CC BY
39
УДК 616.718.5/.6-001.5-089.227.84
В.Г. Виноградов 1, Н.Е. Агафонов 2
ВЛИЯНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ АППАРАТА ВНЕШНЕЙ ФИКСАЦИИ НА ИСХОДЫ ЛЕЧЕНИЯ ОТКРЫТЫХ ДИАФИЗАРНЫХ ПЕРЕЛОМОВ КОСТЕЙ ГОЛЕНИ
1 Иркутский государственный медицинский университет (Иркутск) 2 Центральная медико-санитарная часть - 28 Федерального медико-биологического агентства (Ангарск)
С помощью программного комплекса MSC Nastrnn, базирующегося на методе конечных элементов, выполнены, исследования жесткости, аппаратов внешней фиксации, предназначенных для. фиксации костных отломков.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, аппарат внешней фиксации, открытый перелом
INFLUENCE OF STABILITY OF EXTERNAL FIXATION DEVICE ON THE RESULTS OF TREATMENT OF OPEN SHAFT FRACTURES OF LOWER LIMBS
V.G. Vinogradov N.E. Agafonov 2
11rkutsk State Medical University, Irkutsk
2 Central Medicosanitary Unit - 28 of Federal Medical-and-Biological Agency, Angarsk
With help of software-based, complex MSC Nastran. based, on the method, of finite elements we realized, researches of rigidity of external fixation devices aimed, at the fixation of bone fragments.
Key words: computer modeling, external fixation device, open fracture
Программные комплексы конечно-элементного анализа в настоящее время являются мощным инструментом в руках исследователей, обеспечивая высокую точность и достоверность моделирования различных объектов, не уступающих методам натурного моделирования.
Для анализа напряженно-деформированного состояния различных конструкций и их элементов все большее распространение получают программные комплексы инженерного анализа, основанные на методе конечных элементов, позволяющие выполнять расчет статических напряжений, деформаций и устойчивости и обеспечивающие определение собственных частот и форм колебаний. Точность решения задач с использованием метода конечных элементов зависит от факторов, которые можно условно разделить на три группы: точность описания физической модели (постановка задачи), дискретизация тела на конечные элементы, точность вычислений.
Метод конечных элементов часто используется в медицинских исследованиях, в том числе по отдельным вопросам внешней фиксации. Исследуются преимущественно частные вопросы по подбору фиксирующих элементов для отдельных локализаций [2, 5, 6], вопросы спицевой фиксации [9, 10, 11], материал и параметры стержней, секторов. Е. Yilmaz et а1. (2003) использовал моделирование на основе метода конечных элементов при поиске оптимальной конструкции аппарата для фиксации перелома большеберцовой кости [8].
Целью эксперимента являлось получение качественной и количественной картины деформированного состояния системы внешней рамы аппарата внешней фиксации (АВФ) под действием внешней нагрузки. Для достижения цели были про-
ведены 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 построение геометрических моделей системы «поврежденный костный сегмент — АВФ»; 3) проведен анализ результатов численного эксперимента и выявлены варианты рационального использования формы стержней и их диаметра, размеры секторов, размеры и количество шпилек, обеспечивающих минимальное деформированное состояние системы «поврежденный костный сегмент — АВФ»; 4) на основании полученных теоретических данных сформирована внешняя рама АВФ, обеспечивающая минимальное деформированное состояние системы «поврежденный костный сегмент — АВФ»; 5) проведен анализ клинического применения разработанных аппаратов на основе компьютерного моделирования.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
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 диафизарные 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 и II типа — 8 (26,7 %) и 14 (46,7 %) пациентов соответственно; А и Б степени по классификации А.В. Каплана — О.Н. Марковой — 10
(33,3 %) и 19 (63,3 %) пациентов соответственно, локализующиеся в большинстве случаев в средней (17 (56,7 %) случаев) и нижней трети диафиза (11 (36,6 %) случаев). Пострадавшие с монотравмой (11 (36,6 %) пациентов) 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 %) пациента. В данной группе практически в одинаковой степени применялись стержневые и комбинированные аппараты внешней фиксации — 14 (46,7 %) и 16 (53,3 %) случаев.
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, 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; р. = 0,3) (Е — модуль упругости Юнга; р. — коэффициент поперечной деформации Пуассона). 100Е — гипотетический материал (недеформируемый). Закрепление стержней в костном отломке принималось жестким (жесткая заделка), на свободных концах стержней также устанавливались жесткие опорные узлы.
Рис. 1. Компьютерная модель аппарата внешней фиксации.
