CC BY
28
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ
УДК 616.71-001.5-089.227.84-071
Н.Е. Агафонов В.Г. Виноградов 2, Е.А. Халиман 3
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННЫХ СОСТОЯНИЙ СИСТЕМЫ «ПОВРЕЖДЕННЫЙ КОСТНЫЙ СЕГМЕНТ - АППАРАТ ВНЕШНЕЙ ФИКСАЦИИ»
С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА НА ЭТАПЕ ФОРМИРОВАНИЯ ВНЕШНЕЙ РАМЫ
1 Центральная медико-санитарная часть № 28 Федерального медико-биологического
агентства (Ангарск)
2 Иркутский государственный медицинский университет (Иркутск) 3 Городская клиническая больница № 3 (Иркутск)
С помощью программного комплекса MSC.Nastmn, расчетная часть которого базируется на методе конечных элементов (МКЭ), были выполнены, исследования жесткости, аппарата внешней фиксации, предназначенные для. фиксации костных отломков.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, аппарат внешней фиксации, открытый перелом
RESEARCH OF DEFLECTED MODES OF SYSTEM “INJURED BONE SEGMENT -EXTERNAL FIXATION DEVICE” WITH THE HELP OF SOFTWARE-BASED COMPLEX OF FINITE ELEMENTAL ANALYSIS ON THE REVERSE ENGINEERING SOFTWARE ON THE STAGE OF EXTERNAL FRAME FORMING
N.E. Agafonov V.G. Vinogradov 3, E.A. Khaliman 3
1 Central Medicosanitary Department N 28 of Federal Medicobiological Agency, Angarsk
2 Irkutsk State Medical University, Irkutsk
3 Municipal Clinical Hospital N 3, Irkutsk
With the help of software-based complex MSC.Nastran that contains calculating part based, on finite element method. (FEM) we carried out the researches of rigidity of external fixation device for fixation of bones' fragments.
Key words: computer modeling, external fixation device, open fracture
В настоящее время для анализа напряженно-деформированного состояния различных конструкций и их элементов все большее распространение получают программные комплексы инженерного анализа, основанные на методе конечных элементов (МКЭ). Они позволяют выполнять расчет статических напряжений и деформаций, устойчивости, обеспечивают определение собственных частот и форм колебаний. Точность решения задач с использованием МКЭ зависит от факторов, которые условно можно разделить на три группы: точность описания физической модели (постановка задачи), дискретизация тела на конечные элементы и точность вычислений.
МКЭ используется в медицинских исследованиях, в том числе по отдельным вопросам внешней фиксации. Исследуются преимущественно частные вопросы по подбору фиксирующих элементов для отдельных локализаций [5, 6], вопросы спицевой фиксации [8, 9, 11], материал и параметры стержней. Е. УПтаг е1 а1. (2003) использовали модели-
рование на основе МКЭ при поиске оптимальной конструкции аппарата для фиксации перелома большеберцовой кости [10].
Программные комплексы конечно-элементного анализа в настоящее время являются мощным инструментом в руках исследователей, обеспечивая высокую точность и достоверность моделирования различных объектов, не уступающую методам натурного моделирования.
Целью эксперимента являлось получение качественной и количественной картины деформированного состояния системы внешней рамы АВФ под действием внешней нагрузки. Для достижения цели были проведены следующие этапы исследования:
1) анализ литературных данных по рациональному варианту введения костных элементов АВФ в системе «поврежденный костный сегмент — АВФ»;
2) выбор физических свойств материалов, приближенных к натуральным величинам, и по-
строение геометрических моделей системы «поврежденный костный сегмент — АВФ»;
3) проведен анализ результатов численного эксперимента и выявлены варианты рационального использования формы стержней их и диаметр, размеры секторов, размеры и количество шпилек, обеспечивающие минимальное деформированные состояния системы «поврежденный костный сегмент — АВФ»;
4) на основании полученных теоретических данных сформирована внешняя рама АВФ, обеспечивающая минимально деформированные состояния системы «поврежденный костный сегмент — АВФ»;
5) проведен анализ клинического применения разработанных аппаратов на основе компьютерного моделирования.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
С помощью программного комплекса MSC. Nastran, расчетная часть которого базируется на МКЭ, были выполнены исследования жесткости АВФ, предназначенных для фиксации костных отломков.
