Научная статья на тему 'Математическое обоснование использования разных методик остеосинтеза патологического перелома проксимального отдела бедренной кости при лечении метастатических опухолей длинных костей конечностей'

Математическое обоснование использования разных методик остеосинтеза патологического перелома проксимального отдела бедренной кости при лечении метастатических опухолей длинных костей конечностей Текст научной статьи по специальности «Клиническая медицина»

CC BY
174
33
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Травма
Область наук
Ключевые слова
МЕТАСТАТИЧНЕ УРАЖЕННЯ КіСТОК КіНЦіВОК / ПРОКСИМАЛЬНИЙ ВіДДіЛ СТЕГНОВОї КіСТКИ / ПАТОЛОГіЧНИЙ ПЕРЕЛОМ / БіОМЕХАНіЧНИЙ АНАЛіЗ / МЕТАЛООСТЕОСИНТЕЗ / МЕТАСТАТИЧЕСКОЕ ПОРАЖЕНИЕ КОСТЕЙ КОНЕЧНОСТЕЙ / ПРОКСИМАЛЬНЫЙ ОТДЕЛ БЕДРЕННОЙ КОСТИ / ПАТОЛОГИЧЕСКИЙ ПЕРЕЛОМ / БИОМЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ / МЕТАЛЛООСТЕОСИНТЕЗ / METASTATIC DISEASE OF LIMBS / PROXIMAL FEMUR / PATHO-LOGICAL FRACTURE / BIOMECHANICAL ANALYSIS / OSTEOSYNTHESIS

Аннотация научной статьи по клинической медицине, автор научной работы — Лазарев И.А., Ильницкий А.В., Проценко В.В., Скибан М.В.

Метастатическое поражение костей является тяжелым осложнением онкологической болезни. Метастазы в кости наблюдаются у 17-50 % больных с солидными злокачественными опухолями и являются третьей по частоте локализацией после метастатического поражения легких и печени. Основными клиническими проявлениями метастатического поражения костей является боль, патологические переломы, возникающие в 8-30 % случаев, компрессия спинного мозга и гиперкальциемия, что в значительной степени определяет тяжесть состояния больного, а в ряде случаев является причиной летальности. Выбор методики остеосинтеза при метастатическом поражении длинных костей конечностей является актуальным в связи с тем, что нужна надежная фиксации отломков кости, так как в большинстве случаев сращение кости не происходит. Проведено биомеханическое исследование с испытанием на прочность и жесткость нативной модели бедренной кости с имеющимся полым дефектом в проксимальном ее отделе тремя различными вариантами металлофиксаторов: проксимальным бедренным стержнем, накостная пластина и аппарат внешней фиксации Костюка. Сравнивая показатели напряжений на фрагментах модели бедренной кости между собой, следует отметить, что при применении аппарата внешней фиксации Костюка наблюдается рост значений напряжений почти в 2 раза по сравнению со значениями при применении проксимального бедренного стержня и накостной пластины. Значения напряжений на кости при применении аппарата внешней фиксации превышают порог прочности кортикальной ткани. Показатели напряжений на элементах фиксации растут почти в 9 раз при применении аппарата внешней фиксации Костюка по сравнению со значениями при применении проксимального бедренного стержня и в 3 раза при использовании накостной пластины. Значения напряжений на металлических конструкциях при применении аппарата внешней фиксации Костюка не превышают порог их прочности. Сравнивая полученные показатели перемещений в целом всей модели бедренной кости, то есть проксимального ее отдела относительно закрепленного дистального отдела, можно наблюдать почти равнозначные показатели при применении проксимального бедренного стержня и накостной пластины. Показатели перемещений при применении аппарата внешней фиксации Костюка почти в 2 раза выше, чем при применении проксимального бедренного стержня и накостной пластины. Во всех вариантах фиксации происходит перераспределение нагрузки на металлические конструкции фиксаторов, то есть основную функцию удерживания несет на себе фиксатор, тем самым разгружая именно кость и участок ее перелома. В результате экспериментального исследования установлено, что более надежную фиксацию отломков обеспечивают проксимальный бедренный стержень и накостная пластина. Аппарат внешней фиксации Костюка в данных условиях справляется с поставленной задачей хуже. Происходит значительная деформация стержней аппарата со смятием кости в области перелома и увеличением подвижности отломков. Данные экспериментального исследования могут быть рассмотрены как вариант выбора методики остеосинтеза у больных с метастатическим поражением костей конечностей.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по клинической медицине , автор научной работы — Лазарев И.А., Ильницкий А.В., Проценко В.В., Скибан М.В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Mathematical Background for Different Methods of Osteosynthesis of the Proximal Femur Fracture for the Treatment of Pathological Metastatic Tumors of Long Bones

