CC BY
36
УДК: 616.71.-001.5-089.227.84-7
А.Д. Тересов А.В. Штейнле 2, Н.Н. Коваль О.В. Попенов 2, И.М. Скурихин 2
ОПТИМИЗАЦИЯ АТРАВМАТИЧНОСТИ СПИЦ ДЛЯ ЧРЕСКОСТНОГО ОСТЕОСИНТЕЗА
1 Институт сильноточной электроники СО РАН (Томск) 2 Томский военно-медицинский институт МО РФ (Томск)
В результате проведенных экспериментальных исследований доказана эффективность заточки спицы для чрескостного остеосинтеза в виде сверла и полировки поверхности, спиц с помощью импульсного электронного пучка для. снижения травмирующего действия на костные структуры.
Ключевые слова: спицевой остеомиелит, трехгранная заточка, заточка в виде сверла, полировка поверхности спиц с помощью импульсного электронного пучка
OPTIMIZATION OF NONTRAUMATICY OF PINS FOR TRANSOSSEOUS OSTEOSYNTHESIS
A.D. Teresov ‘, A.V. Shteinle 2, N.N. Koval ‘, O.V. Popyonov 2, I.M. Skourikhin 2
11nstitute of High Current Electronics SB RAS, Tomsk
2 Tomsk Military Medical Institute MD RF, Tomsk
As a result of experimental research the effectiveness of pin grinding in the form of a drill for transosseous osteosynthesis and pulsed, electron jet pin surface polishing for deterioration of traumatic effects on bone structures have been proved.
Key words: pin-track osteomyelitis, three-edged grinding, drill-form grinding, pulsed electron jet pin surface polishing
Разработка и внедрение метода чрескостного остеосинтеза стали эпохальной вехой в развитии хирургии повреждений конечностей. Надежная иммобилизация, минимальная инвазивность, возможности репозиции, наблюдения за раной, устранения дефектов длинных костей путем возбуждения дистракционного регенерата и мобильность пострадавших сделали данный метод самым перспективным среди применяемых в оперативном лечении. Тем не менее, более чем 50-летний опыт применения чрескостного остеосинтеза подтвердил, что и сегодня добиться абсолютной его атравматичности пока не удалось [1]. Это связано, прежде всего, с одновременными механическим и термическим травмирующими воздействиями спиц аппарата чрескостного остеосинтеза на кости и мягкие ткани конечностей. Проведение через костную ткань спиц с традиционной трехгранной и менее распространенной копьевидной заточками требуют, даже при использовании автоматической пистолетной дрели, значительных механических усилий со стороны хирурга [1, 2]. Как следствие наступает ожог костной и мягких тканей со стороны «выхода» спицы на поверхности конечности. Спицы с обоими вариантами заточек формируют спицевой канал путем раздавливания костной ткани подобно вколачиванию бетонной сваи в землю при подготовке строительных работ. Кроме того, спицу с копьевидной заточкой трудно проводить через костную ткань на малых оборотах, а внешне гладкая поверхность спиц не совсем является таковой. Все вышеперечисленное приводит к нагноению в местах проведения спиц, развитию «спицевого остеомиелита» в 4,8 — 15 % случаев и необходимости скорейшего удаления из уже смонтированной металлоконструкции
аппарата чрескостного остеосинтеза одной или нескольких спиц [1, 2, 4]. В результате страдает качество иммобилизации, что приводит к послеоперационным осложнениям и неудовлетворительным результатам лечения. Поэтому целью нашего исследования была оптимизация атравматичности спиц для чрескостного остеосинтеза. Достижение поставленной цели включало в себя: снижение нагрева острия спицы при прохождении через костные структуры, устранение эффекта механического раздавливания (вколачивания) элементов костной ткани при прохождении через них спицы во время операции и сведение к минимуму травмирующего воздействия уже стабилизированной на опорах чрсекостного остеосинтеза спицы на костную ткань, формирующую спицевой канал в течение всего срока иммобилизации.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Полировка поверхности спиц для снижения травмирующего воздействия на костные структуры течение всего срока иммобилизации проводилась с помощью импульсного электронного пучка субмиллисекундной длительности, генерируемого электронным источником с плазменным катодом, входящим в состав вакуумной электроннопучковой установки «СОЛО» [3]. Данная установка состоит из вакуумной камеры, системы вакуумной откачки, электронного источника, системы питания электронного источника, двухкоординатного манипулятора, системы автоматизации и управления установкой. Общее управление вакуумной системой, параметрами генерации пучка и манипулятором осуществлялось с помощью компьютера. Электронный источник с плазменным катодом на основе импульсного дугового разряда низкого дав-
