Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,578

VIRTUAL CALCULATION OF INTRAMEDULLARY NAIL FOR OSTEOSYNTHESIS INTER- AND SUBTROCHANTERIC FEMORAL FRACTURES

Kauts O.A. 2 Barabash A.P. 2 Ivanov D.V. 1 Barabash Yu.A. 2 Grazhdanov K.A. 2 Rusanov A.G. 2
1 National Research Saratov State University n.a. N.G. Chtrnyshevsky
2 Federal Government-Financed Institution «Saratov Research Institute of Traumatology and Orthopaedics» of Ministry of Public Health of the Russian Federation
2793 KB
The work is devoted to the estimation of parameters of the proposed virtual intramedullary nail for osteosynthesis of trochanteric fractures of the femur (RF patent №146659) and its comparison with intramedullary nail PFN-A. For an objective evidence of the effectiveness of the developed intramedullary nail it was built three-dimensional model of the rod in the system of computer-aided design SolidWorks and made the study of rigidity and stability of fracture fixation, depending on the different types of loads: axial (700 N), transverse (100 N) and torque (10 N) at intertrochanteric and subtrochanteric fractures of the femur (type 32-1A). Adjusted angle of the blocking element, the angle of the proximal part of the intramedullary nail and the diameter of the screw-awl, which increased the strength of the intramedullary nail. In the study of the stability of «bone-lock» system revealed that the calculated loads developed by intramedullary nail has sufficient rigidity and stability of fixation of fractures of the proximal third of the femur.
intramedullary nail fixation
osteosynthesis
fracture
PFN-A
femur
trochanteric fractures
modeling

Высокий интерес к вопросу лечения переломов проксимального отдела бедренной кости обусловлен, прежде всего, тем, что по данным разных авторов, частота их в настоящее время составляет от 9 % до 45 % в структуре всех повреждений опорно-двигательной системы и от 20 до 38 % от всех переломов бедра [2, 7]. Частота их встречаемости после 60-ти лет достигает 72 %, что связано с остеопоретическими изменениями костей скелета, истончением их кортикального слоя, приводящими к хрупкости кости и переломам даже при незначительной травме [5].

В настоящее время при лечении переломов данной локализации используются 3 основных вида остеосинтеза: чрескостный, накостный и интрамедуллярный остеосинтез с блокированием. Каждый вид остеосинтеза имеет как преимущества, так и недостатки перед другими. Оптимальный выбор вида остеосинтеза и типа фиксатора определяет не только исходы лечения пациентов, но и качество их жизни, а также способствует снижению летальности в период после травмы [9]. Многие авторы считают высокоэффективным методом лечения переломов чрескостный остеосинтез, указывая при этом на ряд существенных его преимуществ. Основными преимуществами чрескостного остеосинтеза считается малоинвазивность, простота оперативного вмешательства, а также возможность использования у лиц с тяжелой сопутствующей патологией, в том числе у людей пожилого и старческого возраста [1]. Авторами предлагаются самые различные компоновки аппаратов внешней фиксации [10, 6]. Недостатками метода является трудности репозиции перелома, частое воспаление вокруг чрескостных элементов, необходимость тщательного ухода за аппаратом.

Использование накостной фиксации позволяет добиться хорошей репозиции отломков и надёжной фиксации перелома на весь период сращения. Однако его использование рекомендовано преимущественно при стабильных вертельных переломах бедренной кости, а также отсутствии тяжёлой соматической патологии у пациента [4]. Из недостатков накостного остеосинтеза выделяют достаточно высокую его травматичность, риск возникновения глубоких нагноений, необходимость повторного оперативного вмешательства для удаления металлоконструкции.

В настоящее время наибольшую популярность среди хирургов приобрёл интрамедуллярный остеосинтез с блокированием. Известны различные конструкции интрамедуллярных устройств (авторские свидетельства SU № 662082, № 405543, 1595494, патент RU № 2289351), а также интрамедуллярных устройств, широко используемых в нашей стране, выпускаемых зарубежными производителями (PFN, PFN-A, Gamma Nail, Affixus). Все они имеют схожую конструкцию, включающую протяженный цилиндрообразный корпус и блокирующие элементы фиксации. Среди преимуществ выделяют малоинвазивность метода, возможность осуществления остеосинтеза закрыто, применения при многооскольчатых переломах подвертельной области, при застарелых переломах и псевдоартрозах, высокую прочность фиксации, обеспечивающую раннюю мобильность пациентов. Операциями выбора, по мнению многих авторов, независимо от возраста и состояния пациента, являются остеосинтез с использованием накостного фиксатора DHS (динамический бедренный винт) и интрамедуллярных фиксаторов (PFN, PFN-A, Gamma Nail, Affixus и др.). Выбор способа фиксации перелома зачастую обусловлен опытом хирурга, тенденциями в клинике и экономическими соображениями.

Несмотря на использование активной хирургической тактики, неудовлетворительные исходы лечения наблюдаются у 16-40,1 % больных [8]. Улучшение исходов лечения больных, повышение социальной адаптации и качества их жизни является основной задачей стоящей перед хирургами.