Metastatic bone disease is a serious complication of cancer disease. Bone metastases occur in 17-50 % of patients with solid malignant tumors and are the third most common localization of metastatic lesions after the lungs and liver. The main clinical manifestations of metastatic bone disease are pain, pathological fractures, occurring in 8-30 % of cases, spinal cord compression, and hypercalcemia, which largely determines the severity of the patient’s condition and in some cases is the cause of mortality. Selection of osteosynthesis techniques in metastatic lesions of the long bones of the limbs is relevant due to the necessity of a reliable fixation of bone fragments, as in most cases the bone fusion occurs. A biomechanical study was held to test the strength and stiffness of the native model of the femur, with the existing hollow defect in its proximal section, using three different kinds of metal fixation apparatus: proximal femoral stem, extramedullary plate and Kostiuk external fixation apparatus. Comparing the performance of stress on fragments of the model of the femur it should be noted that in cases of Kostiuk external fixation apparatus application stress values doubled compared to the values at the proximal femoral shaft and extramedullary plate. The stress value on the bone while external fixation application exceeds the threshold strength of cortical tissue. Indicators of stress in the fixing elements grow almost 9 times with the use of Kostiuk external fixation apparatus compared to the va-lues at the application of the proximal femoral shaft and 3 times while using extramedullary plate. The value of the stress on the metal structures in cases of Kostiuk external fixation apparatus does not exceed the threshold of their strength. Comparing the movement of indicators as a whole throughout the femur model, such as the proximal area regarding its fixed distal area, almost equivalent performance in the application of the proximal fe-moral shaft and extramedullary plate is observed. Indicators of movement while using the Kostiuk external fixation apparatus are almost 2 times higher than with the proximal femoral shaft and extramedullary plate. All fixing methods are associated with the load redistribuion on the metal structures of clamps, that is a clamp has a basic function of holding, that relieves bone and fracture. As a result of the pilot study it was found that the proximal femoral shaft and extramedullary plate provide more reliable fixation of fragments. Kostiuk external fixation devices under these conditions cope with the task worse. There is observed a considerable strain of rod apparatus with crumpled bone in the fracture fragments and the increase in mobility. These pilot studies can be considered as an option to choose proper osteosynthesis technique in patients with metastatic bone lesions.

Текст научной работы на тему «Математическое обоснование использования разных методик остеосинтеза патологического перелома проксимального отдела бедренной кости при лечении метастатических опухолей длинных костей конечностей»

Орипнальы дослдження

Original Researches

УДК 616.718.4-033.2-001.5-089.227.84 DOI: 10.22141/1608-1706.5.17.2016.83876

ЛАЗАРЕВ I.A., 1ЛЬН1ЦЬКИЙ О.В., ПРОЦЕНКО В.В., СКИБАН М.В.

ДУ «1нститут травматологи та ортопедИ НАМН Украни», м. Кив, Украна

МАТЕМАТИЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ ЗАСТОСУВАННЯ Pi3HMX МЕТОДИК ОСТЕОСИНТЕЗУ ПАТОЛОПЧНОГО

ПЕРЕЛОМУ ПРОКСИМАЛЬНОГО В^ЛУ СТЕГНОВО1 КiСТКИ ПРИ ЛiКУВАHHi МЕТАСТАТИЧНИХ ПУХЛИН ДОВГИХ КiСТОК КiHЦiВОК

Резюме. Метастатичне ураження ксток е тяжким ускладненням онколопчно! хвороби. Метастази в кстки ви-являються у 17-50 % хворих i3 сол'дними злояксними пухлинами та е третьою за частотою локалзацею псля метастатичного ураження легень i печнки. Основними клнчними проявами метастатичного ураження ксток е бль, патолопчн переломи, що виникають у 8-30 % випадкв, компреая спинного мозку та пперкальцем'т, що значною м/'рою визначае тяжксть стану хворого, а в ряд випадкв е причиною летальност. Вибр методики осте-осинтезу при метастатичному ураженндовгихкстоккнцвок е актуальним узв'язкуз тим, що потр'бна надйна фксаця в^амкв кстки, тому що в бльшост випадкв зрощення кстки не в'дбуваеться. Проведено бюмеханЫне дослдження з випробуванням на мцнсть i жорстксть нативно! моделi стегново! кстки з наявним порожнистим дефектом у проксимальному!! вiддiлi трьома рзними вар'юнтами металоф'ксатор'в: проксимальним стегновим стрижнем, накстковою пластиною та апаратом зовншньо! фксац! Костюка. Порiвнюючи показники напру-жень на фрагментах модел стегново! кстки мж собою, слд в'дм'тити, що при застосуванн апарата зовншньо! фксаци Костюка спостергаеться зростання значень напружень майже у 2 рази порвняно зi значеннями при застосуванн проксимального стегнового стрижня та накстково! пластини. Значення напружень на кстц при застосуванн апарата зовншньо! фксац! перевищують порг мцност кортикально! тканини. Показники напружень на елементах фксац! зростають майже у 9 разiв при застосуванн апарата зовншньо! фксац! Костюка порвняно ¡з значеннями при застосуванн проксимального стегнового стрижня та у 3 рази при використанн накстково! пластини. Значення напружень на металевих конструкцях при застосуванн апарата зовншньо! фксац! Костюка не перевищують порг !х мцност. Порiвнюючи отриманi показники перемщень цлком усе! моделi стегново! кстки, тобто проксимального !! в!д длу вдносно закрпленого дистального в!д длу, можна спо-стергати майже р'внозначн показники при застосуванн проксимального стегнового стрижня та накстково! пластини. Показники перемщень при застосуванн апарата зовншньо! фксаци Костюка майже у 2рази вище, нж при застосуванн проксимального стегнового стрижня та накстково!пластини. В уах вар'юнтах фксац! в'дбуваеться перерозподл навантаження на металевi конструкц! фiксаторiв, тобто основну функцю утримання несе на собi фксатор, тим самим розвантажуючи саме кстку та длянку!! перелому. В результат експеримен-тального дослдження встановлено, що бльш надйну фксацю уламкв забезпечують проксимальний стегно-вий стрижень та наксткова пластина. Апарат зовншньо! фксаци Костюка в даних умовах справляеться з по-ставленим завданням прше. В'дбуваеться значна деформаця стрижнiв апарата з зминанням кстки у длянц перелому та збльшенням рухливост в'1дламкв. Дан експериментального дослдження можуть бути розглянут'1 як вар'юнт вибору методики остеосинтезу у хворих ¡з метастатичним ураженням ксток кнцвок. Ключовi слова: метастатичне ураження ксток кнцвок, проксимальний в'1ддл стегново! кстки, патологчний перелом, б'юмехан'чний анал'а, металоостеосинтез.

