Белогурова Любов
Национальный аэрокосмический университет им. «ХАИ»
(Математика и механика)
Исследование и оценка биомеханической конструкции «отломки-фиксатор», создаваемой при хирургическом лечении переломов шейки бедренной кости
1. Исходные данные и постановка вопроса
Перелом головки бедренной кости является одним из самых сложных в травматологии. Лечение его требует жесткой фиксации и некоторой компрессии. Малейшее смещение в месте перелома приведет к нарушению работы сустава. Следовательно, необходимо жестко зафиксировать место перелома, соединив обе части кости (отломки) в единое целое. С этой точки зрения идеальным было бы соединить кость с помощью гипсовой прослойки. Но она изолирует сломанную головку кости, образует преграду для прорастания кровеносных сосудов и вызывает омертвление тканей.
Другой способ соединения отломков с помощью сердцевинного фиксатора. Жесткость внутренней фиксации предъявляет высокие требования к соединительному элементу. Этот способ фиксации переломов кости восходит к середине прошлого века. С тех пор эта техника постепенно совершенствовалась, достигнув особенно больших успехов в Швейцарии, где в 1958 г. была организована Ассоциация исследования проблем внутренней фиксации (АО)[1].
Проблема лечения переломов шейки бедренной кости связана не только с нарушением кровоснабжения головки, но и со сложностью соединения отломков металлическими фиксаторами. Это обусловлено низкими прочностными характеристиками костной ткани в данной области, а также малыми размерами проксимального отломка. Поэтому тип применяемого фиксатора и методика соединения им отломков должна основываться на построении максимально рациональной биомеханической конструкции с использованием знаний о структурно-прочностных свойствах костной ткани и характеристиках соединения ее с металлом на различных участках проксимального отдела бедренной кости (ПОБК).
Было установлено [2], что местами наибольшей концентрации напряжений являются:
- зона компактной кости по внутренне-боковой поверхностям шейки и
головки;
- на участках фиксаторов, расположенных в зоне перелома;
- в наружном компактном слое кости, прилежащем к фиксатору.
Также было выявлено, что более равномерное распределение внутренних напряжений в биомеханической конструкции «отломки-фиксатор» происходит при полном контакте кости по плоскости перелома.
Наиболее значимым узлам соединения данной биомеханической конструкции является соединение резьбовой части винта с губчатой костью головки. Это определяет необходимость:
· изучения структуры костной ткани ПОБК и ее состояние контакта с различными типами резьбовой части фиксаторов;
· исследования прочностных свойств соединения резьбовой части фиксатора с головкой бедра на вырывание;
· исследование прочностных и жесткостных свойств фиксатора;
2.Экспериментальное исследование
Фиксирующий элемент представляет собой саморез [4], который ввинчивается в компактное вещество головки кости по предварительно просверленному отверстию меньшего диаметра. Резьбовая часть винта АО имеет 6 витков, в то время как предлагаемый в Украине образец имеет резьбу с 8 витками с увеличенным шагом и уменьшенной высотой по сравнению с зарубежным аналогом. Диаметры тела стержня и резьбы предлагаемого образца, одинаковы в отличие от соединительных элементов АО, у которых диаметр тела стержня уменьшен по сравнению с диаметром резьбы.
Экспериментальное исследование было проведено на 19 анатомических препаратах ПОБК, винтах АО и предлагаемых отечественных винтах.
Установлено, что форма и размеры межбалочных пространств неоднородны на различных участках ПОБК. На фронтальном срезе имеет место определенная закономерность их строения. Участок наиболее плотной губчатой кости, с округлой формой межтрабекулярных пространств (пор) размером 0,6+ 0,3мм локализуется в центральной части головки и имеет форму клина, обращенного основанием к суставной поверхности (рис.1).
Рис. 1. Распил ПОБК во фронтальной плоскости с указанием участка наиболее плотной губчатой кости в головке и состояние костной резьбы вокруг верхнего и нижнего стержня-винта.
В нижней части головки межбалочные пространства больших размеров 0,9 + 0,4мм, их форма приближается к овальной, что связано с преимущественно продольной (относительно оси шейки) ориентацией костных балочек. В области шейки и межвертельной зоны имеет место крупноячеистая сеть костных балочек с их размерами 2,5+1,2мм.
Эти особенности губчатого вещества головки бедренной кости определяют характер формирования резьбы в костном канале. В нижней части головки кости витки проламывают костные балочки т. к. они расположены параллельно направлению ввинчивания винта. Наилучший профиль костной резьбы отмечается при вхождении винта в центральную и верхнюю части головки, где была равномерная и мелкоячеистая губчатая кость. Следовательно, соединение отломков целесообразно осуществлять винтом, ввинченным в центральную или верхнюю часть головки.
Исследования прочностных свойств резьбового соединения проводились экспериментально и теоретически. Эксперимент по вырыванию винтового фиксатора был проведен на разрывной машине ZD-10-90 в лаборатории кафедры прочности летательных аппаратов Национального аэрокосмичного университета им. . Экспериментально установлено, что сила, при которой происходило вырывание винта АО из головки, была от 34 до 120 кгс (М+m 81 + 7,27кг). Предельная сила на вырывание винта предлагаемой конструкции составила от 96 до 394кг (М+m 222 + 29кг).