ления позволял генерировать электронный пучок длительностью 20 — 200 мкс, током пучка до 300 А, энергией электронов до 25 кэВ, частотой следования импульсов 0,3 — 20 Гц и плотностью энергии до 100 Дж/см2. В процессе обработки поверхности спицы с помощью импульсного электронного пучка микросекундной длительности происходил ее скоростной нагрев и плавление, а затем быстрое охлаждение за счет ухода тепла вглубь спицы. В результате такого воздействия образовывался расплавленный слой толщиной до 30 мкм. Кроме полировки поверхностного слоя происходила его модификация, которая заключалась в улучшении микротвердости и коррозионной стойкости структуры. Для однородной полировки поверхности спицы (0 1,5 мм) в вакуумную камеру был установлен электродвигатель, вращающий спицу в процессе обработки. Сканирование электронным пучком по длине спицы обеспечивалось за счет перемещения манипулятора по одной из его координат. Полировка спицы осуществлялась за три прохода с частотой следования импульсов 1 Гц. Длительность импульсов и плотность энергии за один импульс составляла 50 мкс и 15 Дж/см2 соответственно. Процесс обработки одной спицы занимал 3,5 минуты, откачка вакуумной камеры до рабочего давления занимала 20 минут.
После полировки поверхности спицы осуществлялась ее заточка в виде сверла (Патент РФ на полезную модель № 59394 2009 г.).
Испытания спиц проводились в острых и хронических опытах.
Острые опыты. После полировки и заточки проводилось изучение особенностей проведения спиц на нативном материале (симметричные большеберцовые кости крупного рогатого скота) с использованием автоматической пистолетной дрели со скоростью вращения 1200 об./мин. Измерялась температура острия спицы до и после сверления, фиксировалось время прохождения спицы через кость. Эти данные сравнивались с аналогичными для необработанных спиц с трехгранной заточкой.
В процессе испытаний измерения температуры сначала проводились с помощью радиационного термометра <Лау1ек ST80». Принцип действия прибора основан на измерении энергетической яркости части инфракрасного излучения, прошедшего через оптическую систему радиационного термометра и поглощенного его приемником излучения, и определении температуры по измеренному значению. Однако в процессе измерения температуры спицы выяснилось, что в нашем случае показания прибора некорректны. Во-первых, минимальный диаметр поверхности, с которой прибор регистрировал излучение, равен 19 мм и кроме излучения спицы прибор в некоторой степени измерял температуру окружающей среды. Во-вторых, неизвестен коэффициент излучения для нержавеющей стали, из которой изготовлены спицы. Его можно определить только способом подбора, но для этого нужен контактный метод
измерения температуры, который для нас также не применим из-за быстрого остывания спицы. Поэтому параллельно мы применили качественный метод измерения температуры с помощью калориметра. Принцип его работы заключался в измерении температуры спицы контактным методом. Подобные измеренные значения температур являлись качественными и относительными, так как принцип измерения заключается в нагреве медного цилиндра при контакте с острием погруженной (на 8 мм) в него спицы. Сигнал с медного цилиндра обрабатывается микроконтроллером и выводился на экран компьютера в виде текущей температуры цилиндра. Так как масса цилиндра была больше массы погруженного в него конца спицы, то максимальное значение температуры цилиндра было меньше среднего значения разницы реальных температур острия спицы до и после эксперимента. Поэтому данным методом мы получали только относительные измерения температуры спиц, что было вполне достаточно для наших экспериментов.
Хронические опыты. Влияние полировки поверхности стабилизированных (натянутых) спиц в аппарате чрескостного остеосинтеза на костную структуру изучалось в экспериментах на 12 беспородных собаках. На одной из кольцевых опор аппарата чрескостного остеосинтеза были закреплены спицы без полировки поверхности и с трехгранной заточкой, на другой кольцевой опоре — спицы подвергнутые полировке по вышеуказанной методике и с заточкой в виде сверла. Морфологические исследования области спицевого канала изучались на 15-е, 30-е, 60-е и 120-е сутки после операции.
