CC BY
35
Таблица 2. Пример цифровой обработки графических изображений
Название образца
2
■D
га £
Ф
■е
ш ч a
I-
ш 2 то s EÏ
FS 'ü
° i
M
X *
m IK * £
m I- «
О I a S _
csS
« 2s
то га
х a .о Iq x
я о
§ I
Si *
* i
«
s s J
(Ü
ÛCM Ü 2 i? ^ S -Ü
i i о S
« «
-0 с
я T
о
График разложения величин поля напряжений по окружной координате вокруг дефекта
Графический образ поля давлений на пленке Fuji Prescale
Диапазон давления в зоне
дефекта Р, МПа
004 LW0 150
2,74
37,4
5,1-10,0
s й s s S SS s s s s ss s s s- s s s? s s
5
P, МПа
Ф, град
Рисунок 5. Типовое распределение интенсивности контактных давлений вдоль образующей дефект хряща различной протяженности L (а), в виде круговой диаграммы (б), в виде гистограммы (в)
давлений вдоль окружной координаты дефекта хряща (образец 014_LW60_75kg_20) диаметром 20 мм (рис. 5).
Протяженность зоны краевого эффекта для контактных давлений варьируется от L1 = 8,5 до L3 = = 1 мм, а среднее значение составляет L2 = 4 мм. При этом экстремальные величины давлений фактической зоны контакта лежат в пределах от 7,5 МПа для сечения С1—С2 до 8,6 МПа в сечении А1—А2 (рис. 6). Максимальные градиенты контактных давлений (6,8 МПа/мм) наблюдаются вблизи зон, примыкающих к краям поверхности контакта.
Исследования показали, что существует корреляционная зависимость между величинами диаметра дефекта 6 и максимальной протяженностью зоны концентрации контактных давлений L (краевой эффект Сен-Венана) вида = кё, (к = 0,5—2,0). Чем более однородна зона краевого эффекта вдоль окружной координаты дефекта, тем меньше разрушающее действие края дефекта.
Локализация контактной зоны и пикового давления на суставных поверхностях зависит от положения сустава и величины нагрузки. В суставе с отсутствием дефектов суставного хряща и интактными менисками зон концентрации напряжений не выявлено.
В диапазоне сгибания в коленном суставе 0—60° определялось равномерное распределение давления по всей площади контактирующих поверхностей. Разница их геометрии компенсировалась эластичностью суставного хряща и менисков. Площадь контакта и среднее контактное давление увеличивалось пропорционально уровню прилагаемой нагрузки.
0° при Р = 1500 Н — с увеличением размера дефекта медиального мыщелка бедра отмечена концентрация напряжений по краю дефекта с достоверным увеличением контактной площади с 31,8 до 65,1 мм2 (А = 51 %) в диапазоне контактного давления 7,1 — 8,6 Н/мм2
30° при Р = 750 Н — отмечена концентрация напряжений по краю дефекта с увеличением площа-
ди концентрации напряжений с 48,5 до 88,7 мм2 (А = 45 %) в диапазоне контактного давления 1,6—
2.5 Н/мм2 (LLW).
60° при Р = 1500Н — отмечена концентрация напряжений по краю дефекта с увеличением площади концентрации напряжений с 15,9 до 41,5 мм2 (А = = 62 %) в диапазоне контактного давления 7,1 —
8.6 Н/мм2 (LW). В данном положении сгибания в коленном суставе площадь концентрации напряжений по краю дефекта была максимальной по отношению к общей площади контакта (А = 27 %).
Неоднородность размера контактного пятна (площади контакта) может быть объяснена различными индивидуальными упруго-эластичными (вязко-упругими) свойствами хряща и менисков в зоне контакта, зависящими от степени их дегенеративных изменений. Большое значение в распределении ти-биофеморального давления играет также прочность крепления мениска к капсуле сустава и медиальной коллатеральной связке, ограничивающая подвижность мениска в условиях нагрузки. Увеличение ти-биофеморального контактного давления могут вызывать дегенеративные изменения, происходящие в хряще и мениске, а также повреждения медиальной коллатеральной связки в зоне крепления медиального мениска. Наличием дегенеративных изменений в вышеуказанных структурах, по нашему мнению, можно объяснить выявленную в проведенном эксперименте концентрацию пиковых напряжений по краю дефекта суставного хряща при его размере 5 мм. Подтверждение этому можно найти и в работах зарубежных коллег [9], проводивших исследования свойств материала, используемого для замещения менисков с целью восстановления их функции.