Адреса для листування з авторами: Лазарев 1гор Альбертович

ДУ «1нститут травматологй та ортопеди НАМН Украши», лабораторш бюмехашки,

вул. Бульварно-Кудрявська, 27, м. Ки!в, 01061, Украша E-mail: ilazarev@ukr.net

© Лазарев I.A., 1льнщький О.В., Проценко В.В.,

Скибан М.В., 2016 © «Травма», 2016 © Заславський О.Ю., 2016

Травма

Вступ

Актуальнiсть дослщження обумовлена тим, що мета-статичне ураження исток е тяжким ускладненням онко-лопчно! хвороби [1, 6]. Метастази в истки виявляються у 17—50 % хворих iз солщними злояисними пухлинами та е третьою за частотою локал!защею пiсля метастатичного ураження легень i печiнки [7, 8]. Ураження хребта мета-статичними пухлинами зустрiчаеться у 70 % хворих, исток таза та инщвок — у 40 %, длянки кульшового суглоба — у 25 % [8]. Основними клЫчними проявами метастатичного ураження исток е бть, патолопчш переломи, що ви-никають у 8—30 % випадив, компреая спинного мозку та гiперкальцiемiя, що значною мiрою визначае тяжисть стану хворого, а в ряд! випадив е причиною летальносп [10, 11, 14]. Хрурпчне лшування исткових метасгаз1в останшм часом вважаеться виправданим як зааб полiпшення якос-тi життя та пщвищення виживаностi, а в деяких випадках i виведення пацiентiв в стшку ремiсiю [4, 7]. При патолопч-них переломах исток на тлi метастатичного ураження хь рупчне лiкування е палiативним методом у комплексному лкуванш хворих iз метастазами в истки, вщграе важливу роль в адаптацй хворих i полегшенш проведення в подаль-шому лкувальних манiпуляцiй [4, 6, 10]. На сьогодш в он-коортопед! мрурпчш методи лiкування метастатичного ураження исток, в тому чит при патолопчних переломах, представленi ендопротезуванням, черезистковим ос-теосинтезом, iнтрамедулярним i наистковим остеосинте-зом, як допомiжнi засоби для заповнення дефекпв исток використовуються алотрансплантати, автотрансплантати та истковий цемент [2, 3, 9, 10, 13, 15, 16]. При плануван-ш хiрургiчного лiкування патолопчних переломiв довгих трубчастих исток на тлi метастатичного ураження вра-ховуеться наступне: метод фксаци повинен забезпечити достатню стабiльнiсть в раннi термши пiсля хiрургiчного втручання, зрощення в длянц перелому не вщбуваеться, фшсащя уламив истки повинна бути задовтьною до ин-ця життя хворого [8]. Уам цим пояснюеться необхщшсть розробки малотравматичних методов хiрургiчного втручання iз застосуванням черезисткового позавогнищевого ос-теосинтезу та армованого остеосинтезу, як! спрямованi не на консолщацш, а на стабiльну фiксацiю исткових фраг-мент1в, що призводить до зменшення або повного пригнь чення больового синдрому, вщновлення опороздатностi та функцй инщвки, дае можлив!сть у максимально раннш актив!заци хворих у шсляоперацтному перiодi та дозволяе проводити специфiчне лiкування на наступному еташ.

Мета дослщження: пор!вняльний аналiз надшносп фшсац!! патологiчного перелому проксимального вщдь лу стегново! истки моделей штрамедулярного блокова-ного остеосинтезу, наисткового армованого остеосинтезу та черезисткового позавогнищевого остеосинтезу.

Матер1али та методи

Для проведення пор!вняльного aнaлiзу надiйностi фксацй исткових вщламив при пaтологiчному перелом! проксимального вщдлу дiaфiзa стегново! истки з на-явшстю исткового дефекту використовували акшальш сшральш комп'ютерш томограф!чш скани нативно! стегново! истки, з яких за допомогою програмного пакета

Mimics в автоматичному та нащвавтоматичному режимах вщтворено просторову геометрiю проксимального вiддiлу стегново! истки. На наступному еташ комп'ютерну модель стегново! истки в полшшях мпортовано у сере-довище SolidWorks, де за допомогою вщповщних iнструментiв створено iмiтацiйнi 3D-моделi проксимального вiддiлу стегново! истки з истковим дефектом, патолопчним переломом та трьома рiзними варiантами металофiксаторiв: проксималь-ний стегновий стрижень (1-й варiант), наисткова пластина (2-й вар1ант) та апарат зовшшньо! фксаци Костюка (3-й ва-р1ант), що е засобами остеосинтезу у повсякденнт практиц1 л1кар1в ортопед1в-травматолог1в та забезпечують стабiльну ф1ксацш исткових фрагмент1в, зменшують 1нтенсивн1сть болю, тим самим сприяючи вщновленню функц1ональних можливостей та опороздатносп инщвки (рис. 1, 2). У 1-му та 2-му вар1антах истковий дефект заповнено истковим цементом (метилметакрилат).

