Журнал «Боль. Суставы. Позвоночник» 3 (15) 2014

Статья опубликована на с. 37-42

Переломи виростків великогомілкової кістки (ВГК) належать до тяжких і становлять до 6,9 % усіх внутрішньосуглобових ушкоджень кісток нижніх кінцівок [5, 6, 8]. Анатомо-біомеханічні особливості внутрішньосуглобових ушкоджень кісток вимагають від травматолога атравматичного втручання, застосування малоінвазійних конструкцій для фіксації, точного зіставлення кісткових відламків та раннього відновлення функції суглоба. Усе це є підставою для розробки диференційованого підходу до оперативного лікування постраждалих із такими переломами [1, 3, 7].

Важливим елементом хірургічного лікування внутрішньосуглобових переломів є вибір оптимальної фіксуючої конструкції для іммобілізації кісткових відламків, що забезпечувала б надійну стабільність та раннє застосування функціонального навантаження. До цього часу при остеосинтезі кісткових відламків недостатньо враховували біомеханічні особливості засобів фіксації та кісткових відламків. У зв’язку з цим, на нашу думку, застосування фіксаторів із попереднім визначенням показників розподілу механічних напружень у конструкціях, що застосовуються для стабільно-функціонального остеосинтезу, та на поверхні кісткових відламків в умовах конкретних переломів кісток є перспективним напрямком. Особливої актуальності це питання набуває в період реабілітації хворого, що потребує науково обґрунтованого й контрольованого функціонального навантаження в процесі відновлення структури кістки й функції ураженої кінцівки. Сьогодні вирішити ці питання можна шляхом застосування імітаційного комп’ютерного моделювання (ІКМ) системи «кісткові відламки — фіксатор», що відкриває нові перспективи керованого остеосинтезу та покращення ефективності лікування переломів кісток [2, 4].

Мета дослідження — обґрунтувати диференційований підхід до остеосинтезу при переломах латерального виростка великогомілкової кістки на підставі визначення напружено-деформованого стану (НДС) елементів біомеханічної системи «кісткові відламки — фіксатор».

Матеріал та методики

Нами застосовано ІКМ та МСЕ — методи розв’язання задач механіки суцільних середовищ у прикладанні до біологічних об’єктів із використанням програмно-комп’ютерних комплексів. На аксіальних сканах кісткової тканини колінного суглоба здорової дорослої людини, отриманих на комп’ютерному томографі Toshiba Asteion Super 4 (Японія), за допомогою програмного пакета Mimics в автоматичному та напівавтоматичному режимах відтворено проксимальний відділ ВГК, на якому моделювали переломи типу Schatzker I [9, 10] — умовні остеотомії в сагітальній площині суглобової поверхні латерального виростка на межі 30 % (перша модель) та 60 % (друга модель) загальної відстані від латерального бічного краю до міжвиросткового підвищення ВГК. Нами взято ушкодження латерального виростка ВГК Schatzker I, оскільки цей тип перелому належить до найбільш простої клінічної форми переломів латерального виростка ВГК, що дозволяє отримати найбільш вірогідні дані та зробити об’єктивні висновки. На наступному етапі ІКМ виконували імітаційний остеосинтез умовних відламків за чотирма варіантами фіксації, що найчастіше застосовуються в клінічній практиці: 1-й – фіксація двома гвинтами з медичної сталі 17Х18Н9, 2-й — фіксація поліамідними болтами-стяжками з шайбами та гайками, 3-й — комбінована фіксація поліамідним болтом–стяжкою із шайбою і гайкою та спонгіозним гвинтом із медичної сталі 17Х18Н9 і 4-й — фіксація титановою LCP-пластиною із шістьма блокуючими титановими гвинтами та кортикальним гвинтом з ВТ-16 та ВТ-6 (рис. 1).

Порівняльний комп’ютерно-математичний аналіз проведено за критеріями міцності Мізеса, або граничних значень потенціальної енергії деформування матеріалу фіксуючих конструкцій та кісткової тканини поверхні перелому центрального й периферичного відламків латерального виростка ВГК. Навантаження на колінний суглоб дорівнювали силі затягування гвинтів або болтів 41,3 Н та зусиллям 250, 375 та 750 Н, що відповідали 1/3, 1/2 та всій середньостатистичній масі тіла людини (75 кг) відповідно. Отримані нами в ІКМ-експерименті особливості кількісних показників розподілу механічних напружень в елементах системи «кісткові відламки — фіксатор» враховані при оперативному лікуванні хворих з ушкодженнями латерального виростка ВГК.

