На современном этапе развития травматологии и ортопедии выбор метода стабилизации фрагментов трубчатых костей остается дискуссионной проблемой. При открытых переломах трубчатых костей и при переломах в составе политравмы, при псевдоартрозах чрескостный остеосинтез оказывается методом выбора.
Основными преимуществами этого метода являются малотравматичность методики, обеспечение активности пациентов и сокращение сроков реабилитации [1, 2, 3].
Одним из основных факторов, определяющих благоприятный исход лечения, является стабильность соединения внешней конструкции и костных фрагментов. Известно, что при использовании стержневых аппаратов в лечении переломов трубчатых костей примерно в 60% случаев возникает расшатывание фиксирующих кость винтов Шанца. В результате возникают нестабильность остеосинтеза, замедленная консолидация, а также ложные суставы трубчатых костей [4, 5].
Важными моментами в сохранении устойчивости фиксации костных фрагментов являются количество и пространственное взаиморасположение винтов Шанца.
В отечественной и зарубежной литературе отмечается разноречивость результатов экспериментальных данных и практических рекомендаций по внеочаговой стержневой фиксации [6, 7, 8], что явилось причиной выполнения нашего экспериментального исследования.
Цель: экспериментальное исследование определения допустимых внешних нагрузок на стержневой аппарат, разработка оптимальных количественных характеристик и пространственного взаиморасположения винтов Шанца относительно линии излома трубчатой кости, обеспечивающих стабильность внеочаговой чрескостной фиксации.
Материал и методы исследования
Для выполнения экспериментальной части исследования был предложен испытательный нагрузочный стенд, включающий в себя регистрирующую аппаратуру. В качестве несущей конструкции использовался разработанный стержневой аппарат внешней чрескостной фиксации, который предназначен для восприятия внешних нагрузок и стабилизации положения костных отломков.
Эксперименты выполняли на большеберцовой кости человека, изъятой из ампутированных нижних конечностей с соблюдением этических и правовых норм (заключение ЛЭК от 16.04.2014 г., ГБОУ ДПО ПИУВ Минздрава России). Выполнено 20 экспериментов в соответствии с поставленными задачами.
Для оценки достоверных значений жесткости системы «стержневой аппарат – трубчатая кость» были выполнены исследования на большеберцовой кости диаметром в среднем 35 мм и толщиной кортикальных слоев 3–5 мм, которую жестко фиксировали к основанию стенда. Осевую нагрузку прикладывали перпендикулярно винту Шанца, установленному в большеберцовую кость, с плечом а – 50 мм. Возникающие деформации винта Шанца измеряли с помощью стандартных индикаторов часового типа мод. ИЧ с ценой деления 0,01 мм.
В целом система «винт Шанца – трубчатая кость» обладала (суммарной) жесткостью j к внешней нагрузке продольной оси кости. Эта жесткость состояла из собственной изгибной (jс) жесткости винта Шанца и контактной жесткости (jк) кортикального слоя трубчатой кости на стыке с винтом Шанца.
Для определения суммарной жесткости винта Шанца, установленного в трубчатую кость, необходимо рассчитать две характеристики – изгибную силовую жесткость и изгибную моментную жесткость.
Первоначально для определения собственной изгибной жесткости винта Шанца его жестко фиксировали с помощью металлических креплений к основанию нагрузочного стенда и прилагали к нему перпендикулярную дозированную нагрузку с плечом 50 мм. С помощью индикаторов измеряли деформацию винта Шанца.
В дальнейшем для определения контактной жесткости кортикального слоя трубчатой кости винт Шанца устанавливали в диафиз большеберцовой кости и выполняли дозированное нагружение внешней силой (по оси трубчатой кости) на винт с плечом 50 мм. После этого определяли разницу величины деформации винта Шанца, установленного в диафиз большеберцовой кости, и винта, жестко фиксированного к основанию стенда, получали величину контактной деформации кортикального слоя кости.
Величина деформации винта Шанца обратно пропорциональна суммарной жесткости. Поэтому, измеряя деформацию винта, мы находили жесткость. Самым слабым местом в этой системе оказываются кортикальные слои трубчатой кости, от их контактной жесткости в основном зависит стабильность системы «винт Шанца – трубчатая кость».
Изучая контактные деформации кортикального слоя большеберцовой кости, необходимо было определить предельно допустимые силовые нагрузки в стыке «винт Шанца – трубчатая кость».