Для спрощення модел1 блокуюч1 гвинти проксимального стегнового стрижня (1-й вар1ант) спроек-товано без р1зьби, але п1дчас розрахунк1в !! наявн1сть враховували.

Подальш1 розрахунки напружено-деформованого стану (НДС) моделей здшснювали у програмному паке-т1 ANSYS методом скiнченних елеменпв (СЕ), який на-був поширення як чисельний метод ршення крайових задач мехашки суцiльних середовищ, ор1ентований на використання ЕОМ [12]. У розрахунках застосовували ф1зичн1 властивост1 истково'! тканини та матер1ал1в, що отримаш з л1тературних джерел [5, 17] (табл. 1).

Таблиця 1. Ф1зичн1 властивост! кютково/

тканини

Тип кютки Модуль Юнга, Па Коефщент Пуассона

Кортикальний шар 17,6е9 0,3

Спонгюзний шар 5,0е8 0,28

Метилметакрилат 2,2е9 0,35

Титан ВТ-16 i ВТ-6 1,12е11 0,32

Медична сталь 17Х18Н9 2е11 0,3

Шсля визначення в'язко-пружних фотропних) ме-хан1чних властивостей, контактного зв'язку м1ж ус1ма елементами бюмехашчно! конструкци та зазначення початкових i граничних умов у нашвавтоматичному режим! згенеровано синченно-елементну сггку для вс1х моделей. Для пщвищення точност1 розрахунк1в с1тку в дтянках контакт1в було згущено (рис. 3). Граничш умови закр1плення та навантаження наведеш на рис. 4. Як навантаження модел1 прийнято д1ю перераховано! маси т1ла F = 750 Н (для середньостатистично! маси тта людини 75 кг у положенш стоячи на одн1й ноз1). Вплив м'язово! активност1 не враховувався.

Критер1ями для проведення пор1вняльного аналь зу обрано отримаш шляхом розрахунив значення ш-тенсивност1 напружень (за М1зисом), загальн1 пере-м1щення модел1 та перемщення (Total Deformations) у площиш перелому (рис. 5). Значення напружень

Д Орипнальы досл1дження / Ог1д1па! РезеагсИез

В

Рисунок 1. Типи металоф'ксатор'т: А — проксимальний стегновий стрижень (1-й вар'ант); Б — нак!сткова пластина (2-й вар'ант); В — апаратзовн!шньо/ ф!ксацИ Костюка (3-й варант)

Рисунок 2. Вар'/анти остеосинтезу: А — ф!ксац!я проксимальним стегновим стрижнем (1-й вар'ант); Б — ф!ксац!я нак!стковою пластиною (2-й вар'ант); В — ф!ксац!я стрижневим апаратом зовшшньоУ ф!ксацИ Костюка (3-й варант)

Мiзиса визначали на центральному та перифершно-му фрагментах в дiлянцi перелому стегново! ыстки, а також на елементах фшсаци. Границi мiцностi ыстки шдивщуально варiюють, тому нами прийнято поро-говi значення напружень (пор!г мiцностi) для кортикального шару стегново! ыстки — 10 МРа, а для губчастого — 4,5 МРа. Для забезпечення мщносп елеменпв фшсацп за пороговi показники прийнято значення напружень для сталi 17Х18Н9 — яы не пе-ревищують 568 МРа, для титану ВТ-6 — якi не пере-вищують 590 МРа.

Результати та Тх обговорення

Отримaнi результати розрахуиыв НДС моделi з 1-м вaрiaнтом ф^ксаци нaведенi на рис. 6. Епюри максималь-них напружень на стегновш кiстцi локaлiзовaнi у дтянщ перелому, з показниками 9,18 МРа. Концентрация напружень спостерiгaeться по всш окружностi контакту проксимального стегнового стрижня з внутрiшньою стшкою дiaфiзa стегново! истки, з показниками 8,83 МРа. У мю-цях введення гвинттв на кортикaльнiй истщ спостерта-ються невелик! напруження — до 1,5 МРа. На проксимальному стегновому стрижи! максимальш показники

Рисунок 3. Ск!нченно-елементн! розрахунков! модели А — 1-й вар'/ант ф!ксацИ (728 385 вузл'в I 369 672 елементи); Б — 2-й вар'/ант ф!ксацИ (802 835 вузлiв i 484 166 елемен^в); В — 3-й вар'/ант ф!ксацИ (2 439 675 вузлiв i 689 184 елементи)

Рисунок 4. Граничн! умови

напружень 15,13 МРа локалiзованi в дщянщ введення нижнього блокуючого гвинта. В зош перелому показни-ки напружень на стрижш становлять 5,36 МРа.

