CC BY
27
УДК 616.728.3-089.84
РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНОМ КОМПОНОВКИ АППАРАТА ОРТО-СУВ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ДВИЖЕНИЙ В КОЛЕННОМ СУСТАВЕ
Л.Н. Соломин1, К.Л. Корчагин1, Л.PL Утехин2
'ФГУ «-Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. P.P. Вредена Росмедтехпологий >>, директор - д.м.н. профессор P.M. Тихилов 4)00 «-Орто-СУВ»,
исполнительный директор - М.О. Павлов Санкт -Петербург
Выполнено 122 серии графического моделирования, 3 серии механического моделирования и 6 серий тестов сравнительного исследования жесткости фиксации бедренной и большеберцовой костей аппаратами Орто-СУВ и Волкова -Оганесяна. Установлено, что для компоновки аппарата Орто-СУВ, предназначенной дчя разработки движений в коленном суставе амплитудой 120/0/0 и больше целесообразно применять опоры овальной формы. Проксимальная внешняя опора должна располагаться на расстоянии 200-210 мм от гцели коленного сустава, днстальная на расстоянии 120 мм. При этом угол наклона проксимальной опоры в сагиттальной плоскости должен составлять 90°, а дистальной опоры - 60°. Жесткость разработанной компоновки аппарата Орто-СУВ превосходит жесткость фиксации бедренной и большеберцовой костей, обеспечиваемой аппаратом Волкова - Оганесяна в 1,5 раза.
Ключевые слова: чрескостный остеосинтез, компьютерная навигация, коленный сустав, контрактура.
122 series of graphic modeling, 3 series of mechanic modeling and 6 series of t ibia and femur osteosynthesis rigidity testing by Ortho-SUV Frame in comparison with Volkov -Oganesyan device were performed. It was revealed that for Ortho-SUV assembly used for working out the motions in the knee joint with amplitude 120/0/0 and more application of ellipse supports is advisable. The proximal support must be placed at the distance 200-210 mm from the knee joint space, distal support must be placed at the distance 120 mm. The angulation of proximal support to the bone must be 90°, of distal - 60°. The rigidity of investigated assembly of Ortho-SUV Frame exceed the rigidity of tibia and femur fixation by Volkov - Oganesyan device in 1,5 times.
Key words: transosseus osteosynthesis, computer navigation, knee joint, contracture.
Введение
Чрескостный остеосинтез шарнирными аппаратами достаточно давно и с успехом применяется как для восстановления движений в коленном суставе, так и устранения его порочных установок [1, 2, 5, 6, 8]. В известных аппаратах движения в коленном суставе осуществляются либо вокруг одноосевого шарнира [1, 2, 8], либо по определенной кривой - центроиде за счет применения «зубчатого» шарнира [5, 6]. Таким образом, в известных аппаратах отсутствует возможность воспроизведения индивидуальной для каждого коленного сустава траектории движений, которая определяется его анатомическими особенностями.
Известен чрескостный аппарат Орто-СУВ, работающий на основе пассивной компьютерной навигации [7] (рис. 1). Аппарат Орто-СУВ относится к так называемым гексаподам, в основе работы которых лежит принцип платформы Стюарта [12], содержащей две опоры, соединенных между собой шестью телескопическими
стержнями специальной конструкции (стратами). Изменение длины страт обеспечивает перемещение одной опоры относительно другой в шести степенях свободы. Применительно к рассматриваемой теме, компьютерная программа аппарата Орто-СУВ позволяет рассчитать любую траекторию перемещения одной опоры аппарата относительно другой, а конструкция аппарата - обеспечить в клинике математически точное перемещение опор [9, 10, 11]. Аппарат с успехом применен при лечении переломов и деформаций длинных костей [10], но возможности его использования в суставной патологии до настоящего момента не исследовались. Поэтому целью настоящего исследования было обосновать оптимальную компоновку аппарата Орто-СУВ для разработки движений и устранения порочных установок в коленном суставе. Компоновка должна обеспечивать максимальную амплитуд)? движений в коленном суставе и стабильность фиксации суставных концов не хуже, чем аппарат Волкова - Оганесяна.