В современной литературе имеются сообщения об использовании метода компьютерного моделирования переломов и изучения прочностных характеристик металлофиксаторов [3]. Решение проблемы видится нам в совершенствовании конструкций для остеосинтеза, с виртуальным прогнозированием их прочностных и фиксирующих характеристик, использовании малоинвазивных методик, сокращении времени операции за счёт упрощения и уменьшения её этапов, а при наличии застарелых или несросшихся переломов использование методов стимуляции остеогенеза.

Цель исследования

Улучшение исходов лечения пациентов с околосуставными переломами проксимального отдела бедренной кости за счёт создания блокированного интрамедуллярного фиксатора (патент РФ № 146659) с использованием виртуального расчёта параметров конструкции и подтверждения её надёжности.

Материалы и методы исследования

Проведено исследование напряженно-деформированного состояния системы кость-фиксатор для двух типов фиксаторов при разных типах нагружений. Для сравнения с разработанным интрамедуллярным стержнем для остеосинтеза переломов верхней трети бедренной кости использован стержень PFN-A.

Задачами предлагаемого интрамедуллярного устройства было следующее:

1. Избежать неудобства укладки пациента и трудоёмкости репозиции перелома.

2. Упростить подходы к введению стержня, исключить внутрисуставное введение блокирующих элементов, уменьшить число этапов оперативного вмешательства и тем самым сократить время пребывания пациента на операционном столе.

При моделировании предполагалось, что имплантаты изготовлены из нержавеющей стали с модулем Юнга 1.93∙1011 Па и коэффициентом Пуассона 0.33. Разброс модулей упругости костной ткани достаточно велик. Это объясняется различием в методах исследования, способом подготовки образцов и т.п. Тем не менее, большинство исследователей приходят к выводу, что модуль упругости трабекулярной кости на 20-30 % ниже модуля упругости кортикальной кости. Механические параметры трабекулярного и кортикального слоев были взяты из литературы. Считалось, что материалы фиксаторов и костной ткани являлись изотропными идеально-упругими. Такое предположение оправдано и используется другими авторами, когда проводится сравнительный анализ различных имплантатов с точки зрения механики. При расчетах учитывались большие деформации, которые могут возникать как в костной ткани, так и в фиксаторах, то есть, постановка задачи включала геометрическую нелинейность.

Численные расчеты проводились в системе Ansys (ANSYS, Inc.) 15.0 с использованием среды Workbench. Решались статические задачи о нагружении систем кость-фиксатор тремя типами нагрузок, прикладываемых к головке кости. Дистальный конец кости жестко закреплялся. При постановке и решении задач о взаимодействии костных отломков и фиксаторов между ними учитывалось контактное взаимодействием без трения. Резьба винтов не моделировалась. Между блокирующими винтами и костными отломками задавался контакт типа «bonded», исключающий их взаимное перемещение и скольжение.

Трехмерная модель стержня с проксимальным блокирующим винтом-шилом (патент РФ № 146659) была построена на основе чертежей и текстового описания в системе автоматизированного проектирования SolidWorks. Основные размеры стержня, его внешний вид показаны на рис. 1, А, Б. Длина стержня составила 170 мм, диаметр в дистальном отделе 9мм, диаметр проксимального торца равнялся 16 мм. Также построена модель интрамедуллярного стержня PFN-A. Изображение стержня PFN-A из официального буклета производителя стержней представлено на рис. 1, В, Г.

bar1.tif

Рис. 1. А – линейные размеры и углы модели предлагаемого стержня;
Б – трехмерное изображение проксимальной части модели стержня;
В – изображение стержня PFN-A; Г – построенная трехмерная модель стержня PFN-A

На рис. 1 В синим цветом показана область применимости данного стержня. Этот стержень применим для остеосинтеза следующих типов переломов по классификации АО: чрезвертельные переломы (31-A1 и A2-31), межвертельные переломы (31-А3), высокие подвертельные переломы (32-А1).

Результаты исследования и их обсуждение

Произведён расчет статических задач теории упругости, описывающих контактное взаимодействие систем кость-фиксатор при трех видах нагрузок: осевая (700 Н), поперечная (100 Н) и скручивающая (10 Н·м) при подвертельном переломе (тип 32-1А).

Приведем результаты для напряженно-деформированного состояния системы кость-стержень PFN-A при трех исследованных нагрузках (рис. 2, А). Перемещения бедренной кости в случае установки стержня PFN-A нами были приняты в качестве «эталона» или «стандарта». Поля перемещений для исследуемого стержня с проксимальным винтом-шилом показаны на рис. 2, Б.

bar2.tif

Рис. 2. А – Поля перемещений для стержня PFN-A трех рассмотренных нагрузок (слева-направо: осевая, поперечная сила и скручивающий момент); Б – Поля перемещений для стержня с винтом-шилом трех рассмотренных нагрузок

При сравнении максимального перемещения костных отломков для двух типов стержней и каждого вида нагрузки, можно отметить, что стабильность перелома для осевой и поперечной нагрузок в случае установки стержня с винтом-шилом не хуже, чем в случае установки стержня PFN-A. В случае скручивающего момента максимальные перемещения головки бедра для нового стержня составляют 1 мм против 0.4 мм для стержня PFN-A. Тем не менее, эти значения являются допустимыми.

