Биомеханические системы остеосинтеза при лечении переломов ключицы

На правах рукописи

ТОНИН Михаил Сергеевич

БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ОСТЕОСИНТЕЗА

ПРИ ЛЕЧЕНИИ ПЕРЕЛОМОВ КЛЮЧИЦЫ

01.02.08 – биомеханика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата

физико-математических наук

Саратов – 2009

Работа выполнена на кафедре травматологии и ортопедии ГОУ ВПО «Саратовский государственный медицинский университет им. В.И. Разумовского»

Научный руководитель: доктор медицинских наук,

профессор Бейдик О.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Белосточный Г.Н. (Саратовский

государственный технический университет)

заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук,

профессор Няшин Ю. И. (Пермский

государственный технический университет)

Ведущая организация: Институт проблем точной механики и

управления РАН РФ

Защита состоится ____ сентября 2009 г. в ___ч___ мин на заседании диссертационного совета Д 212.243.10 в Саратовском государственном университете им. Н.Г. Чернышевского по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, корп. IX, ауд. 218.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского.

Автореферат разослан ____________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат физ.-мат. наук, доцент Шевцова Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Переломы ключицы являются частыми травмами опорно-двигательного аппарата и, по данным большинства авторов, составляют 10 – 19,5% от всех переломов костей скелета [Евдокимов М.М., 1985; Слободской А.Б., 2002; Тонких С.А., 2004; Kocher M.S., 1998; Wilfinger C., 2002].

Хотя к настоящему времени разработан целый ряд новых систем и конструкций для лечения повреждений ключицы, число осложнений остается довольно высоким и достигает 12,5–35% [Соломин Л.Н., 2005; Алкалаев С.Б., 2008; Chen C.Y., 2002]. В результате неадекватного лечения возникают не только боли и деформации в месте повреждения, но и нарушается функция верхней конечности, что приводит к снижению трудоспособности больных и даже выходу на инвалидность. Длительная иммобилизация, необходимая, как правило, после оперативной фиксации перелома ключицы с использованием погружных металлоконструкций или при его консервативном лечении, исключает раннее функциональное лечение, приводит к развитию контрактур в суставах верхней конечности и создает определенные бытовые сложности для пациента. Проводимые после прекращения иммобилизации длительные реабилитационные мероприятия, направленные на восстановление полноценной функции конечности на стороне повреждения, значительно удлиняют сроки лечения и увеличивают время нетрудоспособности. Требования сегодняшнего дня диктуют потребность сокращения сроков медицинской и социальной реабилитации, а также быстрейшего восстановления трудоспособности пациентов.

Высокий процент осложнений и неудовлетворительных исходов лечения заставляет анализировать их причины и искать новые методы [Бейдик О.В., 2004; Соломин Л.Н., 2005; Ермаков А.Н., 2001; Goldfard G.A., 2001; Coppieters M.W., 2001].

Остеосинтез аппаратами внешней фиксации, получивший широкое распространение при лечении переломов конечностей и позволивший улучшить анатомо-функциональные результаты лечения, уменьшить количество осложнений, сократить сроки социально-трудовой реабилитации пациентов, нашел применение и при лечении повреждений ключицы [Бейдик О.В., 2004; Шевцов В.И., 2005; Илизаров Г.А., 1982; Wagner H., 1994]. Для внеочагового остеосинтеза ключицы также был предложен ряд различных конструкций внешней фиксации, которые, в основном, представлены спицевыми аппаратами [Вартаньян Ш.Г., 1992; Евдокимов М.М., 1985; Савенко В.И., 2001; Уразгильдеев Р.З., 1997]. Применение чрескостного остеосинтеза позволяет улучшить анатомические и функциональные результаты лечения свежих переломов, псевдоартрозов, неправильно сросшихся переломов ключицы [Кабилов Р.К., 1992; Мателенок Е.М., 1998; Сысенко Ю.М., 2002; Grant L.J., 2000]. Наряду с очевидными достоинствами метода, такими, как, управляемый стабильный остеосинтез фрагментов, малая травматичность вмешательства, сохранение функции суставов и верхней конечности в целом, в процессе его применения возникает достаточно большое количество ошибок и осложнений, составляющих 5% – 30% по данным разных авторов [Томич С., 2001; Тонких С.А., 2003; Ходжаев Р.Р., 1993]. Для устранения недостатков спицевых аппаратов, снижения числа осложнений и повышения эффективности лечения некоторые авторы предлагают как альтернативный вариант использование стержневой фиксации. В результате экспериментальных исследований и клинических наблюдений было показано, что в ряде случаев стержневые и спице-стержневые системы фиксации имеют преимущества перед спицевыми [Бейдик О.В., 1996; Бейдик О.В., 2002; Слободской А.Б., 2005].