Показники загальних перемiщень (Total Deformation) моделi становили 0,103 мм (рис. 7). Тобто шд дieю навантаження проксимальний вщдт стегново! истки вщхилився вщ початкового положення на 0,103 мм вщ-носно закршленого дистального вщдту стегново! истки. Перемщення центрального фрагмента вщносно пери-фершного по площинi перелому за вюсю Х становили 0,074 мм, Y — 0,14 мм, Z — 0,29 мм. Вщбуваеться роз-криття зовшшньо! делянки зони контакту фрагмент на 0,039 мм та зминання внутршньо! дтянки на 0,109 мм.

Отримаш результати розрахунив НДС моделi з 2-м варiантом фiксацií наведеш на рис. 8. Максимальнi на-пруження на дiафiзi стегново! истки локалiзованi на рiвнi дистального инця найстково! пластини, з показ-никами 10,02 МРа. У площиш перелому напруження становлять 2,39 МРа, 1,76 МРа — у зонах контакту истки з истковим цементом. При цьому сам истковий цемент являе собою дтянку великих напружень 8,2 МРа.

Рисунок 6. Напруження на модел'1 з 1-м вар'тнтом ф!ксацИ: А — на стегновй к!стц1; Б — на елементах ф!ксацИ

Рисунок 5. Напрямки осей координат, вщносно яких визначалися перемщення

Максимальнi значення напружень з показниками 46,86 МРа на наистковш пластинi лок^зоваш у 0TB0pi гвинта, який розташований нижче площини перелому, а також в далянщ дистального инця пластини, з показниками 6,52 МРа. В зош перелому показники напружень на пластиш становлять 6,49 МРа.

Показники загальних перемiщень (Total Deformation) моделi становили 0,12 мм (рис. 9). Тобто пщ даею на-вантаження проксимальний вiддiл стегново! кiстки вщ-хилився вiд початкового положення на 0,12 мм вщносно закршленого дистального вiддiлу стегново! истки. Пере-мiщення центрального фрагмента вщносно периферш-ного по площинi перелому за вюсю Х становили 0,12 мм, Y — 0,15 мм, Z — 0,49 мм. Вщбуваеться розкриття зо-внiшньо!' длянки зони контакту фрагмент на 0,033 мм та зминання внутршньо! дтянки на 0,119 мм.

Отримаш результати розрахунив НДС моделi з 3-м варiантом фiксацi! наведенi на рис. 10. Максимальш напруження на дiафiзi стегново! истки локал1зоваш в площинi перелому 18,89 МРа. Також збтьшення напружень спостертаеться в отворах стрижшв, з показниками в отворi першого стрижня 17,5 МРа. На апарат Костюка максимальнi напруження спостертаються в мiсцi фiксацi! третього стрижня у стрижнетримачi — 137,59 МРа та на четвертому стрижш, з показниками 30 МРа.

Показники загальних перемщень (Total Deformation) моделi становили 0,215 мм (рис. 11). Тобто пщ дiею на-вантаження проксимальний вщдт стегново! истки вщ-хилився вщ початкового положення на 0,215 мм вщносно закршленого дистального вщдту стегново! истки. Пере-мiщення центрального фрагмента вщносно периферш-ного по площиш перелому за вiссю Х становили 0,08 мм, Y — 0,37 мм, Z — 0,34 мм. Вщбуваеться розкриття зовшшньо! дтянки зони контакту фрагмент на 0,049 мм та зминання внутршньо! дтянки на 0,321 мм.

Порiвняльний анал1з результатiв наведено на рис. 12—15.

Порiвнюючи показники напружень на фрагментах стегново! истки моделi мiж собою при застосуваннi апарата зовшшньо! фiксацi! Костюка (3-й варiант), спостертаеться зростання значень напружень майже у 2 рази порiвняно iз значеннями при застосуванш проксимального стегнового стрижня (1-й варiант) та на-кiстково! пластини (2-й варiант). Значення напружень на истш при 3-му варiантi фiксацi! перевищують по-р^ мiцностi кортикально! тканини. Показники напружень на елементах фшсаци зростають майже у 9 разiв при застосуванш апарата зовшшньо! фшсащ! Костюка (3-й варiант) та у 3 рази при використанш наист-ково! пластини (2-й варiант) порiвняно iз значеннями при застосуваннi проксимального стегнового стрижня

За в!ссю Y

За вссю Х

За в!ссю Z

Рисунок 7. Перемщення на моделi з 1-м BapiaHTOM ф!ксацИ

(1-й вaрiaнт). При цьому значення напружень на мета-левих конструкцiях при 3-му варiантi фiксацií не пере-вищують порiг гх мiцностi.

Порiвнюючи отриманi показники перемiщень Цл-ком уше! моделi стегновог кiстки, тобто проксимального ГГ к1нця вщносно закрiпленого дистального вiддiлу, можна спостерйати майже рiвнозначнi показники для 1-го та 2-го варiантiв фiксацií (0,10 та 0,12 мм). Показники перемщень для 3-го варiанта фксацй майже у 2 рази вище, н1ж для 1-го та 2-го варiантiв (0,215 мм).