Нагрузка прикладывалась на конец костного отломка — в «месте перелома». В качестве внешней нагрузки рассматривались три силовых фактора, по 500 Н каждый, действующих в пространственной системе координат X, Y, 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, Y, Z раздельно под действием каждого силового фактора. Возникающие при действии каждой силы деформации в месте перелома разложены на проекции по трём осям (X, Y, Z). Оценивался вклад в смещение, то есть доля данной детали в смещение, высчитанная
на основе сравнения с применением материала 100Е, при этом 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, отступив 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 стержень вводится с максимальным удалением от первого с наклоном стержня в противоположную сторону; третий стержень вводится 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 (табл. 1). При изучении смещения в месте перелома в зависимости от диаметра стержней за 100 % были приняты смещения модели со стержнями из 100Е. 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. Получены следующие расчетные значения линейных деформаций (в мм) при приложении нагрузки в зависимости от значимости отдельных элементов.
Аналогичные таблицы составлялись при действии сил по осям Y, Z. 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 травматичность 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 от 12,2 % до 16,8 % по осям X, Y, Z. Рассматривалось условие, что утолщается 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 тол-
пимиммиимп иммммт □ II I I I nil I II I I I
243
Таблица 1
Влияние отдельных элементов конструкции АВФ на жесткость фиксации при поочередном введении параметров абсолютной жесткости элементов аппарата (принятых за 100Е)
От действия Fx Полное смещение, мм Полное смещение, % Вклад в смещение
Исходный 1,5611 100 -
Сектор - сталь 1,17 74,9 -25,1 %
Вся модель 100E 0,01591 1 -99 %
Кость - 100Е 1,56991 100,6 +0,6 %
Шпилька - 100Е 0,9066 58,1 -41,9 %
Стержень - 100Е 0,737 47,2 -52,8 %
Сектор - 100Е 0,742 47,5 -52,5 %
6 шпилек 2,0237 129,6 +29,6 %
Rigid - rigid 1,2621 80,8 -19,2 %
щины увеличивает смещение 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.
Вклад стальных шпилек с резьбой М6 в смещение в месте перелома у данной модели при действии сил по осям X, Y, Z составляет 0,468 мм (14,6 %), 1,39 мм (56,5 %) и 0,65 мм (41,9 %) соответственно. По мере увеличения диаметра шпильки смещения пропорционально уменьшаются.
На основании исследования напряженно-деформированных состояний системы «поврежденный костный сегмент — АВФ», согласно принципу «необходимого и достаточного», нами установлено:
1. Наиболее рациональный вариант разброса стержней — от 60 до 90°, 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 превышает 2 мм. У больных с большим весом целесообразно использовать стержни большего диаметра или стержни с утолщением хвостовика.
4. При установке стержней рационально пользоваться комплексом деталей, обеспечивающих максимальную возможность перемещения и наклона стержней, 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.
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 оперированы пациенты 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: пат. 2375984 Рос. Федерация: МПК А61В17/66 / Виноградов В.Г., Агафонов Н.Е., Халиман Е.А., Ивлев Б.В., Кобелев И.А.; заявитель Виноградов В.Г., Агафонов Н.Е., Халиман Е.А., Ивлев Б.В., Кобелев И.А.; патентообладатель Агафонов Н.Е., Виноградов В.Г., Халиман Е.А., Ивлев Б.В., Кобелев И.А. - № 2007123407/14, заявл. 7.09.2007; опубл. 20.12.2009, Бюл. № 35. — 1 с.
2. Виноградов В.Г., Лапшин В.Л., Ивлев Б.В., Халиман Е.А. Оптимизация методов внеочагово-го остеосинтеза переломов ключицы на основе математической модели // Матер. междун. конф. «Травматология и ортопедия третьего тысячелетия». — Маньчжурия, 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 (экспериментально
— клиническое исследование) // Матер. междун. конф. «Травматология и ортопедия третьего тысячелетия». — Маньчжурия, 2008. — С. 232 — 234.
4. Халиман Е.А., Виноградов В.Г. Возможности повышения эффективности лечения диафизарных переломов длинных костей стержневыми аппаратами внешней фиксации // Бюл. 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 Meet-
ing of the A.S.A.M.I. International. — St. Petersburg, 2008. - P. 87.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. 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)
Агафонов Николай Евгеньевич - заведующий травматологическим отделением Центральной медико-санитарной части
- 28 Федерального медико-биологического агентства (665824, г. Ангарск, кв-л 208, а/я 443; тел.: 8 (3955) 54-06-19)
