CC BY
4
УДК 611.985:616-001.5
Ю.А. БАРАБАШ1, ХРИСАТ АХМЕД АБДУЛХАФИЗ1, К.А. ГРАЖДАНОВ2, Д.В. ИВАНОВ3, О.А. КАУЦ1 2
1Саратовский государственный медицинский университет им. В.И. Разумовского, г. Саратов 2Научно-исследовательский институт травматологии, ортопедии и нейрохирургии СГМУ, г. Саратов 3Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, г. Саратов
Выбор вида чрескостного остеофиксатора в условиях внешней фиксации при лечении нестабильных переломов лодыжек и их последствий
Контактная информация:
Барабаш Юрий Анатольевич — д.м.н., профессор кафедры травматологии и ортопедии
Адрес: 410002, г. Саратов, ул. Чернышевского, 148, тел.: +7-909-339-89-52, e-mail: sarniito@yandex.ru
Встречаемость переломов дистального отдела костей голени составляет 100-120 случаев на 200 тыс. населения в год, при этом наиболее частые повреждения — переломы лодыжек. Из множества методов оперативного лечения наиболее физиологически адекватен чрескостный остеосинтез по Г.А. Илизарову. При его модификации (в том числе использовании разных типов чрескостных элементов) сокращается количество специфических осложнений, присущих этому методу.
Целью исследования явилось изучение напряжений, возникающих в кости при действии чрескостных фиксаторов, выбора мест их предпочтительного введения при использовании аппарата внешней фиксации для лечения переломов лодыжек и их последствий. По результатам исследования площади контакта спицы и разных видов стержней с костью мы отметили увеличение площади контакта, а следовательно, и снижение напряжения на костную ткань в зависимости от величины резьбовой части стержня-шурупа, числа витков, вводимых в кость. При этом места их введения должны соответствовать наиболее широкой части кости (метафизарным областям), так как в них больше площадь контакта резьбы стержня с костным фрагментом и, соответственно, вероятность его разрушения, а также образования зазоров между костью и стержнем (асептических некрозов), снижающих жесткость фиксации во всей системе аппарата внешней фиксации.
Ключевые слова: перелом дистального отдела голени, лодыжек, аппарат внешней фиксации, чрескостные элементы, площадь контакта, напряжение, жёсткость фиксации костных отломков.
(Для цитирования: Барабаш Ю.А., Ахмед Абдулхафиз Хрисат, Гражданов К.А., Иванов Д.В., Кауц О.А. Выбор вида чрескостного остеофиксатора в условиях внешней фиксации при лечении нестабильных переломов лодыжек и их последствий. Практическая медицина. 2022. Т. 20, № 4, С. 13-18)
DOI: 10.32000/2072-1757-2022-4-13-18
YU.A. BARABASH1, KHRISAT AKHMED ABDULKHAFIZ1, K.A. GRAZHDANOV2, D.V. IVANOV3, O.A. KAUTS1 2
1Saratov State Medical University named after V.I. Razumovskiy, Saratov
2Scientific-researh Institute of Traumatology, Orthopedics and Neurosurgery of Saratov State Medical University, Saratov
3Saratov National Research State University named after N.G. Chernyshevskiy, Saratov
Choosing the type of a transosseous fixator for external fixation in treatment of unstable fractures of ankles and their consequences
Contact details:
Barabash YuA — MD, Professor of the Department of Traumatology and Orthopedics
Address: 148 Chernyshevskiy St., Saratov, Russian Federation, 410002, tel.: +7-909-339-89-52, e-mail: sarniito@yandex.ru
The incidence of distal tibia-fibula fractures is as high as 100-200 cases to 200,000 of the population a year with ankle fractures being the most frequent. The methods of surgical management for these fractures are numerous but transosseous osteosynthesis by G.A. Ilizarov is the most adequate to human physiology. Its modifications (including the use of various kinds of transosseous elements) result in the decrease of the rate of complications typical for this method.