У вах варiантах фiксацiГ вiдбуваеться перерозпо-дш навантаження на металевi конструкци фшсато-рiв, тобто основну функцiю утримання несе на собi фiксатор, тим самим розвантажуючи саме кiстку та

дшянку ГГ перелому. При статичному навантаженш масою тiла надiйну фшсацш уламкiв забезпечуе про-ксимальний стегновий стрижень (1-й варiант) та на-кiсткова пластина (2-й варiант). Апарат зовшшньо'Г фiксацií Костюка (3-й варiант) у даних умовах справ-ляеться з поставленим завданням прше. Вщбуваеть-ся значна деформацiя стрижнiв апарата зi зминанням кiстки у дшянщ перелому та збiльшенням рухливостi вщламыв. Якщо брати до уваги те, що розраховано пружну задачу з iзотропними (лiнiйними, без вра-хування повзучост i пластичностi) властивостями матер1ал1в, то можна стверджувати, що напруження в моделi залежить вiд навантаження на не! прямо-пропорцiйно. Тому щоб визначити, в скiльки разiв

А

10,02 MPa

Б

*тах = 46,86 MPa

Рисунок 8. Напруження на модели з 2-м вар1антом ф1ксацИ: А — на стегновй к!стц1; Б — на елементах ф!ксацИ

а

тах

За вссю Z

Рисунок В. Перемщення на модел'1 з 2-м варiантом фксацп

Рисунок 10. Напруження на модел'1 з 3-м варiантом фксацп: А — на стегновй к'стц'; Б — на елемен-тах фксацп

Д Орипнальы досл1дження / Ог1д1па! РезеагсИез

За вссю Х

За в!ссю У

За вссю Z

Рисунок 11. Перемiщення на моделI з 3-м варантом ф!ксацИ

■ ■

Модель з 1-м типом фксаци Модель з 2-м типом фксаци Модель з 3-м типом фшсацм

■ Напруження на «¡стц1 (ст^) МРа 9,18 10,02 18,89

Рисунок 12. Напруження на кстц (а , МРа)

0,25 0,2 0,15 0,1 0,05

■ ■

Модель з 1-м типом фшсацм Модель з 2-м типом фшсацм Модель з 3-м типом фксацм

■ Перемщення (Л, мм) 0,103 0,12 0,215

Рисунок 14. Загальнi перем1щення модел! (А, мм)

160 140 120 100 80 60 40 20 0

Модельз1-м типом фксацн Модель з 2-м типом фшсацм Модель з 3-м типом фксацм

■ Напруження на ф1ксатор! (а„„) МРа 15,126 45,86 137,59

Рисунок 13. Напруження на фiксаторi (а , МРа)

6,00Е-02 5.00Е-02 4.00Е-02 З.ООЕ-02 2.00Е-02 1.00Е-02 0.00Е+00

■ |

<1х, мм Ьу, ММ dz, ММ

■ Модель з 1-м типом ф1ксацГГ 7.40Е-03 1,10Е-02 2.90Е-02

■ Модель з 2-м типом ф1ксацП Модель з 3-м типом фксеци 1.20Е-02 8.00Е-03 1.10Е-02 3.70Е-02 4.90Е-02 3.40Е-02

Рисунок 15. Перемiщення по площин перелому за осями координатX, У, Z (А, мм)

n0Tpi6H0 зменшити силу F (допустима сила), щоб показники напружень не перевищували максимально допустимих, необхщно ст /ст , де ст — на' шах' дои' max

пруження на модел^ стдоп — допустиме напруження. У даних розрахунках зменшення навантаження на стегнову ыстку у 3—3,5 раза (30 % маси тта) забез-печить умови стабтьносп фшсацп кiсткових вщлам-кiв у площинi перелому при застосуванш апарата зо-вшшньо1 фшсацп (3-й варiант).

Потрiбно брати до уваги те, що розрахунки здшснено у рамках пружно! задачi, а саме: власгивосп матерiалiв вра-ховано як пружш, без передбачених пластичних деформа-цiй або зминання. Для урахування цих факторiв необхщно додаткове уточнення власгивосгей матерiалiв, отриманих експериментальним шляхом. Це означае, що в реальних умовах напруження на юстках можуть бути дещо менши-ми за рахунок тих самих пластичних деформацш (зминання). При цьому деформацй i особливо перемiщення, на-впаки, збтьшаться. Також поведшка фксуючих елементiв в умовах цикл1чних навантажень буде вщр1знятись вщ ана-лопчних статичних навантажень. Для !х вивчення необидно проведения додаткових дослщжень.

Висновки

1. Проведений порiвияльний анал!з надiйносгi фксацй патологiчного перелому проксимального вщдту стегновох кустки з наявним метастатичним порожнистим дефектом проксимального вщдту стегновох кустки (iмiтацiйна модель). При використанш р1зних методик остеосинтезу довели перевагу фiксаторiв армованого штрамедулярного остеосинтезу та армованого наисткового остеосинтезу по-р1вняно з черезистковим позавогнищевим остеосинтезом, завдяки 1х можливост1 утримувати максимальнi навантаження при достатньо стабiльнiй фксацй.

2. При замщенш метастатичного вогнища уражен-ня стегново1 к1стки к1стковим цементом додатковий наистковий або iнтрамедулярний металоостеосинтез пiдсилюе дану конструкцш.

3. Результати експериментальних дослщжень можуть стати аргументованим пщГрунтям для вибору оптимально'].' методики остеосинтезу у хворих 1з метастатичним ураженням проксимального вщдту стегновох к1стки, що дозволить в оптимальш термiни вщновити функцш к1нц1вки у даного контингенту хворих.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Список л1тератури

1. Алиев М.Д. Органосохраняющие методы хирургического

лечения метастазов рака почки при поражении длинных трубчатых костей/М.Д. Алиев, В.В. Тепляков, В.А Соколовский // Онкоурология. — 2006. — № 1. — С. 12-16.