Рис. 1. Аппарат Орто-СУВ: а — указаны номера страт, которые соединены с опорами при помощи прямых платиков; б — узел соединения страты с опорой при помощи прямого платика; в — узел соединения страты с опорой при помощи 2-образного платика
Материал и методы
Оптимальные компоновки определялись в три этапа. На первом этапе использовался метод графического моделирования. Для этого в программе Adobe Photoshop CS2 на масштабированные 1:10 изображения бедренной и большеберцовой костей схематично накладывали аналогично масштабированный аппарат Орто-СУВ.
Были введены следующие обозначения:
D1 - диаметр проксимальной опоры (от 160 мм до 200 мм);
D2 - диаметр дисталыюй опоры (от 150 мм до 180 мм);
L1 - расстояние от суставной поверхности до плоскости опоры (от 40 мм до 140 мм);
L2 - расстояние от суставной поверхности до плоскости опоры (от 40 мм до 140 мм);
а - угол наклона проксимальной опоры (открыт проксимально): 90°, 100°, 110°, 120°;
ß - угол наклона дистальной опоры (открыт °°°°
Имитировали перемещение большеберцовой кости относительно бедренной, аналогичное тому,
которое происходит при сгибании в коленном сус-
°
нне прекращали, когда страты 4 и 5 становились параллельными плоскости проксимальной опоры. Это ограничение было принято в связи с тем, что
при расположении страт под отрицательным углом механика работы аппарата Орто-СУВ не позволяет дальнейшее перемещение внешних опор. Всего было проанализировано 22 графические модели, суммарно выполнено 119 экспериментов.
На рисунке 2 в качестве примера проиллюстрирован один из этапов графического моделирования. В данном эксперименте использовали внешние опоры 200 мм и 160 мм, которые были расположены на расстоянии 140 мм от суставных поверхностей. Проксимальная опора расположена под углом 110° к анатомической оси бедренной
кости в сагиттальной плоскости, дистальная - под °
шеберцовой кости. Принято, что угол открыт в проксимальном направлении.
Графические модели, которые отвечали вышеназванным условиям, собирали в виде механических моделей, используя собственно аппарат Орто-СУВ и пластиковые модели костей. Необходимость выполнения этого этапа была вызвана тем, что одноплоскостное изображение графических моделей не позволяло определить, на каком этапе сгибания становится возможным контакт страт с мягкими тканями. Из собранных механических моделей выявляли оптимальные компоновки аппарата Орто-СУВ для разработки движений в коленном суставе.
Для определения необходимого количества, уровней и направления введения чрескостных элементов в каждой опоре аппарата Орто-СУ В на основе медицинской технологии № ФС-2005/021 от 24.06.05 [8] проведен завершающий этап исследований. Было принято следующее условие: жесткость фиксации бедренной и болынеберцо-вой костей аппаратом Орто-СУВ должна быть не ниже, чем при использовании аппарата Волкова - Оганесяна.
Результаты и обсуждение
На основе графического моделирования установлено, что амплитз^да движений в колейном суставе 130/0/0 возможна при 10 компоновках (табл. 1).
Анализ собранных на основе таблицы 1 механических моделей позволил установить следующее. Оптимальными для клинического применения выбраны варианты 8, 9 и 10.
Таблица 1
Оптимальные компоновки на основе графического моделирования
№ компоновки й1,мм й2,мм Ь1,мм Ь2,мм а, °
1 160 160 140 140 110 70
2 180 160 120 120 110 70
3 180 160 140 140 100 80
4 180 160 140 140 110 70
5 180 180 140 140 110 70
6 200 160 120 120 100 80
7 200 160 120 120 110 70
8 200 160 140 140 100 80
9 200 160 140 140 110 70
10 200 160 200 120 90 60
Эти модели обеспечили максимальную амплитуду движений в коленном суставе. Кроме этого, страты на протяжении всех этапов эксперимента были максимально удалены от поверхностей костей. Еще более удалить страты от поверхности костей (и кожи - в клинике) позволило бы применение опор большего диаметра. Однако это признано нецелесообразным, т. к. увеличило бы громоздкость конструкции. Оказалось, что этот же эффект достигается при применении 2-образных пла-тиков (см. рис. 1 в).