В работу включены результаты лечения 30 пациентов с открытыми диафизарными переломами костей голени методом чрескостного компрессионно-дистракционного остеосинтеза, проходивших стационарное лечение в ГКБ № 3 г. Иркутска в 2001 —2005 гг. и ЦМСЧ-28 г. Ангарска в 2006 — 2008 гг. В данной группе открытые диа-физарные переломы костей голени чаще наблюдались у 22 (66,7 %) мужчин в возрасте 21—50 лет и у 5 (16,7 %) женщин в возрасте 41—60 лет. Преобладали открытые диафизарные переломы костей голени I (8 (26,7 %) случаев) и II (14 (46,7 %) случаев) типа, А (10 (33,3 %) случаев) и Б (19 (63,3 %) случаев) степени по классификации А.В. Каплана и О.Н. Марковой, локализующиеся в большинстве случаев в средней (17 (56,7 %)) и нижней (11 (36,6 %)) трети диафиза. Пострадавшие с монотравмой (11 (36,6 %) человек) были в возрасте 21—50 лет; наиболее часто множественная травма встречалась в возрастной группе 31—40 лет (4 (13,3 %) случая), сочетанная травма — в возрастной группе 21—30 и 41—50 лет (4 (13,3 %) случая). В данной группе практически в одинаковой степени применялись стержневые и комбинированные аппараты внешней фиксации — 14 (46,7 %) и 16 (53,3 %) случаев соответственно.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Дискретизация стержневых конструкции проводилась с использованием линейных конечных элементов типа «beam». Костный отломок моделировался трубчатым стержнем с наружным диаметром 20 мм, внутренним диаметром 14 мм, длиной 125 мм, количество конечных элементов — 23. Стальные стержни имели диаметр 5, 6 и 7 мм, длину 70 мм, количество конечных элементов — 13. В моделях использовалось два типа материалов деформируемой среды: сталь (Е = 190000
МПа; [1 = 0,27) и кость (Е = 21000 МПа; [1 = 0,3) (Е — модуль упругости Юнга; [1 — коэффициент поперечной деформации Пуассона). Закрепление стержней в костном отломке принималось жестким (жесткая заделка), на свободных концах стержней также устанавливались жесткие опорные узлы.
Нагрузка прикладывалась на конец костного отломка — в «месте перелома». В качестве внешней нагрузки рассматривались три силовых фактора по 500 Н, действующих в пространственной системе координат X, У, Z (ось Х направлена по продольной оси костного отломка). В ходе исследования определялись линейные смещения центра тяжести сечения костного отломка в месте перелома (точка А) по осям X, У, Z раздельно под действием каждого силового фактора. Возникающие при действии каждой силы деформации в месте перелома разложены на проекции по трём осям X, У, Z. Смещения более 2 мм считались значительными.
Были созданы и приняты к исследованию модели подсистемы АВФ для фиксации одного отломка, содержащие в качестве фиксирующих элементов по три чрескостных стержня. Первый стержень вводится в сагиттальной плоскости с отступом от линии перелома на 3 — 4 см кнутри от переднего края большеберцовой кости на 1 — 1,5 см с наклоном стержня в сторону перелома на 30°; второй — с максимальным удалением от первого с наклоном стержня в противоположную сторону; третий — во фронтальной плоскости с внутренней стороны, отступив от линии перелома на 4 — 5 см, что соответствует варианту 60 — 90 — 5 [3, 4].
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ
Вклад отдельных элементов АВФ в смещение костных фрагментов определен путем поочередного введения параметров, увеличивающих отдельные элементы АВФ в 100 раз. При этом установлено, что наибольший вклад в смещение вносят стержни (76,1 %) и сектора (33,1 %). На третьем месте стоят шпильки, которые вносят 14,6 % в смещение костных фрагментов.