2. Злобина Ю.С. Применение костного цемента в лечении

патологических переломов костей конечностей при их метастатическом поражении / Ю.С. Злобина, В.И.Зоря // VII съезд травматологов-ортопедов России «Травматология и ортопедия XXI века»: Тезисы докладов. — Самара, 2006. — Т. 1. — С. 189-190.

3. Зоря В.И. Патологические переломы костей конеч-

ностей метастатического происхождения (диагностика и лечение) / В.И. Зоря, Ю.С. Злобина //

Травматология и ортопедия России. — 2008. — № 1. — С. 27-34.

4. Использование стержневых аппаратов внешней фик-

сации Костюка как этап комплексного лечения больных с метастатическим поражением костей конечностей / В.В. Проценко, А.Н. Костюк, А.А. Бурьянов [и соавт.]//Травма. — 2013. — Т. 14, № 3. — С. 85-89.

5. Марочник сталей и сплавов / Под общ. ред. А.С. Зубчен-

ко. — М.: Машиностроение, 2003. — 784 с.

6. Пташников Д.А. Патологические переломы костей /

Д.А. Пташников, В.Д. Усиков, Ф.Ю. Засульский // Практическая онкология. — 2006. — № 2(7). — С. 117-125.

7. Результаты хирургического лечения пациентов с мета-

стазами в длинные трубчатые кости / В.В. Тепляков,

B.Ю. Карпенко, А.В. Бухаров [и соавт.] // Саркомы костей, мягких тканей и опухоли кожи. — 2010. — № 3. — С. 10-15.

8. Современные подходы к хирургическому лечению мета-

стазов злокачественных опухолей в кости /М.Д. Алиев, В.В. Тепляков, В.Е. Каллистов [и соавт.]//Практическая онкология: избранные лекции / Под ред.

C.А. Тюляндина, В.М. Моисеенко. — СПб., 2004. — С. 738-748.

9. Тарасов А.Н. Лечебная тактика при патологических

переломах (обзор литературы) /А.Н. Тарасов// Травматология и ортопедия России. — 2009. — № 2. — С. 150-156.

10. Тепляков В.В. Хирургическое лечение патологических переломов длинных трубчатых костей при метастатическом поражении/В.В. Тепляков, В.Ю. Карпенко, А.К. Валиева // Вопросы онкологии. — 2005. — Т. 51, № 3. — С. 377-381.

11. Coleman R.E. Metastatic bone disease: clinical features, pathophysiology and treatment strategies / R.E. Coleman // Cancer Treat. Rev. — 2001. — Vol. 27. — P. 165-176.

12. Huiskes R., Chao E.Y.S. A survey of finite element analysis in orthopaedic biomechanics: the first decade // J. Bio-mech. — 1983. — № 16. — P. 385-409.

13. Malawer M.M. The effect of cryosurgery and PMMA in dogs

with experimental bone defects, comparable to tumor defects / M.M. Malawer, A. Marks, D. Mc Chacney // Clin. Orthop. — 1988. — Vol. 226. — P. 299-310.

14. Rubens R.D. Bone metastases — the clinical problem / R.D. Rubens//Eur. J. Cancer — 1998. — Vol. 34(2). — P. 210-214.

15. Spencer S.J. Locked intramedullary nailing of symptomatic metastases in the humerus / S.J. Spencer// J. Bone Joint Surg. (Br.) — 2001. — Vol. 92-B(1). — P. 142-145.

16. Wedin R. Surgical treatment of skeletal metastatic lesions of the proximal femur: endoprosthesis or reconstruction nail?/ R. Wedin // J. Bone Joint Surg. (Br.) — 2005. — Vol. 87-B. — P. 1653-1657.

17. Zysset P.K. Elastic modulus and hardness of cortical and trabecular bone lamellae measured by nanoindentation in the human femur / Zysset P.K., Guo X.E., Hoffler C.E., Moore K.E., Goldstein S.A. Steven A. Goldstein // Journal of Biomechanics. — 1999. — Vol. 32. — P. 1005-1012.

Отримано 17.08.16 ■

Лазарев И.А., Ильницкий А.В., Проценко В.В., Скибан М.В.

ГУ «Институт травматологии и ортопедии НАМН Украины», г. Киев, Украина

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗНЫХ МЕТОДИК ОСТЕОСИНТЕЗА ПАТОЛОГИЧЕСКОГО ПЕРЕЛОМА ПРОКСИМАЛЬНОГО ОТДЕЛА БЕДРЕННОЙ КОСТИ ПРИ ЛЕЧЕНИИ МЕТАСТАТИЧЕСКИХ ОПУХОЛЕЙ ДЛИННЫХ КОСТЕЙ КОНЕЧНОСТЕЙ