This research investigates the stresses emerging in the bone fixed with transosseous fixators and the selection of the preferred positions for their insertions in the management of ankle fractures and their consequences. The study of the contact surface of rods and various kinds of nails with the bone revealed that the contact surface widened and therefore the stress in the osseous tissue decreases depending on the size of the threaded screw portion as well as the number of threads inserted into the bone. The points of insertion should correspond to the widest part of the bone (metaphyseal areas) as it provides a larger contact area of the screw thread with the bone fragment decreasing the probability of its failure and the formation of gaps between bone and crew (aseptic necrosis) that reduce the fixation stiffness within the system of external fixation apparatus.
Key words: distal tibia-fibula fracture, ankle fracture, external fixation apparatus, transosseous fixators, contact area, tension, stiffness of bone fragments fixation.
(For citation: Barabash Yu.A., Akhmed Abdulkhafiz Khrisat, Grazhdanov K.A., Ivanov D.V., Kauts O.A. Choosing the type of a transosseous fixator for external fixation in treatment of unstable fractures of ankles and their consequences. Practical medicine. 2022. Vol. 20, № 4, P. 13-18)
Встречаемость переломов дистального отдела голени составляет 100-120 случаев на 200 тыс. населения в год [1]. В основном это изолированные переломы наружной лодыжки, которые не приводят к тяжелым последствиям из-за отсутствия подвывиха стопы и нарушения конгруэнтности в голеностопном суставе. Такие переломы называют стабильными или простыми. Лечение данной категории пациентов в основном консервативное с наложением фиксационной повязки (гипсовой или из других материалов). Сложными или нестабильными называются переломы и повреждения нескольких структур области голеностопного сустава, при которых наряду с малоберцовой костью повреждается связочный аппарат, межберцовый синдесмоз или части большеберцовой кости, образующие голеностопный сустав (задний, передний край и внутренняя лодыжка). Согласно классификации АО/ASIF, это группы А2, А3, В2, В3, С1, С2, С3. Частота таких повреждений составляет 15-27% переломов данной области.
В связи со сложностью анатомического сопоставления и удержания отломков во вправленном положении лечение данной категории пациентов преимущественно оперативное. Выбор метода обусловлен наличием того или иного сочетания повреждений. В литературе описываются преимущества погружного остеосинтеза, которые несомненны, но число осложнений все равно остается высоким (до 20%). Чрескостная внеочаговая фиксация малотравматична, «биологична» и функциональна, но негативные стороны кроются в транссегментарном проведении спиц, в месте проведения которых возникают воспаления мягких тканей (до 30%), в запущенных случаях — остеомиелит (2,7-6,4%), контрактуры в суставе — 7%, а при неадекватной репозиции — остеоартроз. Но основной причиной неиспользования аппарата внешней фиксации (АВФ) являются негативное отношение пациентов к внешней конструкции на конечности и трудоемкость амбулаторного наблюдения.
В настоящее время на основе аппарата Илиза-рова и шарнирно-дистракционного аппарата Волкова — Оганесяна разработаны модификации спи-цевых компоновок, включающие дополнительное введение стержня (типа Шанца) для увеличения
жесткости фиксации системы [2]. Использование комбинации спиц и стержней в базовых опорах сокращает число осложнений (до 5-6,7%, включая инфекционные вокруг спиц) [3-7].
Целью исследования явилось повышение эффективности хирургического лечения путем исследования фиксационных свойств чрескостных фиксаторов, используемых в системе АВФ.
Материал и методы
Сравнительные биомеханические исследования аппарата Илизарова с использованием спицевых, спице-стержневых и стержневых систем проводились не раз и доказали высокую эффективность спице-стержневых и стержневых компоновок (превышающих спицевую по жесткости в 1,3-2,5 раза) [7], но фиксационные возможности системы зависят от крепления стержня в кости.