Результаты исследования и их обсуждение
Экспериментальными исследованиями было установлено, что в диапазоне сравнительно небольших нагрузок P <100 Н (10 кгс) на один винт Шанца, установленный в диафиз трубчатой кости, доля контактных деформаций (на стыке винта Шанца и кортикальных слоев трубчатой кости) была незначительной и составляла в среднем 0,04 мм. При продольных нагрузках более 100 Н на 1 винт Шанца происходило хрупкое разрушение кортикального слоя, что может привести к нестабильности. Отсюда следует принципиально важный вывод об ограничении предельной внешней нагрузки не более 10 кгс на 1 винт Шанца.
Существенное повышение контактной жесткости кортикальных слоев трубчатой кости на стыке с винтом Шанца возможно за счет увеличения количества винтов и выбора их оптимального пространственного взаиморасположения.
В дальнейшем были выполнены экспериментальные исследования с расчетами изгибной силовой жесткости и изгибной моментной жесткости системы с фиксацией 2, 3 и 4 винтами Шанца, представленные в таблице 1, из которой видно, что жесткость системы «стержневой аппарат – большеберцовая кость» с двумя винтами Шанца, установленными в одной плоскости, больше в 4–4,5 раза по сравнению с жесткостью системы «стержневой аппарат – большеберцовая кость» с одним винтом Шанца.
Таблица 1
Зависимость изгибной силовой и моментной жесткости от количества винтов Шанца, установленных в одной плоскости
|
Кол-во винтов Шанца |
Значение жесткости |
|
|
Изгибная силовая кгс/мм |
Изгибная моментная Нм/мм |
|
|
1 |
4,34 |
2,17 |
|
2 |
18,6 |
7,46 |
|
3 |
28 |
11,2 |
|
4 |
32,5 |
13,0 |
Жесткость системы стержневой «стержневой аппарат – большеберцовая кость» с тремя винтами Шанца, установленными в одной плоскости, больше в 6–6,5 раз по сравнению с жесткостью системы «стержневой аппарат – большеберцовая кость» с одним винтом Шанца.
Жесткость системы стержневой «стержневой аппарат – большеберцовая кость» с четырьмя винтами Шанца, установленными в одной плоскости, больше в 7,5 раз по сравнению с жесткостью системы «стержневой аппарат – большеберцовая кость» с одним винтом Шанца. Следовательно, контактная деформация и нагрузка на кортикальные слои кости в системе «стержневой аппарат – большеберцовая кость» меньше в 4–4,5 раза для системы, состоящей из двух винтов Шанца в одной плоскости, в 6–6,5 раза – для системы, состоящей из трех винтов Шанца в одной плоскости, и в 7,5 раза – для системы, состоящей из трех винтов Шанца в одной плоскости, по сравнению с контактной деформацией и нагрузкой на кортикальные слои кости системы «стержневой аппарат – большеберцовая кость» с одним винтом Шанца.
Четырехвинтовая фиксация отломка трубчатой кости позволяет увеличить предельную нагрузку от 120 до 160 кгс, этого более чем достаточно в клинической практике. Более 4 винтов Шанца в один фрагмент не рекомендуется устанавливать из-за риска формирования миофасциодезов с последующим развитием контрактур, поэтому испытаний с большим количеством винтов не выполняли.
Кроме того, в представленном экспериментальном исследовании были выполнены расчеты жесткости системы «стержневой аппарат – большеберцовая кость» с фиксацией двумя винтами Шанца, установленными под разным углом, которые представлены в таблице 2. Схему из двух винтов применяли для того, чтобы определить влияние только угла их взаиморасположения.
Таблица 2
Зависимость изгибной силовой и изгибной моментной жесткости от углового взаиморасположения двух винтов Шанца
|
Угол α, в градусах |
Изгибная силовая жесткость jр |
Изгибная моментная жесткость jм |
|
0 |
18,6 |
7,4 |
|
30 |
18,8 |
7,53 |
|
45 |
25 |
10 |
|
60 |
26,4 |
10,56 |
|
70 |
30,76 |
12,3 |
|
90 |
46,6 |
18,6 |
Из таблицы 2 следует, что жесткость системы «стержневой аппарат – большеберцовая кость» с двумя винтами Шанца, установленными под углом 30º, незначительно больше жесткости системы «стержневой аппарат – большеберцовая кость» с двумя винтами Шанца, установленными в одной плоскости.