Это можно объяснить разницей формы резьбы и методикой ее ввинчивания в губчатую кость. Более высокая, но с меньшим шагом резьба винтов АО приводит к тому, что между ее витками оказывается меньшее количество уцелевших и несущих нагрузку балочек, в отличие от предлагаемой нами резьбы с большим шагом. Имеет значение и толщина витка резьбы, которая в предлагаемом нами винте минимальна по толщине. Это не снижает его прочностных характеристик, но в тоже время обеспечивает более атравматичное врезание резьбы в губчатую кость головки и увеличивается пространство, в котором располагается виток костной резьбы. Большая нагрузка на вырывание предложенных стержней-винтов, вероятно, также отчасти, связана с большим количеством витков (8), что увеличивает контактируемую площадь резьбы с костью.
3. Конечно-элементное моделирование соединения
С учетом полученных цифровых данных была построена конечно-элементная модель резьбового соединения титанового винта предлагаемой конструкции с губчатой костью (титан-кость), на которой исследована топография внутренних напряжений при действии силы на разрыв. Для сравнения была построена модель такого же резьбового соединения, но при использовании элементов с одинаковыми физико-механическими характеристиками (титан-титан). Принято, что губчатая кость изотропна, ее плотность (Е-6,9х108), коэффициент Пуассона (V-02) [1], стержни изготовлены из титана марки ВТ 16, нагрузка на вырывание 250кг.
Построение конечно-элементной модели позволило исследовать распределение напряжений в месте резьбового соединения, а также сравнить напряжения, возникающие в соединении «титановый винт – кость» и «титановый винт – титан». На рис.2 изображено распределение результирующих напряжений, а на рис.3 их цифровые значения в костной ткани, находящейся в межвитковых пространствах [3].
а б
Рис. 2. Распределение внутренних напряжений в резьбовом соединении титановый стержень-кость (а) и соединений титановый стержень-титан (б).
кг/мм2 кг/мм2
витки витки
а б
Рис. 3. Цифровые значения напряжений костной ткани расположенных в межвитковых пространствах: а - суммарных напряжений, б - напряжений по продольной оси У.
Из численного анализа следует, что в резьбовом соединении «титан – кость» при действии усилий напряжения в костной ткани распределяются по 7-8 виткам, при этом равномерно уменьшаясь. В то время как в соединении «титан – титан» в основном работают первые три витка. Это связано с различием физико-механических свойств элементов соединения. Поэтому винтовой фиксатор, вводимый в губчатую кость головки должен иметь максимально возможное количество витков.
Численное моделирование позволило также установить, что концентрация напряжений в кости происходит на участке у основания витков (рис.2), что свидетельствует о необходимости усовершенствования формы резьбы, что и планируется сделать в дальнейших исследованиях.
Выводы
Предложенная конструкция соединения при переломе шейки бедренной кости создает необходимые усилия для фиксации перелома. Для создания устойчивой напряженной биомеханической конструкции «отломки-фиксатор» при остеосинтезе перелома шейки бедра с рациональным (равномерным) распределением напряжений кости во всех ее узлах соединения, включая и соединение отломков по плоскости перелома необходимо провести дальнейшие исследования:
- для достижения прочного соединения резьбовой части фиксатора с губчатой костью головки необходимо исследовать поведение резьбовой части винта в губчатой кости с целью уточнения геометрии резьбовой части.
- подбор материала для фиксирующего элемента, т. к. применение обычных винтов связано с опасностью возникновения фиброза, т. е. превращения костной ткани в волокнистую ткань. Разработка высококачественных сплавов для имплантации представляет собой важное направление исследований, но центральная проблема внутренней фиксации состоит в том, чтобы гарантировать баланс между физиологическими и механическими требованиями до полного сращивания перелома. Необходим сплав, который объединял бы в себе механическую прочность, тканевую совместимость, технологичность и экономичность.
- разработка рациональной схемы фиксации обеспечивающей компрессию в зоне перелома и противодействие ротационным и изгибающим нагрузкам.
Литература
1. Герман Дж., Разрушение. - Том 7. Разрушение неметаллов и композитных материалов – Часть II. Органические материалі (стеклообразніе полимері, єластомері, кость) / Пер. с англ. и / Под ред. . – М.: Издательство «Мир», 1976. – 463 с.
2. , Анкин травматология. Европейские стандарты диагностики и лечения. – М.: Книга плюс, 2002. – 480 с.
3. Белогурова соединительного элемента при переломе головки бедренной кости. Третья Научно-техническая конференции молодежи и студенчества «Современные проблемы ракетно-космической техники и технологии». Тезисы докладов. – Харьков, «ХАИ», 2006, с.26.
4. Попсуйшапка конструкций «фиксатор – поврежденный сегмент», применяемых при лечении диафизарных переломов костей конечностей определение понятий и терминов) // Ортопедия травматология и протезирование. – 2005. - №3. – С.97-101.
