Ключові слова
апарат зовнішньої фіксації
метод кінцевих елементів
навантаження
кінцівки
Як цитувати
Анотація
Резюме. Застосування апаратів зовнішньої фіксації (АЗФ) для лікування діафізарних переломів кісток гомілки стало стандартом. При цьому переважна більшість модифікацій АЗФ має недостатню ригідність. Отже постає необхідність в розробці такої конструкції АЗФ, яка б могла забезпечити раннє навантаження кінцівки при оптимальному обсязі міжфрагментарного руху. Дотичною проблемою є необхідність визначення механічної міцності кісткового регенерату під час загоєння перелому, яку неможливо об'єктивно виміряти в клінічних умовах. Проте вищезазначені величини можливо розрахувати за допомогою методу кінцевих елементів (FEM).
Метою роботи стало визначення методом скінченних елементів (МСЕ) біомеханічної поведінки запропонованої конструкції «АЗФ-великогомілкова кістка» на етапах формування кісткового регенерату за умови його навантаження вагою тіла.
Матеріали та методи дослідження. Проведено імітаційне компютерне моделювання, на початковому етапі якого створено напівнатурний прототип системи фіксації кісткових фрагментів «АЗФ–великогомілкова кістка». На його основі, наступним кроком, було створення засобами програмного пакету SolidWorks (Dassault, France) твердотільних 3D моделей великогомілкової кістки (ВГК) та АЗФ. У роботі використано конструкцію АЗФ яка складається із 4 напівкілець (160мм), 9 зєднуючих балок (150 мм), двох наскрізних стержнів (5мм), 2 спонгіозних стержнів (5мм), 2 кортикальних стержнів (5 мм), 6 замків. Всі компоненти АЗФ виконані з нержавіючої сталі AISI320.
Результати дослідження та їх обговорення. Імітаційне компютерне моделювання фіксаційних можливостей запропонованого АЗФ показало, що його ригідність достатня для забезпечення дозованого навантаження ушкодженої кінцівки в межах 20 – 24 % ваги тіла ще з перших днів утворення грануляційно - хрящового регенерату. Необхідно врахувати що опорна функція малогомілкової кістки відновлюється вже через 5 – 6 тижнів після її зрощення і складає приблизно 17 – 30% ваги тіла. Отже загалом дозоване навантаження кінцівки може сягнути 50% ваги тіла вже після 6 тижнів лікування. У подальшому, коли утворюється зріла кісткова тканина навколо перелому, найчастіше протягом 8 - 17 тижнів, навантаження на кінцівку може складати 130% ваги тіла, що забезпечує рух пацієнта без додаткової опори.
Висновок. Проведене імітаційне комп’ютерне моделювання дає можливість визначити поведінку біомеханічного середовища запропонованої системи АЗФ-кістка та дозволяє встановити обсяг навантаження кінцівки у процесі розробки науково обгрунтованої реабілітаційної програми для створення оптимальних умов зрощення перелому. Запропонована конструкція АЗФ може застосовуватись для остаточного лікування діафізарних переломів ВГК та передбачає можливість раннього навантаження системи АЗФ-кістка.
Посилання
Pervan N, Muminović A, Mešić E, Delić M, Muratović E. Analysis of Mechanical Properties of External Unilateral Fixation Device in the Case of Torque Load. Advances in Science and Technology Research Journal. 2023;17(3):31-9. https://doi.org/10.12913/22998624/162998
Tejwani N, Polonet D, Wolinsky PR. External fixation of tibial fractures. J Am Acad Orthop Surg. 2015;23(2):126-130. doi:10.5435/JAAOS-D-14-00158.
Kenwright J, Richardson JB, Cunningham JL, White SH, Goodship AE, Adams MA, et al. Axial movement and tibial fractures. A controlled randomised trial of treatment. J B one Joint Surg Br. 1991; 73(4): 654-9. doi: 10.1302/0301-620X.73B4.2071654.
Ferreira N, Tanwar Y, BurgerFerreira M. The Effect of Fixation Dynamization on Fracture Healing A Systematic Review. Journal of Limb Lengthening & Reconstruction. 2020; 6(1): 7-12. DOI: 10.4103/jllr.jllr_11_20
Moss DP, Tejwani NC. Biomechanics of external fixation: a review of the literature. Bull NYU Hosp Jt Dis. 2007;65(4):294-299.
Hori RY, Lewis JL. Mechanical properties of the fibrous tissue found at the bone-cement interface following total joint replacement. J Biomed Mater Res. 1982;16(6):911-927. doi:10.1002/jbm.820160615
Claes LE, Heigele CA. Magnitudes of local stress and strain along bony surfaces predict the course and type of fracture healing. J Biomech. 1999;32(3):255-266. doi:10.1016/s0021-9290(98)00153-5
Lacroix D, Prendergast PJ, Li G, Marsh D. Biomechanical model to simulate tissue differentiation and bone regeneration: application to fracture healing. Med Biol Eng Comput. 2002;40(1):14-21. doi:10.1007/BF02347690
Kaspar, K, Schell, H, Seebeck, P, Thompson, MS, Schütz M, Haas, NP, et al. Angle stable locking reduces interfragmentary movements and promotes healing after unreamed nailing. Study of a displaced osteotomy model in sheep tibiae. J Bone Joint Surg Am. 2005;87(9):2028-2037. doi:10.2106/JBJS.D.02268
Hao ZW, Xu ZH, Wang X, Wang Y, Li HK, Chen TH, et al. Biophysical Stimuli as the Fourth Pillar of Bone Tissue Engineering. Front Cell Dev Biol. 2021;9:790050. doi:10.3389/fcell.2021.790050
Perren SM. Evolution of the internal fixation of long bone fractures. The scientific basis of biological internal fixation: choosing a new balance between stability and biology. J Bone Joint Surg Br. 2002;84(8):1093-1110. doi:10.1302/0301-620x.84b8.13752
Alsharef JF, Ghaddaf AA, AlQuhaibi MS, Shaheen EA, AboAljadiel LH, Alharbi AS, et al. External fixation versus intramedullary nailing for the management of open tibial fracture: meta-analysis of randomized controlled trials. Int Orthop. 2023;47(12):3077-3097. doi:10.1007/s00264-023-05879-7
Popsuishapka OK, Lytvyshko VO, Ashukina NO, Yakovenko SM. Fragment displacement during the treatment of diaphyseal fractures and their significance for bone regeneration. Ortopediya, travmatologiya i protezirovanie. 2016;2:31-40. [in Ukrainian].
Moseliani Kh, Sharmazanov OP. Renthen X-ray diagnostics of tibial shaft fractures healing. Medytsyna sohodni i zavtra. 2017;2(75):71-77. [in Ukrainian].
Chao EY, Kasman RA, An KN. Rigidity and stress analyses of external fracture fixation devices--a theoretical approach. J Biomech. 1982;15(12):971-983. doi:10.1016/0021-9290(82)90015-x.
Baran O, Havitcioglu H, Tatari H, Cecen B. The stiffness characteristics of hybrid Ilizarov fixators. J Biomech. 2008;41(14):2960-2963. doi:10.1016/j.jbiomech.2008.07.030
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.