Статистическая обработка результатов исследования осуществлялась с применением методов статистического анализа, используемых в биологии и медицине, с помощью пакета прикладных программ «Statistica». Нормально распределяемые показатели приведены в их среднем значении со стандартным отклонением: X ± . Достоверность различий анализировали с помощью непараметрического критерия Фридмана, с расчетом коэффициента конкордации Кендала, при дисперсионном анализе повторных измерений. Для оценки достоверности различий несвязанных выборок применяли критерий Манна-Уитни (U).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Проведение спиц с трехгранной заточкой требовало от «хирурга» значительных физических усилий, время их проведения составило 34,1 ± 5,12 сек., температура острия спицы в результате проведения через кость по данным инфракрасного пирометра повышалась на 9,9 ± 0,57 °С, а по данным калориметра — на 27,6 ± 0,05 условных единиц. Время проведения спиц с заточкой в виде сверла составило 11,3 ± 1,19 сек., температура их острия после проведения через кость по данным инфракрасного пирометра повышалась на 3,9 ± 0,12 °С, а по данным калориметра — на 2,6 ± 0,14 условных единиц.
Из 24 проведенных и закрепленных спиц с трехгранной заточкой спицевой остеомиелит развился в 4 случаях. Из 24 спиц подвергнутых полировке поверхности и с заточкой в виде сверла случаев спицевого остеомиелита не было. Морфологические исследования области спицевого канала образованного проведение спиц с трехгранной заточкой в установленные сроки выявили значительное увеличение диметра (1,8 ± 0,35 мм) последнего по сравнению с проводимой спицей во все сроки наблюдения, кроме того, наличие некроза по всему периметру канала на глубину 0,3 ± 0,75 мм с расширением к выходному отверстию. При проведении спиц с заточкой в виде сверла диаметр спицевого канала (1,6 ± 0,05 мм) в меньшей степени превышал диметр проведенной спицы, а некроз по периметру канала распространялся при проведении данных спиц на глубину
0,1 ± 0,05 мм с равномерным распределением по длине канала.
Таким образом, спица с заточкой в виде сверла и выполненной полировкой поверхности с помощью импульсного электронного пучка по сравнению с традиционными вариантами проводится через сегмент конечности при меньших физиче-
ских усилиях, быстро, минимально нагревается при проведении, оказывает низкое травмирующее воздействие на костные структуры в течение всего срока иммобилизации, что снижает риск развития спицевого остеомиелита.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ли А.Д., Баширов Р.С. Руководство по чрескостному компрессионно-дистракционному остеосинтезу. — Томск : Изд-во «Красное Знамя», 2002. - З07 с.
2. Соломин Л.Н. Основы чрескостного остеосинтеза аппаратом Г.А. Илизарова. — СПб. : ООО «МОРСАР АВ», 2005. - 544 с.
3. Grigoriev S.V., Devjatkov V.N., Koval N.N., Teresov A.D. The Automated installation for surface modification of metal and ceramic-metal materials and products by intensive pulse sub-millisecond electron beam // Proc. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. — Tomsk, 2008. — P. 19 — 22.
4. Ilizarov G.A. Transosseus Osteosynthesis: Theoretical and Clinical Aspects of the Regeneration and Growth of Tissue. — Berlin — Heidelberg : Springer — Verlag, 1992. — 800 p.
Сведения об авторах
Тересов Антон Дмитриевич - инженер, аспирант Института сильноточной электроники СО РАН (634055, г Томск, пр. Академический, 2/3; тел.: 8 (3822) 49-17-13; e-mail: tad514@sibmail.com).
Штейнле Александр Владимирович - к.м.н., доцент, полковник медицинской службы, старший преподаватель кафедры военно-полевой хирургии Томского военно-медицинского института (634040, г. Томск, ул. Бела Куна, д. 8, кв. 70; тел.: 8 (3822) 64-48-17; e-mail: steinle@mail.tomsknet.ru).
Коваль Николай Николаевич - д.т.н., заместитель по научной работе директора Института сильноточной электроники, заведующий лабораторией плазменной эмиссионной электроники (634055, г Томск, пр. Академический, 2/3; тел.: 8 (3822) 49-17-13; e-mail: koval@hcei.tsc.ru).
Попенов Олег Владимирович - слушатель интернатуры по специальности «Хирургия» Факультета послевузовского и дополнительного образования Томского военно-медицинского института, лейтенант медицинской службы (634041, г. Томск, пр. Кирова, 49; тел.: 8 (913) 112-67-51; e-mail: teleskoper@mail.ru).
Скурихин Илья Максимович - слушатель интернатуры по специальности «Хирургия» Факультета послевузовского и дополнительного образования Томского военно-медицинского института, лейтенант медицинской службы (634041, г. Томск, пр. Кирова, 49; тел.: 8 (913) 111-18-37; e-mail: Zygi.86@mail.ru).