Результати дослідження

У результаті проведених досліджень нами визначено максимальні та допустимі напруження на застосованих засобах фіксації та кісткових поверхнях центрального та периферичного відламків при імітації переломів латерального виростка ВГК в умовах різного ступеня навантаження (табл. 1, 2).

Аналіз наведених у табл. 1, 2 результатів розрахунків НДС та деформацій довів, що в умовах першої моделі перелому при фіксації кісткових відламків двома сталевими гвинтами максимальні напруження зосереджені на ділянках нижнього та верхнього гвинтів у площині перелому, першого витка різьби та на поверхні центрального (1,33 МРа) й периферичного (1,81 МРа) відламків, що відповідає критеріям надійної фіксації, враховуючи найнижчий гранично допустимий рівень напружень, характерний для губчастої кісткової тканини — 3 МРа [2]. Навантаження зусиллям 250, 375 та 750 Н збільшувало напруження на поверхні перелому центрального відламка до 2,07; 2,69 та 4,67 МРа відповідно, але їх рівень, крім останнього, є допустимим (< 3,0 МРа) і не викликає руйнування кісткової тканини. Навантаження на поверхні периферичного відламка, починаючи з 250 Н, перевищували допустимі на ділянці верхнього гвинта (3,05 МРа), що може супроводжуватися руйнуванням кісткової тканини (> 3,0 МРа).

В умовах 2-го варіанта фіксації поліамідними болтами при затягуванні болтів на центральному відламку виникає напруження 0,002 МРа, на периферичному відламку — 0,001 МРа, що відповідає вимогам стабільної фіксації. При навантаженні від 250 Н показники механічного напруження збільшувалися на центральному відламку до 7,04 МРа, на периферичному відламку — до 5,25 МРа (> 3,0 МРа), що перевищували допустимі для обох відламків. Навантаження зусиллями 375 та 750 Н викликали відповідно збільшення напружень на центральному відламку до 10,26 та 20,53 МРа, на периферичному відламку — до 7,65 та 15,30 МРа (> 3,0 МРа), що перевищували міцність кісткової тканини. Отже, навантаження зусиллями, що дорівнюють 250 Н та більше, в умовах цього варіанта остеосинтезу не відповідають біомеханічним вимогам до фіксації, оскільки показники напруження на обох відламках перевищували допустимі.

 При 3-му варіанті фіксації кісткових відламків латерального виростка ВГК (фіксація сталевим гвинтом та поліамідним болтом) при затягуванні, що дорівнює 43,31 МРа, на центральному та периферичному відламках відповідно виникають напруження 2,83 та 2,26 МРа, що не перевищує критерії стабільної фіксації. Зусилля 250 Н збільшувало напруження у відламках відповідно до 2,54 і 3,69 МРа, при навантаженні 375 Н — до 2,76 і 4,61 МРа та при 750 Н — до 3,47 і 5,53 МРа. Наведені показники механічних напружень дозволяють вважати, що навантаження зусиллям 250 та 375 Н супроводжуються напруженнями, що є допустимими тільки для центрального відламка (< 3,0 МРа), тоді як при подальшому збільшені зусилля, що дорівнює 750 Н, відбувається руйнування кісткової тканини центрального відламка.

Навантаження від 250 та 375 Н (4-й варіант фіксації) викликали напруження на центральному відламку відповідно до 0,56 та 0,82 МРа, на периферичному відламку — до 0,41 та 0,59 МРа, що відповідають критеріям надійної фіксації (< 3,0 МРа). Навантаження 750 Н супроводжувалося збільшенням напружень на центральному відламку до 1,63 МРа, на периферичному відламку — до 1,18 МРа (< 3,0 МРа), що задовольняє критеріям стабільно-функціонального остеосинтезу для обох відламків (< 3,0 МРа). Отже, при усіх режимах навантаження — 250, 375 та 750 Н — визначені напруження були допустимими для обох відламків (< 3,0 МРа). Цей варіант стабільно-функціонального остеосинтезу забезпечує умови надійної фіксації кісткових відламків.

