CC BY
37
УДК 616.718.1-001.5-089.227.84
В.Г. Виноградов В.Л. Лапшин 2, А.Ю. Красовский 1
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ИЗУЧЕНИЮ ВЛИЯНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ АППАРАТА ВНЕШНЕЙ ФИКСАЦИИ НА СТАБИЛЬНОСТЬ КОСТНЫХ ОТЛОМКОВ ПРИ ЛЕЧЕНИИ ПЕРЕЛОМОВ КОСТЕЙ ТАЗА
1 Иркутский государственный медицинский университет (Иркутск) 2 Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет (Иркутск)
На основе макропрепарата костей таза взрослого человека, оснащенного аппаратом внешней фиксации, с учетом, реальной формы, и размеров в программном, комплексе MSC Nastran был разработан системный подход к изучению влияния напряженно-деформированного состояния, аппарата внешней фиксации на стабильность костных отломков при. лечении переломов костей таза.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, аппарат внешней фиксации
SYSTEMS APPROACH TO THE STUDY OF INFLUENCE OF DEFLECTED MODE OF EXTERNAL FIXATION DEVICE ON STABILITY OF BONE FRAGMENTS AT THE TREATMENT OF HIP BONES FRACTURES
V.G. Vinogradov V.L. Lapshin 2, A.Yu. Krasovskiy 1
11rkutsk State Medical University, Irkutsk
2 National Scientific Irkutsk State Technical University, Irkutsk
On the basis of macropreparation of hip bones of an adult man that was supplied, with an external fixation device and taking into account real shape and measurements we developed, in software-based complex a systems approach to the study of influence of deflected, mode of external fixation device on stability of bone fragments at the treatment of hip bones fractures.
Key words: deflected mode, external fixation device
Численные методы исследования напряженно-деформированного состояния конструкций и их элементов имеют универсальный характер, т.к. не требуют аналитических выражений условий задачи. С развитием вычислительной техники численные методы исследования получили наибольшее распространение и практическое применение в различных сферах науки и техники (промышленное и гражданское строительство, строительство самолетостроение, машиностроение, судостроение и т.д.). Численному методу посвящён обширный круг научной и учебной литературы [2, 4, 6, 7]. К данной группе относится и метод конечных элементов.
Медицинская практика не является исключением. Так, И.М. Пичхадзе в 1994 г. рекомендовал для объективной оценки степени стабильности фиксации костных отломков в аппарате внешней фиксации использовать расчеты метода конечных элементов с помощью ЭВМ, в перспективе считая наиболее целесообразным разработать единую систему математического моделирования костных отломков и средств фиксации. «Можно разработать и более простые способы расчета, однако их точность и достоверность будут ниже, чем при расчете методом конечных элементов» [3, 5].
Метод конечных элементов используется в медицинских исследованиях, в том числе по отдельным вопросам аппаратов внешней фиксации. Исследовались преимущественно частные вопросы по подбору фиксирующих элементов для отдельных локализаций [8, 10], вопросы спицевой фиксации
[10, 11, 13], материал и параметры стержней [9]. Е. Yilmaz et а1. (2003) использовали моделирование на основе метода конечных элементов при поиске оптимальной конструкции аппарата для фиксации перелома большеберцовой кости [12].
К наиболее фундаментальным исследованиям напряженно-деформированных состояний «аппарат внешней фиксации — кость» с использованием метода конечных элементов приведены в работе [1]. Авторами был выполнен обширный комплекс научных исследований в области математического моделирования и конструирования аппаратов внешней фиксации, предназначенных для лечения повреждений костей конечностей [1]. На основании исследований выявлены рациональные варианты установки стержней и изучено влияние внешней рамы аппарата внешней фиксации на стабильность костных отломков.
Анализируя литературные данные, можно отметить, что метод чрескостного остеосинтеза продолжает развиваться и совершенствоваться с применением исследования метода конечных элементов. Среди самых важных достоинств метода — атравматичность исследования, управляемость и простота.
Предложено множество аппаратов внешней фиксации для лечения повреждений костей таза, различающихся формой и конструкцией внешней опоры, но, на наш взгляд, недостаточно исследованы их возможности к стабилизации костных отломков в аппарате внешней фиксации при различных видах переломов костей таза.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Работа выполнялась в Национальном исследовательском Иркутском государственном техническом университете совместно с сотрудниками Иркутского государственного медицинского университета. Для решения поставленных задач был выбран наиболее перспективный метод, основанный на компьютерном моделировании реальных объектов.
В ходе работы на основе макропрепарата костей таза взрослого человека (рис. 1), оснащенного аппаратом внешней фиксации, с учетом реальной формы и размеров в программном комплексе MSC Nastran была разработана конечно-элементная модель системы «аппарат внешней фиксации — таз».
Рис. 1. Макропрепарат костей таза с АВФ.
На начальном этапе выполнялось построение геометрии системы реальных объектов. По точкам с помощью кривых была построена геометрическая модель (рис. 2), при этом в модели были заложены различные варианты расположения винтов Шанца (стержней) аппарата внешней фиксации, а также основные варианты локализации переломов костей таза, требующие стабилизации костных отломков.
На основе геометрии была построена конечноэлементная модель, включающая более тринадцати тысяч элементов (рис. 3). На рисунке 3 модель «аппарат внешней фиксации — таз» представлена с использованием осевых линий для стержневых элементов и с помощью срединных поверхностей для
плоских элементов. В качестве конечных элементов использовались: для описания стержневых элементов аппарата внешней фиксации — линейные конечные элементы; для описания секторов — плоские конечные элементы постоянной толщины; для описания костных структур — плоские конечные элементы переменной толщины. Все соединения (как стержневых элементов в костной ткани, так и металлических элементов конструкции между собой) предполагались абсолютно жесткими. В местах переломов предполагалось свободное смещение. В дальнейшем при выполнении исследований это позволило нам эффективно реализовывать различные расчетные схемы, проводя изменения модели аппарата внешней фиксации путем перемещения стержней и заменой деталей внешней рамы.