Появление контактного пятна с концентрацией напряжений (рис. 7) обнаружено на макропрепарате со сниженной высотой суставного хряща. Такие изменения в распределении нагрузки могут быть обусловлены снижением эластичности контактирующих структур с уменьшением площади контакта.
Рисунок 6. Распределение контактных давлений вдоль образующей дефект в сечениях суставного хряща: а) А—А2, б) В-В2
Рисунок 7. Отсутствие (а) зон концентрации напряжений в интактном суставе и их наличие (б) в суставе с артрозными изменениями суставного хряща
Полученные данные позволяют создать алгоритм соответствующего пред- и интраопераци-онного планирования тактики хирургического вмешательства у пациентов с повреждением суставного хряща.
Выводы
1. Характеристики отпечатков контактной поверхности коленного сустава при использовании чувствительной пленки Fuji Prescale Pressure Measuring System индивидуально варьируют в зависимости от прочности крепления мениска к капсуле сустава, состояния медиальной коллатеральной связки в зоне крепления медиального мениска, степени дегенеративных изменений суставного хряща и менисков.
2. Локализация контактной зоны и концентрации контактного давления при наличии дефекта хряща медиального мыщелка бедра зависит от размера дефекта, величины нагрузки и положения сустава.
3. Травматическое повреждение хрящевой ткани медиального мыщелка бедра изменяет площадь сопряжения контактных поверхностей. В результате изменяется фактическая площадь контактирующих тел, что приводит к перераспределению усилий и возникновению зон концентрации напряжений, примыкающих к краю дефекта.
4. С появлением дефекта хряща увеличиваются зоны концентрации контактного давления по краю дефекта пропорционально увеличению размера дефекта и уровню нагрузки, начиная с величины 700 Н (1 BW).
5. Клинически значимым становится дефект суставного хряща медиального мыщелка бедра размером 5 мм при увеличении нагрузки на коленный сустав, начиная с величины 1400 Н (2 BW), в условиях дегенеративных изменений в суставном хряще и мениске.
6. С увеличением площади дефекта происходит увеличение площади концентрации напряжений по краю дефекта в диапазоне 7,1—8,6 Н/мм2 за счет
уменьшения общей контактной площади сопряженных поверхностей коленного сустава, с расширением зоны повреждения суставного хряща.
7. При флюктуации величины контактного давления в диапазоне 7,1—8,6 МРа контактная площадь изменяется от 8,3 до 65,1 мм2 соответственно для дефектов размерами от 5 до 20 мм.
8. В условиях дегенерации суставного хряща и при наличии повреждения мениска напряжения по краю дефекта могут достигать критического уровня.
9. При циклической нагрузке сустава до 3,5 BW (в условиях подъема/спуска по лестнице) в диапазоне движений 0—60° концентрация контактных напряжений с прогрессирующим разрушением суставного хряща по краю дефекта будет наблюдаться у дефекта с большей неоднородностью градиента напряжений.
Список литературы
1. Effect of osteochondral defects on articular cartilage / Nelson B.H., Anderson D.D., Brand R.A., Brown T.D. // Acta Orthop. Scand. - 1988. - № 59 (5). - P. 574579.
2. Campbell C.J. The healing of cartilage defects / Campbell C.J. // Clin. Orthop. - 1969. - № 64. - P. 45-63.
3. The biological effect of continuous passive motion on the healing of full thickness defects in articular cartilage. An experimental investigation in the rabbit / Salter R.B., Simmonds D.F., Malcolm B.W. [et al.] // Bone Joint Surg. - 1980. - № 62 (8). - P. 1232-1251.
4. DeMarco A.L. Measuring contact pressure and contact area in Orthopaedic Applications: Fuji Film vs. TecScan. Poster session /DeMarco A.L., Rust D.A., Bachus K.N. // 48 Annual meeting, Orth. Research Soc., March 12—15. -Orlando, Florida, 2000.
5. Lee S.J. Tibiofemoral Contact Mechanics After Serial Medial Meniscectomies in the Human Cadaveric Knee / Lee S.J., Aadalen K.J., Malaviya P. [et al.]. - Am. J. Sports Med. - 2006. - Vol. 34 (8). - P. 1334-1344.
6. Ahmed A.M. In vitro measurement of static pressure distribution in synovial joints. - Part 1, Part 2 / Ahmed A.M., Burke D.L., Yu A. J. // Biomech. Engin. - 1983. -№ 105. - P. 216-236.
7. Mina C. High tibial osteotomy for unloading osteochon-dral defects in the medial compartment of the knee / Mina C., Garrett W.E. Jr., Pietrobon R. [et al.] / Am. J. Sports Med. - 2008. - Vol. 36 (5). - Р. 949-955.