В настоящем исследовании мы провели оценку жесткости крепления чрескостного остеофиксатора (стержня-шурупа) на основе площади его контакта с костью. Для этого использовался метод математического моделирования с вариантом фиксации стержня-шурупа в дистальном участке большеберцовой кости в ходе хирургического лечения переломов лодыжек. В качестве стержневого фиксатора использовались стержни-шурупы, производимые на опытном заводе РНЦ «ВТО им. акад. Г.А. Илизарова» (комплект для чрескостного остеосинтеза по Г.А. Илизарову; рег. удостоверение Росздрав-надзора № ФСР 2007/00756 от 28.09.2007): диафизарныес наружным диаметром винтовой части, вводимой в кость (D) = 4 мм, внутренним диаметром винтовой части (d) = 3 мм, шагом резьбы (t) = 1,75 мм (I группа); II группа — D = 5 мм, d = 3,5 мм, t = 2 мм; Ill группа — D = 6 мм, d = 4,5 мм, t = 2 мм; IV группа — стержни-шурупы метафизарные с D = 4,5 мм, d = 3 мм, t = 2 мм; V группа — D = 5,5 мм, d = 3,5 мм, t = 3 мм; VI группа — D = 6,5 мм, d = 4,5 мм, t = 3 мм).
Во второй части исследования мы оценили рент-гено-анатомию дистального отдела большеберцовой кости (на основании 25 компьютерных томограмм пациентов), возможные места (уровни) введения стержня-шурупа в кость и варианты выбора фиксатора в зависимости от площади его контакта с костью.
Результаты и обсуждение
Усилия, создаваемые в аппарате для коррекции положения отломков, передаются на кость при помощи упоров на спицах и резьбового соединения в стержнях (рис. 1). На рис. 1 схематично изображено резьбовое соединение стержня с костью. Пунктирной линией показаны их контактные поверхности.
В проведении математического моделирования способов закрепления костей голени в системе АВФ при закрытом сопоставлении отломков переломов лодыжек и устранении деформаций использовались стержни-шурупы различных диаметров, высоты и шага резьбовой части, вводимой в кость на основе гипотезы Бернулли и схем расчетов [8].
Если наружный диаметр резьбового соединения равен 2Я, а внутренний — 2г, то на каждом витке резьбы площадь соприкосновения стержня с костной тканью можно приближенно вычислить как площадь кольца 5 = п (Я2 - г2).
На примере стержня-шурупа диафизарного с наружным диаметром резьбовой части, вводимой в кость, (О) = 4 мм, внутренним диаметром винтовой части (б) = 3 мм, шагом резьбы = 1,75 мм вычислим его площадь контакта с костью.
При О стержня-шурупа = 2Я = 4 мм и 2г = 3 мм площадь одного витка резьбы будет равна площади кольца (Б = п (Я2 - г2) = 3,14 (22 - 1,52) и составит 5,495 мм2. Для определения общей площади контакта витков резьбы стержня-шурупа (Б1) нужно площадь одного витка умножить на количество витков (п), введенных в кость, (Б1 = пБ).
Тогда при перемещении спицы или стержня силой на упоре спицы или резьбе одного витка стержня возникнет напряжение:
о=Р^=1/п(Я2 - г2) * Р.
Таким образом, чем больше площадь упора, тем меньшее напряжение будет действовать на костную ткань и, следовательно, тем меньше вероятность ее повреждения. Если площадь контакта резьбового соединения стержня-шурупа с костью больше, то при перемещении отломков напряжение на кость в месте их контакта будет меньше, а с увеличением числа витков резьбы (площади контакта) напряжение в месте контакта его с костью будет уменьшаться.
Сведем значения площадей контактных поверхностей в ранее описанных группах (видов стержней-шурупов) с разным числом витков резьбовой части в таблицу (табл. 1).