Рис. 2. Геометрическая модель проведения стержней системы «аппарат внешней фиксации - таз».
Материал аппарата внешней фиксации (сталь) и костная ткань предполагались однородными, изотропными и абсолютно упругими с модулями упругости для стали Е = 200000 МПа и для костной ткани Е = 20000 МПа. Однако данные параметры при необходимости могут легко изменяться при выполнении исследований.
Формирование различных вариантов локализации переломов костей таза в модели осуществляется путем удаления выделенных для этой цели (темным цветом) конечных элементов и создания разрыва в конечно-элементной сетке. На рисунках 4 — 7 показаны возможные варианты локализации переломов костей таза: переломы лонных и седалищных костей (рис. 4), перелом дна вертлужной впадины (рис. 5), вертикальный перелом крыла
подвздошной кости (рис. 6), вертикальный перелом боковой массы крестца (рис. 7).
Рис. 3. Общий вид конечно-элементной модели системы «аппарат внешней фиксации - таз».
Рис. 4. Перелом лонных и седалищных костей.
Рис. 5. Перелом дна вертлужной впадины.
Рис. 6. Вертикальный перелом крыла подвздошной кости.
Рис. 7. Вертикальный перелом боковой массы крестца.
Нагрузки на модель осуществлялись по оси позвоночника сверху вниз на всю плоскость обла-
240
ПІІІІІМІІІІІІІІМІІПІ І І І ІІІГП □ I I II І □ ПІ ІІІІІ
сти верхней суставной поверхности тела первого крестцового позвонка с силой 500 Н. Вторая область приложения нагрузки — крыша вертлужной впадины — с силой 250 Н. Закрепление всей модели осуществлялось со стороны противоположного тазобедренного сустава. При необходимости можно варьировать величину нагрузки и изменять точки приложения нагрузок на изолированные переломы и сочетания переломов.
Проведенные предварительные исследования стабильности фиксации костных отломков на разработанной модели «аппарат внешней фиксации — таз» показали управляемость и надежность в исследованиях.
ВЫВОДЫ
1. Созданная конечно-элементная модель «аппарат внешней фиксации — таз» позволяет выполнять исследования напряженно-деформированного состояния системы при различных направлениях и местах установки стержней, а также при всех вариантах локализации переломов с целью изучения возможностей повышения стабильности костных фрагментов в аппарате внешней фиксации.
2. Созданная модель позволяет исследовать влияние геометрических размеров и свойств материала элементов аппарата внешней фиксации на общую жесткость системы и стабильность переломов, оценивая влияние отдельных элементов аппарата внешней фиксации на стабильность костных отломков при переломах костей таза.
ЛИТЕРАТУРА
1. Виноградов В.Г., Лапшин В.Л., Халиман Е.А., Ивлев Б.В. и др. Математическое моделирование и конструирование аппаратов внешней фиксации для лечения повреждений костей конечностей. — Иркутск: НЦРВХ СО РАМН, 2010. - 136 с.
2. Крылов О.В. Метод конечных элементов и его применение в инженерных расчетах: учеб. пособие для вузов по направлениям подгот. ди-пломир. специалистов «Энергомашиностроение», «Прикладная механика», «Трансп. машины и трансп. технол. комплексы». — М.: Радио и связь, 2002. — 104 с.
3. Мителева З.М., Сухинин В.П., Меллере-вич Г.М. Исследование напряженно-деформированного состояния проксимального конца бедренной кости методом конечных элементов // Ортопедия, травматология и протезирование. — 1984. - № 12. - С. 16-20.
4. Образцов И.Ф., Булычев Л.А., Васильев В.В. и др. Строительная механика летательных аппаратов: учеб. для авиац. специальностей вузов / под ред. И.Ф. Образцова. — М.: Машиностроение, 1986. - 535 с.
5. Пичхадзе И.М. Системный подход к выбору и компьютеризации стабильного чрескостного остеосинтеза при переломах длинных костей: автореф. дис. ... докт. мед. наук. - М., 1994. - 48 с
6. Пыхалов А.А., Кудрявцев А.А. Математические модели в инженерных приложениях: учеб. пособие. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. - 184 с.
7. Самарский А.А. Введение в численные методы. - М.: Наука, 1987. - 286 с.
8. 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.
9. Oni O.O. Capper M., Soutis C. Factors which may increase stresses at the pin-bone interface in external fixation: a finite element analysis study // Afr. J. Med. Med. Sci. - 1999. - Vol. 28 (1-2). - P. 13-15.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. Zhang G. Avoiding the material nonlinearity in an external fixation device // Clin. Biomech. - Bristol, Avon, 2004. - Vol. 19 (7). - P. 746-750.
Сведения об авторах
Виноградов Валентин Георгиевич - доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой травматологии, ортопедии и ВПХ с курсом нейрохирургии Иркутского государственного медицинского университета (664003, г. Иркутск, ул. Красного Восстания, 1)
Лапшин Владимир Леонардович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой сопротивления материалов Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета (664074, г. Иркутск, Лермонтова, 83; тел.: 8 (3952) 40-54-25; e-mail: [email protected])
Красовский Алексей Юрьевич - аспирант кафедры травматологии, ортопедии и ВПХ с курсом нейрохирургии Иркутского государственного медицинского университета (664003, г. Иркутск, ул. Красного Восстания, 1; тел.: 8 (3952) 20-96-32; e-maii: [email protected])