8. Fukubayashi T., Kurosawa H. The contact area and pressure distribution pattern of the knee: A Study of Normal and Osteoarthrotic Knee Joints / Fukubayashi T. // Acta Orthop. Scand. - 1980. - Vol. 51. - P. 871879.
9. Donahue T.L.H. How the stiffness of meniscal attach -ments and meniscal material properties affect tibio-femoral contact pressure computed using a validated finite element model of the human knee joint / Donahue T.L.H., Hull M.L., Rashid M.M., Jacobs C.R. // Journal of Bio-mechanics. - 2003. - Vol. 36. - P. 19-34.
10. Королев А.В. Физическая реабилитация пациентов после артроскопических операций на коленном суставе / Королев А.В., Головская В.В., Дедов С.Ю. и др. // Скорая медицинская помощь. Специальный выпуск. — Санкт-Петербург, 2003. — 48 с.
11. Маланин Д.А Экспериментальные аспекты изучения хондрогенного потенциала мезенхимальных плю-рипотентных и малодифференцированных клеток, культивируемых in vivo / Маланин Д.А., Писарев В.Б., Шилов В.Г. и др. // Гений ортопедии. — 2002. — № 1. — С. 90-98.
12. Angermann P. Arthroscopic chondrectomy as a treatment of cartilage lesions / Angermann P., Harager K., Tobin L.L. // Knee Surg. Sports. Traumatol. Arthrosc. — 2002. — Vol. 10 (1). — P. 6-9.
Страфун C.C.1, Лазарев I.A.1, Костогриз O.A.1, КрищукМ.Г.2,
Максим!шин О.М.1, Сщенко B.A2, Юрченко В.Т.3
1ДУ «1нститут травматолог!! та ортопед!! АМН Укра!ни»
2НТУУ «Ки!вський пол!техн!чний !нститут»
3Бюро судово-медично! експертизи ДУ охорони здоров'я
м. Киева
РОЗПОД|Д КОНТАКТНОГО ТИСКУ В ПБЮФЕМОРАДЬНМ ЗОН В УМОВАХ ДЕФЕКТУ СУГДОБОВОГО ХРЯЩА
Резюме. Проведено дослщження змши пжвд контактно! по-верхм у метскофеморальнт зот медального виростка стегна, визначем величини критичних ршнш контактного тиску та кра-йових ефекпв у зот травматичного дефекту суглобового хряща при ргзнш його плопц й р1зних кутах згинання в колшному суглоб1 пщ даею функцюнальних навантажень. Дослщження зони контакту i розподш навантаження по контактнш поверхнi проводи-лося з використанням вимрювально! плшки Fuji Prescale Pressure Measuring System. Травматичне ушкодження хрящово! тканини медального виростка стегна змшюе плошу сполучення контакт-них поверхонь. У результат змшюеться фактична площа контак-туючих тш, шо поизводить до перерозподшу зусиль i виникнення зон концентраци навантажень, що примикають до краю дефекту.
K^40Bi слова: дефект суглобового хряща, йбюфеморальна зона, контактний тиск.
13. Образцов И.Ф. Проблемы прочности в биомеханике / Образцов И.Ф., Адамович И.С., Барер А.С. — М.: Высшая школа, 1988. — 311 с.
14. Buckwalter J.A. Articular cartilage: II. Degeneration and osteoarthrosis, repair, regeneration and transplantation / Buckwalter J.A., Mankin H.J. // J. Bone Jt. Surg. (Am.). — 1997. — Vol. 79-A. — P. 612632.
15. Анкш М.Л. Тактика лтування травматичних ушкоджень суглобового хряща колшного суглоба / Анкш М.Л., Костогриз О.А. // Всник ортопеды, травматологи та протезування. — 2007. — № 3. — С. 14-18.
Получено 12.07.11 □
Strafun S.S.1, Lazarev I.A.1, Kostogryz O.A.1, Kryschuk N.G.2,
Maksimishin A.N.1, Yeschenko V.A.2, Yurchenko V.T.3
1SI «Institute of Ttraumatology and Orthopedy of AMS of Ukraine»
2NTUU «Kyiv Polytechnic Institute»
3Bureau of the Medico-Legal Expertise
of Kyiv's Public Health State Administration, Ukraine
CONTACT PRESSURE DISTRIBUTION IN THE TIBIO-FEMORAL AREA IN THE CASE OF KNEE CARTILAGE DEFECT
Summary. There have been investigated the changes in the meniscal-femoral contact area of the femoral medial condyle. The critical levels of contact pressure values and edge effects in the area of cartilage traumatic defects of different size and different knee flexion angles under the influence of functional load were determined. Investigation of the contact area and load distribution on the contact surface was carried out using Fuji Prescale Pressure Measuring System measuring film. Traumatic injury of femoral medial condyle cartilage alters the conjugation area of contact surfaces. As a result there were changes of the actual area of the contacting bodies, which leads to a redistribution of efforts and the emergence of stress concentration zones adjacent to the edge ofthe defect.