По данным литературных источников, имеется положительный опыт применения при переломах и посттравматических псевдоартрозах ключицы стержневых аппаратов, однако не полностью освещены вопросы, касающиеся методики монтажа аппарата и его клинического использования [Горнаев А.А., 2001; Джанбахышов Г.С., 2001; Лобко А.Я., 1999; Pizio Z., 1999]. Кроме того, не указаны зоны и направления безопасного введения стержневых остеофиксаторов, поэтому необходимо более детальное изучение морфометрических показателей анатомических образований подключичной области для анатомо-хирургического обоснования применения стержневой внешней фиксации для остеосинтеза переломов ключицы.

Остается актуальной проблема выбора оптимальных схем остеосинтеза стержневыми аппаратами внешней фиксации, которая может быть решена с помощью современных компьютерных технологий [Бейдик О.В., 2004; Городецкий А.С., 2004; Zienkiewicz O.C., 1989].

Таким образом, дальнейшая разработка и научное обоснование рациональной методики стержневой внешней фиксации при переломах ключицы, которая позволила бы уменьшить число осложнений и улучшить результаты лечения больных с данным видом повреждений является актуальной задачей.

Цель работы: разработать биомеханическое обоснование рационального выбора систем фиксации при лечении переломов ключицы с помощью комплексного подхода к моделированию остеосинтеза.

Задачи работы, решаемые для осуществления поставленной цели:

1. Математическое моделирование деформационного поведения фиксаторов под действием нагрузок при остеосинтезе ключицы.

2. Компьютерное моделирование напряженно - деформированного состояния систем фиксации под нагрузкой в устройствах остеосинтеза ключицы.

3. Биомеханическое моделирование характеристик жесткости систем фиксации костных фрагментов ключицы путем экспериментального исследования моделей устройств остеосинтеза.

4. Разработка биотехнических рекомендаций по выбору и применению рациональных систем фиксации костных фрагментов с необходимой жесткостью в устройствах остеосинтеза при лечении переломов ключицы.

Научная новизна. Впервые предложен метод поэтапного моделирования жесткости устройств остеосинтеза отломков ключицы за счет применения математического, конечно-элементного и биомеханического моделирования. В результате определены зависимости параметров деформированного состояния, а также жесткости фиксации устройств от биомеханических и медико-технических характеристик схемы фиксации, что послужило основой для формирования стратегии и тактики остеосинтеза.

Впервые разработаны и биотехнически обоснованы рекомендации для врачей по выбору рационального типа устройства остеосинтеза ключицы, обеспечивающие необходимую жесткость фиксации, учитывающие величину функциональных нагрузок, возраст больного и вид перелома.

Практическая ценность. Результаты работы могут применяться в хирургической практике травматологии и ортопедии для повышения эффективности лечения больных с переломами ключицы.

Предложенный метод поэтапного моделирования четырех типов устройств остеосинтеза ключицы показал, что фиксация с помощью четырех консольных стержней в аппарате чрескостного остеосинтеза обеспечивает наилучшую жесткость по сравнению со спицевым аппаратом, внутрикостным стержнем и накостной пластиной во всем диапазоне функциональных нагрузок.

Разработанные и биомеханически обоснованные рекомендации по использованию устройств остеосинтеза с применением поэтапного моделирования обеспечили возможность рационального выбора типа устройств остеосинтеза для создания требуемой жесткости фиксации.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическое моделирование выявило, что накостная пластина и внутрикостный стержень обеспечивают высокую степень жесткости фиксации костных отломков в ограниченном диапазоне нагрузок – не более 216 Н. При действии функциональных нагрузок наибольшую расчетную жесткость показывает стержневой аппарат внешней фиксации по сравнению со спицевым аппаратом, что позволяет рекомендовать выбор в качестве стратегии остеосинтеза ключицы стержневую фиксацию с необходимой жесткостью при минимальном числе фиксаторов.