Исследовав 25 компьютерных томограмм дисталь-ного отдела голени (так как оптимальными местами введения стержней-шурупов на VIII уровне (базовая опора) являются позиции 1, 2, 3, 4 часов [3]), мы выявили, что на расстоянии 20 мм проксималь-нее голеностопного сустава средняя ширина кости в сагиттальной плоскости составила 34,2 ± 4 мм, а на уровне 30 мм — 27,3 ± 5 мм. В зависимости от шага резьбы стержня-шурупа (1,75-3 мм), планируемого к установке, и диаметра кости можно определить необходимую длину его винтовой части и количество вводимых в кость витков (рис. 2).
Рисунок 1. Схема контакта резьбового соединения стержня-шурупа с костью
Figure 1. Schematic image of threaded connection of the screw rod with the bone
Рисунок 2. Измерение ширины кости и планирование выбора стержня-шурупа
Figure 2. Measuring the width of bone and planning the choice of a screw rod
Таблица 1. Значения площадей контактных поверхностей стержней-шурупов и возникающих напряжений в кости, а также их отношения к спице
Table 1. Areas of contact surfaces of screw rods and tensions in bones, and their ratios to the rod
Вид фиксатора Площадь контакта, мм2 Напряжение, Н/мм2 Отношение напряжений для спицы к стержню
Спица D = 2 мм с упором d = 4мм 9,42 0,106 P
Стержень-шуруп диафизарный D = 4 мм, d = 3 мм, t = 1,75 мм 1 виток резьбы 5,49 0,182P 1,714
2 витка резьбы 10,99 0,091P 0,857
3 витка резьбы 16,49 0,061P 0,571
4 витка резьбы 21,98 0,045P 0,429
5 витков резьбы 27,48 0,036P 0,343
6 витков резьбы 32,97 0,030P 0,286
7 витков резьбы 38,47 0,026P 0,245
8 витков резьбы 43,96 0,023P 0,214
9 витков резьбы 49,46 0,020P 0,190
10 витков резьбы 54,95 0,018P 0,171
Стержень-шуруп диафизарный D = 5 мм, d = 3,5 мм, t = 2 мм 1 виток резьбы 10,01 0,099P 0,941
2 витка резьбы 20,02 0,049P 0,471
3 витка резьбы 30,03 0,033P 0,314
4 витка резьбы 40,04 0,025P 0,235
5 витков резьбы 50,04 0,019P 0,188
6 витков резьбы 60,05 0,017P 0,157
7 витков резьбы 70,06 0,0142P 0,134
8 витков резьбы 80,07 0,0125P 0,118
9 витков резьбы 90,08 0,011P 0,105
10 витков резьбы 100,09 0,009P 0,094
Стержень-шуруп диафизарный D = 6 мм, d = 4,5 мм, t = 2 мм 1 виток резьбы 12,36 0,081P 0,762
2 витка резьбы 24,73 0,040P 0,381
3 витка резьбы 37,09 0,027P 0,254
4 витка резьбы 49,46 0,020P 0,190
5 витков резьбы 61,82 0,016P 0,152
6 витков резьбы 74,18 0,013P 0,127
7 витков резьбы 86,55 0,012P 0,109
8 витков резьбы 98,91 0,010P 0,095
9 витков резьбы 111,27 0,009P 0,085
10 витков резьбы 123,64 0,008P 0,076
Стержень-шуруп метафизарный D = 4,5 мм, d = 3 мм, t = 2 мм 1 виток резьбы 11,19 0,089P 0,842
2 витка резьбы 22,37 0,045P 0,421
3 витка резьбы 33,56 0,029P 0,281
4 витка резьбы 44,75 0,022P 0,211
5 витков резьбы 55,93 0,018P 0,168
Таблица 1. Значения площадей контактных поверхностей стержней-шурупов и возникающих напряжений в кости, а также их отношения к спице (продолжение)
Table 1. Areas of contact surfaces of screw rods and tensions in bones, and their ratios to the rod (continuing)
Вид фиксатора Площадь контакта, мм2 Напряжение, Н/мм2 Отношение напряжений для спицы к стержню