Таблица 1

Максимальные перемещения костных отломков, мм

Вид нагрузки

Стержень с винтом-шилом

Стержень PFN-A

Осевая

1.4

1.3

Поперечная

2.3

2.3

Скручивающая

1.1

0.4

Таблица 2

Максимальные эффективные напряжения в стержнях, МПа

Вид нагрузки

Стержень с винтом-шилом

Стержень PFN-A

Осевая

295

181

Поперечная

443

58

Скручивающая

557

400

Далее были проанализированы эффективные напряжения, возникающие в исследованных стержнях (рис. 3).

bar3.tif

Рис. 3. А – Эффективные напряжения в стержне PFN-A; Б – Эффективные напряжения в стержне с проксимальным винтом-шилом (слева-направо: осевая сила, поперечная сила, скручивающий момент)

При анализе напряжений можно отметить, что для обоих стержней наибольшие напряжения обнаруживаются на блокирующих винтах, а также в теле стержня.

Напряжения в стержне PFN-A оказались несколько ниже, чем в исследуемом стержне.

Учитывая полученные результаты, первоначальная трехмерная модель стержня с проксимальным блокирующим винтом-шилом (патент № 146659) была перестроена в системе автоматизированного проектирования SolidWorks. По сравнению с первоначальной моделью был изменен угол наклона винта-шила, а также его диаметр. На рис. 4 показана модель стержня с измененными параметрами.

bar4.tif

Рис. 4. Новая модель интрамедуллярного стержня с винтом-шилом

Угол наклона к вертикали проксимального отдела стержня равен 28 °. Ранее этот угол составлял 20 °. Угол наклона винта-шила в новой модели составляет 40 °, ранее он был равен 45 °. Диаметр винта-шила в новой модели уменьшен до 5 мм. Таким образом, была повышена прочность проксимального отдела стержня. Другие основные размеры стержня остались без изменений.

При исследовании расчета жесткости фиксации новым стержнем с винтом шилом перелома типа 32-А1 вид нагружений остался прежним.

bar5.tif

Рис. 5. Фиксатор с проксимальным винтом-шилом нового образца (осевая нагрузка 700 Н). А – Перемещения бедренной кости; Б – Эффективные напряжения

Были изучены и занесены в таблицу максимальные значения перемещения головки бедра для всех трех исследованных стержней представлены в табл. 3.

Таблица 3

Максимальные перемещения костных отломков (мм) в зависимости от вида нагружения при переломе типа 32-А1

Вид нагрузки

Стержень с винтом-шилом

Новый стержень с винтом-шилом

Стержень PFN-A

Осевая

1.4

1.3

1.3

Поперечная

2.3

2.3

2.3

Скручивающая

1.1

0.7

0.4

Также проанализированы наибольшие значения эффективных напряжений в системе «кость-фиксатор» для трех исследованных стержней внесены в табл. 4.

Таблица 4

Максимальные эффективные напряжения в стержнях (МПа) в зависимости от вида нагружения

Вид нагрузки

Стержень с винтом-шилом

Новый стержень с винтом-шилом

Стержень PFN-A

Осевая

295

172

181

Поперечная

443

152

58

Скручивающая

557

354

400

При анализе цифровых данных, полученных в результате компьютерного трёхмерного моделирования и исследования стабильности систем «кость-фиксатор» выявлено, что все три интрамедуллярных стержня показали схожую жесткость и стабильность при рассчитанных нагрузках. При этом новый стержень с проксимальным винтом-шилом по значениям перемещений оказался ближе к стержню PFN-A, выбранному в качестве «эталона».

Анализ эффективного напряжения в стержнях выявил, что новый стержень с винтом-шилом показал себя лучше, чем его прежняя модель. Напряжения в нем оказались ниже для всех трех нагрузок по сравнению с первоначальной моделью данного стержня, изученной на первом этапе исследования. С биомеханической точки зрения такая обновленная конструкция выглядит предпочтительнее. Учитывая виртуальные характеристики двух моделей по патенту РФ № 146659 слабым местом оказалось ротационное нагружение. Это учтено и в следующей модели шило-стержень было изменено на винт-шило (патент РФ № 158571).

Выводы

1. При создании конструкций для остеосинтеза переломов костей перед воплощением в их в физическую форму и применением в практике, теоретически изложенные в патентах преимущества новых устройств, должны проходить этап виртуального моделирования с использованием специализированных программных продуктов для изучения их стабильности и уточнения значений всех расчётных параметров.

2. Следование такому алгоритму позволило нам подтвердить эффективность предлагаемого интрамедуллярного устройства и рассчитать наиболее оптимальный угол наклона блокирующего элемента – винта-шила (40 ° вместо 45 °), скорректировать угол наклона проксимального отдела интрамедуллярного стержня до 28 °. Диаметр винта-шила в новой модели равен 5 мм против 10 мм в предыдущей модели, что повысило прочность проксимального отдела стержня.