2. Конечно-элементное моделирование показало, что наиболее благоприятные расчетные параметры перемещений и поворотов при нагружении устройств остеосинтеза ключицы показывает накостная пластина. Стержневой аппарат с четырьмя консольными стержнями обеспечивает жесткость фиксации, не превышающую допустимых значений для всего диапазона функциональных нагрузок, чем определяется его рациональный выбор по отношению к спицевому аппарату.

3. Биомеханическое моделирование с использованием экспериментальных моделей аппаратов остеосинтеза дает наиболее близкие к действительным значения перемещений и поворотов фрагментов реальной ключицы при их различных нагружениях функциональными силами, что позволило установить наибольшую жесткость системы фиксации из четырех консольных стержней в аппарате остеосинтеза для всего диапазона нагрузок. Накостная пластина и внутрикостный стержень показали высокие значения жесткости фиксации при нагрузках, не превышающих 240 Н, что близко к расчетному значению.

4. Биотехнические рекомендации по выбору и применению рациональной системы фиксации отломков ключицы с необходимой жесткостью, разработанные на основе результатов комплексного моделирования и имеющие вид таблицы, учитывают уровень категории массы тела больного и функциональных нагрузок, вид и зону локализации перелома. Поэтому при небольших и средних нагрузках, а также малых сечениях ключицы рациональнее использовать спицевую фиксацию; для средних значений нагрузки целесообразно применять накостную пластину и внутрикостный стержень, при значительных функциональных нагрузках – стержневую фиксацию.

Реализация результатов работы. Метод поэтапного моделирования устройств остеосинтеза внедрен в работу отделений травматологии и ортопедии МУЗ «Городская клиническая больница №2» и «Городская клиническая больница №9» г. Саратова, в учебный процесс кафедры травматологии и ортопедии ГОУ ВПО «Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского».

Апробация работы. Основные материалы работы докладывались на XVIII сессии Международной школы по моделям механики сплошной среды (г. Саратов, СГУ им. Чернышевского, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 2 работы в журналах из списка, рекомендованного ВАК, и 5 работ в других изданиях.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения. Общий объем работы составляет 160 страниц, включая 36 рисунков, 23 таблицы, 25 страниц библиографии, содержащей 209 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение определяет актуальность темы и содержания диссертации, ее цель и задачи, положения, выносимые на защиту, новизну материалов работы, практическую ценность и реализацию результатов, апробацию работы.

Глава 1 посвящена имеющимся результатам проведенных исследований и их оценке по основным параметрам биомеханики ключицы как части опорно-двигательного аппарата человека. Приводятся данные о важнейших особенностях нагруженности ключицы и о сложностях возникающих при лечении её переломов. Даются характеристики процессов сращения фрагментов кости, выявлены значения их допустимых перемещений, находящихся в пределах от 2 до 3 мм и от 1,5 до 3,5о, обусловленных биомедицинскими требованиями к целостности костного регенерата в конкретных клинических ситуациях. Отмечаются необходимые особенности механических свойств остеофиксаторов и жесткости устройств фиксации, используемых для лечения переломов ключицы. Подчеркивается научная ценность результатов биомеханических исследований жесткости с применением реальных костных сегментов и макетных схем устройств фиксации.

Рассматривается сущность разновидностей остеосинтеза, особенности внутрикостной, накостной и чрескостной фиксации, выявляются основные принципы, необходимые для эффективного осуществления остеосинтеза. Определены этапы развития и совершенствования устройств фиксации для лечения переломов ключицы, показаны недостатки применяемых методик погружного остеосинтеза. Даются сведения о результатах математического моделирования напряженно-деформированного состояния остеофиксаторов, приводятся сведения о повышении эффективности фиксации с помощью спицевого и стержневого способов остеосинтеза трубчатых костей.

Проведенный анализ имеющихся данных о биомеханических характеристиках ключицы, направлениях развития методик остеосинтеза и применение моделирования жесткости фиксации позволили высказать предположения о возможности наиболее полного биотехнического обоснования выбора рациональных устройств фиксации отломков ключицы с необходимой жесткостью при помощи поэтапного моделирования остеосинтеза.