Спица D = 2 мм с упором d = 4мм 9,42 0,106 P
Стержень-шуруп метафизарный D = 4,5 мм, d = 3 мм, t = 2 мм 6 витков резьбы 67,12 0,015P 0,140
7 витков резьбы 78,30 0,013P 0,120
8 витков резьбы 89,49 0,011P 0,105
9 витков резьбы 100,68 0,009P 0,094
10 витков резьбы 111,86 0,009P 0,084
Стержень-шуруп метафизарный D = 5,5 мм, d = 3,5 мм, t = 3 мм 1 виток резьбы 14,13 0,071P 0,667
2 витка резьбы 28,26 0,035P 0,333
3 витка резьбы 42,39 0,024P 0,222
4 витка резьбы 56,52 0,018P 0,167
5 витков резьбы 70,65 0,014P 0,133
6 витков резьбы 84,78 0,012P 0,111
7 витков резьбы 98,91 0,010P 0,095
8 витков резьбы 113,04 0,009P 0,083
9 витков резьбы 127,17 0,008P 0,074
10 витков резьбы 141,30 0,007P 0,067
Стержень-шуруп метафизарный D = 6,5 мм, d = 4,5 мм, t = 3 мм 1 виток резьбы 17,27 0,058P 0,545
2 витка резьбы 34,54 0,029P 0,273
3 витка резьбы 51,81 0,019P 0,182
4 витка резьбы 69,08 0,014P 0,136
5 витков резьбы 86,35 0,012P 0,109
6 витков резьбы 103,62 0,009P 0,091
7 витков резьбы 120,89 0,008P 0,078
8 витков резьбы 138,16 0,007P 0,068
9 витков резьбы 155,43 0,006P 0,061
10 витков резьбы 172,70 0,005P 0,055
Клиническое применение приведенных математических расчетов возможно при локализации повреждений на любых уровнях длинных костей. Основное требование — введение стержня-шурупа в однородную костную структуру, которую представляет собой метафизарный отдел. Так, на уровне 20 мм проксимальнее голеностопного сустава при использовании метафизарного стержня-шурупа й = 6,5 мм, d = 4,5, t = 3 мм (VI группа) количество витков резьбы составит 11, а площадь контакта с костью — 189,97 мм2. Для диафизарного стержня-шурупа й = 4 мм, d = 3, t = 1,75 мм (I группа) площадь составит 104,405 мм2. При этом напряжения на кость будут 0,0058 Р Н/м и 0,01818 Р Н/м, соответственно. Из этого можно сделать вывод, что
использование метафизарного стержня-шурупа й = 6,5 мм, d = 4,5, t = 3 мм на данном уровне целесообразнее, так как при меньших напряжениях, передаваемых на кость через фиксатор, меньше вероятность ее разрушения, что обеспечит большую стабильность базовой опоры АВФ.
Из данных приведенной выше таблицы видно, что уже при двух витках резьбы стержня-шурупа, введенного в кость, напряжения, возникающие в кости при использовании спицы с упорной площадкой, в 1,16 раза больше, чем при использовании стержня. Если же стержень-шуруп будет закручен в кость на 10 витков резьбы, напряжения в месте контакта будут меньше в 2-9,7 раза, чем при использовании спицы (й = 2 мм) с упором ^ = 4 мм).
Все сказанное выше справедливо при приложении осевой тракционной силы величиной Р.
Таким образом, исходя из параметров высоты, шага резьбы стержня-шурупа и толщины дисталь-ного отдела большеберцовой кости, имеющей однородную губчатую структуру, можно определить площадь контакта резьбовой части стержня-шурупа с костной тканью и рассчитать жесткость его крепления в кости, а также жесткость всей системы внешней фиксации, что позволит повысить стабильность остеосинтеза.