На другій моделі перелому (60% остеотомія) латерального виростка ВГК отримані такі показники НДС та максимальних напружень на фіксаційних конструкціях та кістковій тканині поверхонь центрального й периферичного кісткових відламків при різних варіантах фіксації та з різним ступенем навантаження (табл. 1, 2).

При 1-му варіанті фіксації при зусиллі 43,31; 250 та 375 Н на поверхні перелому центрального відламка виникають напруження 0,10; 2,07 та 3,01 МРа відповідно та на периферичному — 0,11; 0,74 та 1,08 МРа відповідно, при яких забезпечується стабільна фіксація обох відламків та попереджається можливість зміщення відламків, крім зусилля 375 Н, при якому на центральному відламку напруження досягають межі допустимих. При зусиллях навантаження 750 Н напруження на центральному відламку переважають допустимі вдвоє, тоді як на поверхні периферичного відламка залишаються в межах допустимих (2,16 МРа). Отже, цей варіант фіксації кісткових відламків при переломах латерального виростка ВГК забезпечує стабільний остеосинтез для центрального відламка тільки при навантаженні 250 та 375 Н. Для периферичного відламка при фіксації двома сталевими гвинтами показники напружень відповідали критеріям стабільного остеосинтезу при всіх зусиллях навантаження.

В умовах 2-го варіанта фіксації затягування поліамідних болтів викликало на поверхні центрального відламка напруження 0,04 МРа, периферичного — 0,05 МРа, що відповідало критерію надійної фіксації. Навантаження 250, 375 та 750 Н збільшували показник напруження на поверхні центрального відламка до 9,23; 20,52 та до 41,03 МРа відповідно і на периферичному відламку — до навантаження 9,23; 13,47 і 26,9 МРа відповідно, що значно перевищувало міцнісні характеристики кісткової тканини відламків (> 3,0 МРа). Тому цей спосіб фіксації відламків не забезпечує стабільності системи «кісткові відламки — фіксатор» при всіх режимах навантаження.

При 3-му варіанті фіксації відламків затягування гвинтів на центральному відламку супроводжувалося напруженням 0,57 МРа, на периферичному — 0,64 МРа, що задовольняє критерію надійної фіксації. Навантаження 250 Н збільшувало напруження відповідно на центральному відламку до 6,21 МРа, 375 Н — 8,83 МРа та 750 Н — 17,14 МРа і на поверхні перелому периферичного відламка відповідно зусиллям до 7,88; 11,24 та 21,89 МРа, що значно перевищували межу допустимого напруження в кісткових відламках. Отже, при 3-му варіанті фіксації кісткових відламків тільки напруження, що виникають при затягуванні сталевого гвинта та поліамідного болта (< 3,0 МРа), відповідають критеріям надійного остеосинтезу.

В умовах 4-го варіанта фіксації кісткових відламків забезпечується надійність фіксації кісткових відламків та адекватність критеріїв стабільно-функціонального остеосинтезу при навантаженнях 250 та 375 Н як для центрального, так і для периферичного кісткових відламків (< 3,0 МРа). Подальше збільшення навантаження до 750 Н супроводжувалося напруженнями, що перевищували допустимі (> 3,0 МРа) для центрального та периферичного відламків.

Динаміка напружень на поверхнях кісткових відламків в умовах другої моделі перелому латерального виростка ВГК (60% остеотомія) залежно від ступеня навантаження та варіанта фіксації кісткових відламків наведена в табл. 1 та 2. Як бачимо, найкращі умови для забезпечення стабільної фіксації спостерігаються при 4-му варіанті фіксації відламків. Цей варіант повністю відповідає вимогам стабільно-функціонального остеосинтезу при всіх ступенях навантаження, крім випадку навантаження зусиллям, що дорівнює 750 Н, при якому напруження на центральному та периферичному відламках перевищують допустимі.

Отже, 1-й та 4-й варіанти фіксації для центрального відламка латерального виростка ВГК відповідають критеріям надійної фіксації при навантаженні, зусилля якого дорівнюють 375 Н; тоді як 2-й та 3-й варіанти фіксації центрального кісткового відламка латерального виростка ВГК відповідають критеріям стабільного остеосинтезу тільки в умовах навантаження, що дорівнює зусиллю затягування гвинтів (43,31 Н), забезпечують стабільні умови фіксації та запобігають зміщенню відламка.