Key words: knee cartilage defect, tibio-femoral area, contact pressure.
■ Оригинальж досл1дження
Original Researches
УДК 616-001.5-053+615.272.2 КЛИМОВИЦКИЙ В.Г., ЧЕРНЫШ в.ю.
Донецкий национальный медицинский университет им. М. Горького
ЧАСТОТА ЗАМЕДЛЕННОЙ КОНСОЛИДАЦИИ ПЕРЕЛОМОВ У ПОСТРАДАВШИХ РАЗНЫХ ВОЗРАСТНЫХ ГРУПП И ВЛИЯНИЕ НА НЕЕ ОСТЕОТРОПНОЙ ТЕРАПИИ
Резюме. В работе на основании данных статистического исследования, проведенного при поддержке компании «Евромедекс Франс» (2819 переломов), изучена в сравнительном аспекте частота замедленной консолидации переломов и ложных суставов у пострадавших разных возрастных групп, а также среди пациентов, получавших и не получавших остеотропную терапию. Результаты исследования позволили выявить ряд проблемных аспектов, требующих дальнейшей разработки, что будет способствовать более четкому пониманию причин нарушений репаративной регенерации костной ткани и возможностей влияния на этот процесс остеотропной терапии.
Ключевые слова: переломы костей, замедленная консолидация, остеотропная терапия.
Проблема лечения переломов костей, несмотря на несомненный прогресс в области травматологии и ортопедии, сохраняет свою актуальность. Рост частоты переломов, постепенное увеличение удельного веса в структуре травматизма множественных и сочетанных, в том числе высокоэнергетических, повреждений требуют совершенствования существующих методов лечения, которое должно позволить даже при тяжелой травме обеспечить достижение максимально возможного функционального восстановления пострадавших, сократить частоту неблагоприятных функциональных результатов.
Помимо совершенствования способов репозиции и фиксации, актуальным направлением современных исследований является изучение механизмов репаратив-ной регенерации костной ткани и способов влияния на нее. В настоящее время в этом плане активно изучаются возможности применения мезенхимальных стволовых клеток, факторов роста для лечения замедленной консолидации переломов и ложных суставов [2, 5, 6]. Целый ряд исследований посвящен вопросам эффективности остеотропной терапии и целесообразности ее включения в комплекс лечения пострадавших с переломами костей или нарушением консолидации переломов [4, 8, 9]. Однако эти сообщения, при всей их важности, достаточно разрозненны, каждое из них включает ограниченное число наблюдений и рассматривает отдельные аспекты проблемы достижения консолидации переломов.
В 2008—2009 гг. совместными усилиями сотрудников ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко АМН Украины», ГУ «Институт травматологии и ортопедии АМН Украины», НИИ травматологии и ортопедии Донецкого национального медицинского университета им. М. Горького, кафедры
травматологии и ортопедии Днепропетровской государственной медицинской академии при поддержке компании «Евромедекс Франс» было проведено масштабное исследование по изучению причин и видов переломов костей, сроков оказания специализированной помощи, сроков консолидации переломов, влияния на процессы консолидации переломов различной остеотропной терапии [10].
Некоторые из полученных результатов при подведении итогов исследования оказались в определенной степени неожиданными. Так, выяснилось, что, несмотря на расширение сферы применения и совершенствование технологии различных вариантов остео-синтеза, в 59,8 % наблюдений лечение переломов было консервативным. Больше половины пострадавших не получали физиотерапевтического лечения и квалифицированной ЛФК. Особенную настороженность вызывает то, что, согласно полученным данным, у 32,7 % пациентов отмечено увеличение сроков консолидации переломов в сравнении с данными В.И. Гонгальского и соавт. [7]. Причем замедленная консолидация переломов отмечалась во всех возрастных группах. И это при том, что, по данным этого же исследования, 88,3 % пострадавших получали остеотропную терапию. Столь высокая частота замедленной консолидации переломов однозначного объяснения не нашла, что требует более глубокого анализа полученных данных, в том числе влияния возраста пациентов и характера осте-отропной терапии на срок консолидации переломов различной локализации.
Исходя из этого, целью данного сообщения стал сравнительный анализ частоты нарушений консолидации переломов у пациентов разных возрастных групп, получавших остеотропную терапию и не получавших ее.