Резюме. Метастатическое поражение костей является тяжелым осложнением онкологической болезни. Метастазы в кости наблюдаются у 17—50 % больных с солидными злокачественными опухолями и являются третьей по частоте локализацией после метастатического поражения легких и печени. Основными клиническими проявлениями метастатического поражения костей является боль, патологические переломы, возникающие в 8—30 % случаев, компрессия спинного мозга и гиперкальциемия, что в значительной степени определяет тяжесть состояния больного, а в ряде случаев является причиной летальности. Выбор методики остеосинтеза при метастатическом поражении длинных костей конечностей является актуальным в связи с тем, что нужна надежная фиксации отломков кости, так как в большинстве случаев сращение кости не происходит. Проведено биомеханическое исследование с испытанием на прочность и жесткость нативной модели бедренной кости с имеющимся полым дефектом в проксимальном ее отделе тремя различными вариантами металлофиксаторов: проксимальным бедренным стержнем, накостная пластина и аппарат внешней фиксации Костюка. Сравнивая показатели напряжений на фрагментах модели бедренной кости между собой, следует отметить, что при применении аппарата внешней фиксации Костюка наблюдается рост значений напряжений почти в 2 раза по сравнению со значениями при применении проксимального бедренного стержня и накостной пластины. Значения напряжений на кости при применении аппарата внешней фиксации превышают порог прочности кортикальной ткани. Показатели напряжений на элементах фиксации растут почти в 9 раз при применении аппарата внешней фиксации Костюка по сравнению со значениями при

применении проксимального бедренного стержня и в 3 раза при использовании накостной пластины. Значения напряжений на металлических конструкциях при применении аппарата внешней фиксации Костюка не превышают порог их прочности. Сравнивая полученные показатели перемещений в целом всей модели бедренной кости, то есть проксимального ее отдела относительно закрепленного дистального отдела, можно наблюдать почти равнозначные показатели при применении проксимального бедренного стержня и накостной пластины. Показатели перемещений при применении аппарата внешней фиксации Костюка почти в 2 раза выше, чем при применении проксимального бедренного стержня и накостной пластины. Во всех вариантах фиксации происходит перераспределение нагрузки на металлические конструкции фиксаторов, то есть основную функцию удерживания несет на себе фиксатор, тем самым разгружая именно кость и участок ее перелома. В результате экспериментального исследования установлено, что более надежную фиксацию отломков обеспечивают проксимальный бедренный стержень и накостная пластина. Аппарат внешней фиксации Костюка в данных условиях справляется с поставленной задачей хуже. Происходит значительная деформация стержней аппарата со смятием кости в области перелома и увеличением подвижности отломков. Данные экспериментального исследования могут быть рассмотрены как вариант выбора методики остеосинтеза у больных с метастатическим поражением костей конечностей.

Ключевые слова: метастатическое поражение костей конечностей, проксимальный отдел бедренной кости, патологический перелом, биомеханический анализ, металлоостеосинтез.

LazarevI.A., IlnitskyiA.V., Protsenko V.V., Skyban M.V.

SI «Institute of Traumatology and Orthopedics of NAMS of Ukraine», Kyiv, Ukraine

MATHEMATICAL BACKGROUND FOR DIFFERENT METHODS OF OSTEOSYNTHESIS OF THE PROXIMAL FEMUR FRACTURE FOR THE TREATMENT OF PATHOLOGICAL METASTATIC TUMORS OF LONG BONES

Summary. Metastatic bone disease is a serious complication of cancer disease. Bone metastases occur in 17—50 % of patients with solid malignant tumors and are the third most common localization of metastatic lesions after the lungs and liver. The main clinical manifestations of metastatic bone disease are pain, pathological fractures, occurring in 8—30 % of cases, spinal cord compression, and hypercalcemia, which largely determines the severity ofthe patient's condition and in some cases is the cause of mortality. Selection of osteosynthesis techniques in metastatic lesions of the long bones of the limbs is relevant due to the necessity of a reliable fixation ofbone fragments, as in most cases the bone fusion occurs. A bio-mechanical study was held to test the strength and stiffness of the native model ofthe femur, with the existing hollow defect in its proximal section, using three different kinds of metal fixation apparatus: proximal femoral stem, extramedullary plate and Kostiuk external fixation apparatus. Comparing the performance of stress on fragments of the model of the femur it should be noted that in cases of Kostiuk external fixation apparatus application stress values doubled compared to the values at the proximal femoral shaft and extramedullary plate. The stress value on the bone while external fixation application exceeds the threshold strength of cortical tissue. Indicators of stress in the fixing elements grow almost 9 times with the use of Kostiuk external fixation apparatus compared to the va-lues at the

application of the proximal femoral shaft and 3 times while using extramedullary plate. The value of the stress on the metal structures in cases of Kostiuk external fixation apparatus does not exceed the threshold of their strength. Comparing the movement of indicators as a whole throughout the femur model, such as the proximal area regarding its fixed distal area, almost equivalent performance in the application of the proximal femoral shaft and extramedullary plate is observed. Indicators of movement while using the Kostiuk external fixation apparatus are almost 2 times higher than with the proximal femoral shaft and extramedullary plate. All fixing methods are associated with the load redistribuion on the metal structures of clamps, that is a clamp has a basic function of holding, that relieves bone and fracture. As a result of the pilot study it was found that the proximal femoral shaft and extramedullary plate provide more reliable fixation of fragments. Kostiuk external fixation devices under these conditions cope with the task worse. There is observed a considerable strain of rod apparatus with crumpled bone in the fracture fragments and the increase in mobility. These pilot studies can be considered as an option to choose proper osteosynthesis technique in patients with metastatic bone lesions.

Key words: metastatic disease of limbs, proximal femur, pathological fracture, biomechanical analysis, osteosynthesis.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.