При изучении смещения в месте перелома в зависимости от диаметра стержней за 100 % были приняты смещения модели со стержнями из 100 Е. При этом установлено, что стержни с большим диаметром менее подвержены деформациям, т.е. стержни с диаметром 6 мм дают меньшие деформации, чем стержни с диаметром 5 мм. Дальнейшее увеличение диаметра стержня, по сравнению со стержнем 6 мм, оказывает влияние на жесткость модели, но повышает травматич-ность операции.
В целом вклад стержней в жесткость системы большой: 53 — 76 % для стержней с диаметром 5 мм и 40 — 63 % для стержней с диаметром 6 мм. Выигрыш по смещениям при увеличении диаметра
стержня от 5 до 6 мм — 26 — 53 % при действии сил по разным осям.
Стержни с большим диаметром и утолщением хвостовика менее подвержены деформациям, т.е. стержни с диаметром 6 мм и утолщением хвостовика до 8 мм дают меньшие деформации, чем стержни с диаметром 5 мм. Но по сравнению со стержнями с диаметром 6 мм, утолщение хвостовика на 2 мм уменьшает смещение с 12,2 до 16,8 % по осям X, У, Z. Рассматривалось условие утолщения 2 см стержня, начиная от места крепления.
При изучении смещения в месте перелома в зависимости от толщины стальных секторов и замещающих материалов установлено, что замена стальных секторов на сектора из В95 той же толщины увеличивает смещения на 18 — 33 %. Секторы с толщиной 7 мм из сплава В95 демонстрируют сопоставимые цифры смещений со стандартными стальными секторами толщиной 5 мм. Плотность сплава В95 — около 2,8 г/см3, стали — около 7,8 г/см3, то есть предлагаемый алюминиевый сплав легче в 2,79 раза. С учетом увеличения толщины на 40 % секторы из В95 будут легче, чем стальные, в 2 раза. Уменьшение толщины стальных секторов резко увеличивает смещения в месте перелома.
Вклад стальных шпилек с резьбой М6 в смещение в месте перелома у данной модели при действии сил по осям X, У, Z составляет 0,468 (14,6 %), 1,39 (56,5 %) и 0,65 мм (41,9 %) соответственно. По мере увеличения диаметра шпильки смещения пропорционально уменьшаются. Уменьшение диаметра шпильки увеличивает смещение в разы, что показательно при применении шпилек из несоответствующих материалов.
На основании исследования напряженно-деформированных состояний системы «поврежденный костный сегмент — АВФ» согласно принципу «необходимого и достаточного» нами установлено, что:
1) наиболее рациональный вариант разброса стержней составляет от 60 до 90 градусов, что соответствует 1/4 периметра окружности;
2) рациональное использование секторов должно соответствовать 1/3 периметра окружности, что обеспечит свободное размещение соединительных штанг как внутри подсистемы, так и между подсистемами;
3) больным с весом до 70 кг целесообразно использовать стержни диаметром 5 мм, при которых напряженно-деформированные состояния системы «поврежденный костный сегмент — АВФ» не превышают 2 мм. У больных с большим весом целесообразно использовать стержни большего диаметра или стержни с утолщением хвостовика;
4) при установке стержней является рациональным использование комплекса деталей, обеспечивающих максимальную возможность перемещения и наклона стержней и снимающих напряженно-деформированные состояния.
5) секторы толщиной 7 мм из сплава В95 демонстрируют сопоставимые цифры смещений
со стандартными стальными толщиной 5 мм. Плотность сплава В95 — около 2,8 г/см3, стали — около 7,8 г/см3, то есть предлагаемый сплав легче в 2,79 раза. С учетом увеличения толщины на 40 % секторы из В95 будут легче стальных в 2 раза;
6) уменьшение диаметра шпильки увеличивает смещения в разы, что также очень иллюстративно в плане применения шпилек из несоответствующих материалов.
Результатом наших исследований стала разработка «Аппарата внешней фиксации для лечения переломов, ложных суставов и несросшихся переломов костей» (патент на изобретение РФ № 2297805) [1, 7], с помощью которого было прооперировано 30 пациентов в основной группе.
