mm), the total deformation of the radial head increased 215 times (A = 21.53 mm). Conclusions. According to the study, the removal of the radial head significantly affects the normal biomechanics of movements in the elbow, leads to a redistribution of loads and instability in the joint. The basic stabilizing structure of elbow is lig. collaterale radiale, which keeps the joint at the stable state in all flexion positions. Increase of flexion angle results in increasing the deformation parameters of the model because of lig. collaterale radiale strain. Significant increase of stress at lig. collaterale radiale in the presence of radial head defect indicates its important role as a stabilizer in the valgus load. The intact elbow at the 90° flexion position is more stable than at the 5° flexion position. Increase in the radial head defect size causes a significant decrease of the elbow stability at the 90° flexion position. It is advisable to avoid the removal of the radial head fractures fragments and to initiate restoring the stability of the joint.
Keywords: elbow joint; radial head fracture; finite element modeling; stress-strain state