Учитывая вышеизложенные факты, для фиксации отрывных переломов (внутренней лодыжки, наружной лодыжки, межберцового синдесмоза, переднего края большеберцовой кости) мы предложили вместо спицы с упорной площадкой использовать стержневой фиксатор конической формы [9, 10], имеющий 5-6 витков резьбы, которой он фиксируется к костному отломку, требующему репозиции. Коническая форма позволит одинаковой по высоте резьбовой части стержня-шурупа равномерно соприкасаться с костью, а при необходимости (остеопороз или асептический некроз вокруг резьбы стержня-шурупа) путем дополнительного вкручивания его на 1-2 витка, увеличить плотность контакта.
Выводы
При использовании в системе АВФ стержня-шурупа, имеющего резьбовое соединение с костью, возникающие в месте контакта поверхности винтовой части стержня и костной ткани напряжения ниже, чем при использовании спицы с упором, который ограничен по площади местом соприкосновения с кортикальной пластинкой, поскольку площадь контакта резьбы стержня-шурупа с костью больше. Чем больше площадь контакта резьбы стержня с костным фрагментом, тем меньше напряжение в кости в процессе репозиции отломков, и, соответственно, тем ниже вероятность ее разрушения, а также образования между костью и стержнем за-
зоров (асептических некрозов), снижающих жесткость фиксации во всей системе АВФ. На основании предоперационных рентгенограмм поврежденной области и характеристик стержня (наружному диаметру, внутреннему диаметру, длине резьбовой части и шагу резьбы) можно определить оптимальный уровень его введения и подобрать подходящий вид стержня-шурупа для достижения максимально жесткого крепления отломков.
Литература
1. Губанов А.В., Самодай В.Г. Особенности амбулаторного лечения пациентов с внутрисуставными переломами в России // Гений ортопедии. — 2012. — № 3. — С. 12-14.
2. Панков И.О., Салихов Р.З., Нагматуллин В.Р., Емелин А.Л., Валитов И.А. Хирургическое лечение неправильно сросшихся пронационно-эверсионных переломов дистального отдела костей голени // Научное обозрение. Медицинские науки. — 2014. — № 2. — С. 90-91.
3. Барабаш Ю.А., Гордиенко В.П., Барабаш А.П. Остеосинтез повреждений костей голени [монография]. — Саратов: Изд. Центр Сарат. гос. мед. ун-та, 2021. — 232 с.
4. Епифанов В.А., Епифанов А.В. Реабилитация в травматологии. — Санкт-Петербург: ГЭОТАР-Медиа, 2010 г. — 336 с.
5. Истомина И.С., Оганесян О.В., Левин А.Н. Лечение заболеваний и повреждений стопы шарнирно-дистракционными аппаратами Волкова-Оганесяна // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. — 2001. — № 2. — С. 81-86.
6. Оганесян О.В., Коршунов А.В. Применение модифицированного шарниро-дистракционного аппарата при застарелых повреждениях голеностопного сустава и стопы // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. — 2002. — № 3. — С. 83-87.
7. Основы чрескостного остеосинтеза / под ред. Л.Н. Соломина. — 2-е изд., перераб. и доп. — Т. 1. — М.: ООО «Издательство «БИНОМ. Лаборатория знаний», 2014. — 328 с.
8. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. — М.: Изд-во «Наука», 1976. — 608 с.
9. Пат. 130831 Российской Фед. МПК A61B17/58. Устройство для лечения переломов лодыжек с разрывом дистального межберцового синдесмоза / А.П. Барабаш, Ю.А. Барабаш, Д.В. Мандров; заявитель и патентообладатель ФГБУ «СарНИИТО» МЗ РФ. — № 2013118377; заявл. 19.04.2013; опубл. 10.08.2013. — Бюл. № 22.
10. Пат. 133715 Российской Фед. МПК A61B17/00. Устройство для лечения сложных лодыжечных переломов / Д.В. Мандров, А.П. Барабаш, Ю.А. Барабаш; заявитель и патентообладатель ФГБУ «СарНИИТО» МЗ РФ. — № 2013126176; заявл. 6.06.2013; опубл. 27.10.2013. — Бюл. № 30.