Клиническая эффективность применения разработанных вариантов формирования внешней рамы с повышенной жёсткостью фиксации, по сравнению с группой клинического сравнения, выражается в снижении частоты воспалительных осложнений на 22,5 %, вторичных смещений костных фрагментов — на 23,3 %, контрактуры смежных суставов при переломах костей голени — на 38,5 %, замедленного сращения — на 16,2 %.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аппарат внешней фиксации для лечения переломов, ложных суставов и несросшихся переломов костей [Текст] : пат. 2297805 Рос. Федерация : МПК A61B17/60 / Виноградов В.Г., Агафонов Н.Е., Халиман Е.А., Ивлев Б.В., Кобелев И.А. — № 2005109002/14 ; заявл. 30.03.2005 ; опубл. 10.09.2006.
2. Виноградов В.Г., Лапшин В.Л., Ивлев Б.В., Халиман Е.А. Оптимизация методов внеочагового остеосинтеза переломов ключицы на основе математической модели. // Тезисы международной конференции «Травматология и ортопедия третьего тысячелетия». — 2008. — С. 41—42.
3. Виноградов В.Г., Халиман Е.А., Ивлев Б.В., Очиров А.М. и др. Оптимизация стержневых аппаратов внешней фиксации на основе компьютерного моделирования (экспериментальноклиническое исследование) // Тезисы международной конференции «Травматология и ортопедия третьего тысячелетия». — 2008. —
С. 232-234.
4. Халиман Е.А., Виноградов В.Г. Возможности повышения эффективности лечения диафизарных переломов длинных костей стержневыми аппаратами внешней фиксации // Бюллетень ВСНЦ СО РАМН. - 2008. - № 4. - С. 50-54.
5. Oh J.K., Lee J.J., Jung D.Y., Kim B.J. et al. Hybrid external fixation of distal tibial fractures: new strategy to place pins and wires without penetrating the anterior compartment // Arch. Orthop. Trauma Surg. - 2004. - Vol. 124 (8). - P. 542-546.
6. Vazquez A.A., Lauge-Pedersen H., Lidgren L., Taylor M. Finite element analysis of the initial stability of ankle arthrodesis with internal fixation: flat cut versus intact joint contours // Clin. Biomech. - Bristol - Avon, 2003. - Vol. 18 (3). - P. 244-253.
7. Vinogradov V.G., Agafonov N.E., Ivlev B.V., Khaliman E.A. A device for treatment of bone fractures, Pseudarthroses and non-unions // 5th meeting of the A.S.A.M.I. International. — St. Petersburg, 2008. — P. 87.
8. Watson M.A., Matthias K.J., Maffulli N., Hukins
D.W. The effect of clamping a tensioned wire: implications for the Ilizarov external fixation system // Proc. Inst. Mech. Eng. [H]. - 2003. - Vol. 217 (2). - P. 91-98.
9. Watson M.A., Matthias K.J., Maffulli N., Hukins D.W. Yielding of the clamped-wire system in
the Ilizarov external fixator // Proc. Inst. Mech. Eng. [H]. - 2003. - Vol. 217 (5). - P. 367-374.
10. Yilmaz E., Belhan O., Karakurt L., Arslan N. et al. Mechanical performance of hybrid Ilizarov external fixator in comparison with Ilizarov circular external fixator // Clin. Biomech. - Bristol - Avon, 2003. - Vol. 18 (6). - P. 518-522.
11. Zhang G. Avoiding the material nonlinearity in an external fixation device / G. Zhang // Clin. Biomech. - Bristol - Avon, 2004. - Vol. 19 (7). - P. 746-750.
Сведения об авторах
Агафонов Николай Евгеньевич - врач травматолог-ортопед ФГУЗ ЦМСЧ-28 ФМБА (665824, г. Ангарск, квартал 208, а/я 443; тел.: 8 (3955) 54-06-19).
Виноградов Валентин Георгиевич - д.м.н., профессор, заведующий кафедрой травматологии, ортопедии с курсами ВПХ, нейрохирургии и мануальной терапии ИГМУ.
Халиман Евгений Александрович - врач травматолог-ортопед ГКБ № 3 (664007, г. Иркутск, ул. Тимирязева, 31: тел.: 8 (3952) 20-96-44).