«Графический» и «механический» этапы экспериментов позволили установить, что ди-стальную опору аппарата целесообразно устанавливать в сагиттальной плоскости под соответствующими углами к анатомической оси болыпеберцовой кости. Однако применение стандартных кольцевых опор приводило к тому, что при наклоне опора могла оказать давление (т. е. «лечь>>) на моделируемые мягкие ткани. Решением вопроса также могло быть использование опор большего диаметра, однако это бы привело к значительному увеличению громоздкости компоновки аппарата. Поэтому было предложено использовать овальные внешние опоры, полученные в результате установки между 2 полукольцами планок на 2-4 отверстия: в зависимости от толщины мягких тканей.
Таким образом, требованиям обеспечения максимальной амплитз^ды движений в колейном составе отвечает компоновка с опорами овальной формы, где В»=200; Е>2=160; и=210; Г2=120; 6=90°; в=70°. Применение кольцевых опор, приближение их к уровню коленного сустава не исключается, например, в тех случаях, когда необходимая для разработки амплитуда движений в коленном суставе не превышает 70-90/0/0.
На рисунке 3 представлены результаты сравнительного исследования жесткости фиксации бедренной и болыпеберцовой костей аппаратами Волкова - Оганесяна и Орто-СУВ. Согласно метод)? унифицированного обозначения чрес-костного остеосинтеза [4] компоновка аппарата Орто-СУВ может быть представлена следующим образом:
1У.10.110:У.9.90:У1.8.70 - Орто-СУВ - III. 10-4: IV. 1.80 200 160
Ниже представлена обозначенная при помощи МУОЧО исследованная компоновка аппарата Волкова - Оганесяна:
Смещение в Г в сагиттальной плоскости наступает при приложении силы 1,24 Н в аппарате Орто-СУВ и при усилии 1,13 Н в аппарате Волкова - Оганесяна. Таким образом, коэффициенты жесткости:
КМЗсгпб КМЗсгпб
Волкова - Оганесяна
3,1хЮ2Нмм/град.
Ошо-СУВ
3.41х102Нмм/град.
10 -|
I
«и 3"
<и
I I I I I г
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 4
нагрузка, Н
-В—аппарат Орто-СУВ — " аппарат Волков а-Оганесяна
VI.3-9:1Х.З-9 У, 140
В-0
III.3-9:1У.З-9 у, 140
Рис. 3. Жесткость фиксации бедренной и большеберцовой костей аппаратами Орто-СУВ и Волкова — Оганесяна в сагиттальной плоскости
При приложении нагрузки в сагиттальной плоскости в 4 Н жесткость фиксации бедренной и большеберцовой костей в аппарате Орто-СУВ превышает жесткость фиксации в аппарате Волкова - Оганесяна в 1,5 раза.
На рисунке 4 представлена оптимальная, с точки зрения всех вышеперечисленных параметров, компоновка аппарата Орто-СУВ для разработки и восстановления движений в коленном суставе.
Подобная и аналогичные компоновки были апробированы при лечении трех пациентов. В двух случаях аппарат был применен для устранения стойкого порочного положения голени; в одном -для разработки движений в коленном суставе. Во всех случаях цель применения аппарата Орто-СУВ была достигнута.
Рис. 4. Оптимальная компоновка аппарата Орто-СУВ для разработки движений в коленном суставе: а - положение 0/0/0; б - 90/90/0; в - 120/120/0
Рис. б. Фотографии больной П. в процессе лечения
Клинический пример.
Пациентка П., 46 лет. Диагноз: стойкая разгибатель-ная контрактура левого коленного сустава, сросшийся перелом левой бедренной кости. Травма 7 лет назад в результате ДТП. Перенесла 9 операций на левом бедре, в результате которых сформировалась контрактура левого коленного сустава 15/0/0. 20.04.09 г. выполнена операция: артролиз, тенолиз, миолиз левого коленного сустава, наложение аппарата Орто-СУВ. С 5-х суток начата разработка движений в левом коленном суставе. За 40 дней проведен полный цикл этапных сгибаний до угла 90/90/0 (согласно функциональным запросам пациентки) и разгибания (0/0/0). Таким образом, была достигнута амплитуда движений в коленном суставе 90/0/0. АВФ демонтирован 10.07.09 (рис, 5-8).
Рис. 5. Фотографии
больной П. до лечения
3. Метод исследования жесткости чрескостного осте-осинтеза при планировании операций: медицинская технология № ФС-2005/021 / сост. : А.Н. Соломин [и др.]. — СПб. : РНИИТО им. P.P. Вредена, 2005. - 21 с.