Глава 2 содержит вопросы математического моделирования деформационного поведения внутрикостного стержня, накостной пластины, спицевого и стержневого остеофиксаторов под действием известных видов функциональной нагрузки на ключицу. Определены вид и направление функциональных нагрузок в зависимости от типа прикрепленных к ключице мышц. Моделирование жесткости проводилось с использованием положений сопротивления материалов, при оценке жесткости определялись расчетные величины максимальных смещений и поворотов сечений фиксаторов. Также определялась предельная нагрузка, характеризуемая напряжениями предела пропорциональности материала остеофиксатора, либо пределом прочности на смятие костной ткани по боковой поверхности фиксатора (Биргер И.А., 1986; Дарков А.В., 1969; Янсон Х.А., 1975).

Согласно методике остеосинтеза ключицы моделирование для внутрикостного стержня, накостной пластины, спицевых и стержневых фиксаторов проводилось как консольных стержней.

Интрамедуллярный стержень представляет собой стержень с прямоугольным сечением размерами 4 х 3 мм и изготовляется из титанового сплава ВТ16, модуль упругости которого равен Ет = 1·105 МПа, предел пропорциональности составляет пр = 720 МПа. Изгибная жесткость сечения, где – момент инерции сечения, при указанных ранее параметрах составляет:

Нмм2.

Сопоставление рассчитанных значений показывает, что изгибная жесткость кости на три порядка превышает жесткость интрамедуллярного стержня, поэтому в рассматриваемых задачах деформацией и смещением кости можно пренебречь как величинами третьего порядка малости.

При заданных условиях нагружения стержня его изгиб описывается дифференциальным уравнением:

, (1)

где М(х) – изгибающий момент в сечении на расстоянии х от начала координат. Интегрирование дифференциального уравнения (1) позволяет определить деформации в произвольном сечении стержня.

Для консольного стержня, нагруженного поперечной силой, величина предельной нагрузки, при которой напряжения в стержне не превышают предела пропорциональности , определяется выражением:

. (2)

При заданных параметрах сечения, материала стрежня и его длине см значение предельной нагрузки для интрамедуллярного стержня равно Н.

Прогиб и угол поворота в сечении стержня, соответствующем зоне перелома ключицы, определяются выражениями:

мм, . (3)

Накостная пластина состоит из пластины прямоугольного сечения 11 х 4 мм и 6 фиксирующих шурупов диаметром 4 мм. Все элементы системы остеосинтеза изготовлены из титанового сплава ВТ16. При этом изгибная жесткость накостной пластины в плоскости наименьшей жесткости равна

Нмм2.

Жесткость фиксации костных фрагментов при использовании системы данного типа определяется уравнением (1) при отсутствии смятия костной ткани по поверхности шурупа.

Несущая способность шурупа на вырыв определяется площадью S контактной поверхности резьбы шурупа, а также прочностью кортикального слоя и губчатого вещества на смятие:

(4)

Согласно литературным источникам прочность кортикального слоя кости на смятие составляет МПа, губчатого вещества – МПа. Для шурупов, фиксирующих накостную пластину, несущая способность шурупа на вырыв равна Рпред = 203 Н.

Расчетная схема накостной пластины представляет собой консольный стержень, нагруженный реактивными усилиями от шурупов. Величина перемещений и углов поворота сечения пластины, соответствующего зоне перелома определяется интегралом Мора:

(5)

После подстановки в вышеуказанное уравнение выражений изгибающих моментов получили выражение для перемещений:

,

что является величиной третьего порядка малости при возможных функциональных нагрузках.

Спицевые фиксаторы изготовляются из титанового сплава ВТ16 и имеют диаметр d = 2,2 мм.

Изгибная жесткость спицевого фиксатора круглого сечения при указанных ранее параметрах составляет:

Нмм2.

Спицевой аппарат является пространственной стержневой системой, деформирование которой приводит к сложной картине перемещений в зоне перелома. Наиболее простую расчетную схему можно построить при рассмотрении нагрузки, направленной вдоль ключицы. В этом случае спицевой остеофиксатор рассматривается как консольный стержень, нагруженный двумя силами. Величины сил определяются предельной нагрузкой, равной:

(6)

При известных параметрах поперечного сечения спицевого остеофиксатора и ключицы, а также при расчетном пролете стрежня l = 4 см, используя формулу (6), получим