Фіксація кісткових відламків при переломах латерального виростка ВГК LCP-пластиною (4-й варіант фіксації, перша модель перелому) повністю відповідає критеріям стабільно-функціонального остеосинтезу при всіх ступенях навантаження. В умовах другої моделі перелому латерального виростка ВГК (60% остеотомія) стабільно-функціональний остеосинтез забезпечується тільки при навантаженні зусиллям, що дорівнює 375 Н.

У результаті проведених ІКМ-досліджень із використанням МСЕ встановлено максимальні показники механічних напружень та деформації фіксаторів кісткових відламків, що забезпечують оптимальні стабільно–функціональний остеосинтез та механічні напруження на поверхнях перелому латерального виростка ВГК. Значення вирішення цього питання пов’язано також і з необхідністю покращення ефективності реабілітації, у першу чергу, строків її початку та контрольованого застосування активних функціональних рухів і вправ із навантаженням. Тому встановлення допустимих значень напружено-деформованого стану з урахуванням міцності та надійності системи «кісткові відламки — фіксатор» спрямоване на оптимізацію строків загоєння перелому та раннє відновлення функції ураженого органу.

Визначення та контролювання допустимих значень деформування структур кісткової тканини й фіксуючих металоконструкцій і впливу різних за ступенем навантажень, що зіставлені відносно маси тіла, дозволяє при переломах латерального виростка ВГК запобігти ускладненням (руйнування кісткової тканини, переломи елементів фіксуючих засобів), оптимізувати перебіг репаративного процесу та покращити результати оперативного лікування.

 Вищезазначені напруження на всіх фіксуючих елементах не перевищують допустимих для даних матеріалів, тобто міцність гвинтів та пластин забезпечується навіть при навантажені місця перелому повною масою тіла. Поліамідні болти можна використовувати при переломах латерального виростка для остеосинтезу тільки у випадках, коли є необхідність у тривалій іммобілізації оперованої кінцівки, при тяжкому соматичному стані хворого та декомпенсованих розладах кровопостачання.

Висновки

 1. Застосування імітаційного комп’ютерного моделювання та методу скінчених елементів вирішує проблему диференційованого підходу до остеосинтезу кісткових відламків при переломах латерального виростка ВГК та кісток інших локалізацій.

 2. Сутність диференційованого підходу до вибору оптимальної технології остеосинтезу кісткових відламків при переломах латерального виростка великогомілкової кістки полягає у використанні фіксуючих конструкцій, що відповідають допустимим показникам напружень і деформацій фіксаторів та напруженням кісткової тканини на поверхнях перелому.

3. При переломах латерального виростка великогомілкової кістки найбільш високим механічним напруженням у системі «кісткові відламки — фіксатор» піддаються гвинти та накладна пластина й кісткова тканина на ділянках її контакту з елементами фіксатора.

 4. При остеосинтезі врахування допустимих значень деформації елементів фіксуючих відламки металоконструкцій та напружень кісткової тканини поверхонь перелому дозволяє запобігти ускладненням (руйнування кісткової тканини, переломи засобів фіксації), оптимізувати перебіг репаративного процесу та покращити результати оперативного лікування.

 5. Засноване на загальних положеннях механіки твердого тіла імітаційне комп’ютерне моделювання дає можливість із високою точністю дослідити біомеханічний стан системи «кісткові відламки — фіксатор» та її окремих елементів в умовах функціонального навантаження, що неможливо в біологічному експерименті. Найбільш надійними варіантами фіксації при переломах латерального виростка великогомілкової кістки є гвинти та LCP-пластина (перший та четвертий варіанти фіксації).

6. Конструкції для остеосинтезу до впровадження в клінічну практику доцільно тестувати на визначення особливостей розподілу механічних напружень і деформацій елементів засобу фіксації, допустимих напружень на поверхнях перелому кісткових відламків, критеріїв надійної фіксації з урахуванням характеру та локалізації перелому в умовах різного ступеня функціонального навантаження, що дозволяє диференційовано підійти до вибору оптимальних фіксуючих кісткові відламки конструкцій та встановити переваги або недоліки запланованого способу фіксації відламків.