4. Метод унифицированного обозначения чрескостно-го остеосинтеза длинных костей : метод, реком. / сост. : А.Н. Соломин [и др.]. - СПб. : РНИИТО им. P.P. Вредена, 2004. - 21 с.
5. Оганесян, О.В. Восстановление формы и функции суставов и костей (аппаратами авторов) / О.В. Оганесян, М.В. Волков. — М. : Медицина, 1986 — 256 с.
6. Оганесян, О.В. Основы наружной чрескостной фиксации / О.В. Оганесян. — М. : Медицина, 2004. — 432 с.
7. Пат. 2336842 РФ. Аппарат для чрескостного остеосинтеза «SUV-Frame» / А.Н. Соломин, А.И. Утехин, В .А. Виленский. - № 2006136763/14 ; заявл. 16.10.06 ; опубл. 27.04.08. Бюл. № 30.
8. Соломин, А.Н. Комбинированный чрескостный ос-теосинтез при лечении контрактур коленного сустава: медицинская технология № ФС-2007/141-У / сост. : А.Н. Соломин, А.П. Варфоломеев. — СПб. : РНИИТО им. P.P. Вредена, 2007. - 34 с.
9. Сравнительный анализ жесткости остеосинтеза, обеспечиваемой чрескостными аппаратами, работающими на основе компьютерной навигации и комбинированным спице-стержневым аппаратом / А.Н. Соломин, В.А. Виленский, А.И. Утехин, В. Тер-рел // Травматология и ортопедия России. — 2009.
- №2. - С. 20-25.
10. Сравнительный анализ репозиционных возможностей чрескостных аппаратов, работающих на основе компьютерной навигации, и аппарата Илизарова / А.Н. Соломин, В.А. Виленский, А.И. Утехин, В. Тер-рел// Гений ортопедии. — 2009. — № 1. — С. 45 —51.
11. Multifactorial comparative analysis of Ilizarov apparatus and external fixation devices on the base of computer navigation (Taylor Spatial Frame, Ilizarov Hexapod Apparatus, SUV-Frame) / L. Solomin, V. Vilensky, W. Terrell, J. Odessky // 5Ul Meeting of the ASAMI International. Program and Abstract Book. — St.-Petersburg, 2008. - P. 52.
12. Stewart, D. Aplatformwith six degrees of freedom/D. Stewart // Proceedings of the Institute of Mechanical Engineers. —
- 1965. - Vol. 180, N 1. - P. 371-386.
Контактная информация:
Соломин Леонид Николаевич, д.м.н. профессор, ведущий
научный сотрудник отделения травм и их последствий
e-mail: solomin.leonid@gmail.com
Рис. 8. Фотографии больной П. после лечения
Выводы
1. Для компоновки аппарата Орто-СУ В, предназначенной для разработки движений в коленном суставе амплитудой 120/0/0 и больше, целесообразно применять опоры овальной формы.
2. Проксимальная внешняя опора должна располагаться на расстоянии 200-210 мм от щели коленного сустава, дистальная - на расстоянии 120 мм. При этом угол наклона проксимальной опоры в сагиттальной плоскости должен составлять 90°, а дистальной опоры - 60°.
3. Жесткость разработанной компоновки аппарата Орто-СУВ превосходит жесткость фиксации бедренной и большеберцовой костей, обеспечиваемой аппаратом Волкова - Оганесяна в 1,5 раза.
Литература
1. Лечение разгибательных контрактур коленного сустава методом Илизарова : метод, рекомендации / сост. : A.B. Попков, А.Е. Югай, Г.В. Дьячкова ; МЗ РСФСР, ВКНЦ«ВТО». - Курган, 1991. - 17 с.
2. Лечение сгибательных контрактур коленного и голеностопного суставов : метод, рекомендации / сост.: Г.А. Илизаров, A.A. Девятов. — Курган, 1971. - 13 с.
INVESTIGATION OF THE ORTHO-SUV FRAME OPTIMAL ASSEMBLY FOR WORKING OUT MOTIONS IN THE KNEE JOINT
L.N. Solomin, K.L. Korchagin, AI. Utekhin