Жесткость системы «стержневой аппарат – большеберцовая кость» с двумя винтами Шанца, установленными под углом 45º, повышается более существенно жесткости системы «стержневой аппарат – большеберцовая кость» с двумя винтами Шанца, установленными в одной плоскости.
Жесткость системы «стержневой аппарат – большеберцовая кость» с двумя винтами Шанца, установленными под углом 60º, выше в 1,4 раза системы жесткости «стержневой аппарат – большеберцовая кость» с двумя винтами Шанца, установленными в одной плоскости.
Жесткость системы «стержневой аппарат – большеберцовая кость» с двумя винтами Шанца, установленными под углом 70º, выше в 1,6 раза жесткости системы «стержневой аппарат – большеберцовая кость» с двумя винтами Шанца, установленными в одной плоскости.
Жесткость системы «стержневой аппарат – большеберцовая кость» с двумя винтами Шанца, установленными под углом 90º, выше в 2,5 раза жесткости системы «стержневой аппарат – большеберцовая кость» с двумя винтами Шанца, установленными в одной плоскости, следовательно, и контактная деформация уменьшается в 2–2,5 раза, это позволяет в 2,5 раза увеличить предельную внешнюю нагрузку – до 80 кгс.
Сравнительный анализ жесткости в зависимости от углового взаиморасположения винтов Шанца показал, что с увеличением угла взаиморасположения винтов Шанца в трубчатой кости линейно уменьшается их деформация и увеличивается жесткость системы «стержневой аппарат – трубчатая кость». Во сколько раз уменьшается общая деформация винтов Шанца, во столько же раз уменьшается и контактная деформация кортикальных слоев на стыке винта Шанца с костью.
Из проведенных экспериментальных исследований следует, что жесткость системы «стержневой аппарат – трубчатая кость» с двумя винтами, установленными в одной плоскости, практически в 4–4,5 раза больше по сравнению с жесткостью системы «стержневой аппарат – трубчатая кость» с одним винтом Шанца, который выдерживает 10 кгс, следовательно, и контактная деформация меньше в 4–4,5 раза. Соответственно и предельная нагрузка на трубчатую кость может быть увеличена в 4–4,5 раза и составлять не менее 40 кгс.
Жесткость системы «стержневой аппарат – трубчатая кость» с тремя винтами Шанца, установленными в одной плоскости, больше в 6–6,5 раза по сравнению с жесткостью системы, включающей один винт Шанца. Предельная нагрузка может составлять порядка 60 кгс.
Установлено, что жесткость системы «стержневой аппарат – трубчатая кость», содержащей 2 винта Шанца, расположенных под углом 90°, в 2–2,5 раза больше, чем жесткость той же системы, в которой винты расположены в одной плоскости. Соответственно и предельная нагрузка может быть увеличена в 2–2,5 раза и составлять величину не менее 80 кгс. Для фиксации фрагментов трубчатых костей верхних конечностей, не испытывающих осевой нагрузки, этого вполне достаточно.
Предельная нагрузка на систему, включающую 3 винта Шанца, два из которых находятся под углом 90°, может составлять порядка 100 кгс. Этого достаточно для фиксации фрагментов трубчатых костей нижних конечностей, для которых осевая нагрузка является основной.
Предельная нагрузка на систему, содержащую 4 винта Шанца, два из которых находятся под углом 90° к двум другим, может быть увеличена до 160 кгс.
Если в четырехстержневой системе три винта находятся в одной плоскости, а четвертый – под углом 90°, то предельная внешняя нагрузка на такую систему составляет 120 кгс. На практике такую нагрузку система «стержневой аппарат – трубчатая кость» не испытывает, даже если это кости нижней конечности. Поэтому при остеосинтезе трубчатых костей нижней конечности целесообразно ограничиться 3 винтами Шанца на один фрагмент.
Четыре винта Шанца в один фрагмент трубчатой кости нижней конечности необходимо устанавливать, только если масса пациента более 100 килограммов или отмечается остеопороз.
Оптимальным углом взаиморасположения винтов Шанца является диапазон от 60° до 90°.
Полученные экспериментальные данные позволяют критически оценить жесткость системы «стержневой аппарат – трубчатая кость» и выбрать оптимальный вариант компоновки аппарата, способствующий благоприятному исходу лечения.
Результаты экспериментальных исследования мы применили в клинической практике у 58 больных с переломами и ложными суставами трубчатых костей за период с 2007 по 2018 годы. Возраст пациентов составлял от 15 до 86 лет.
Резюмируя результаты экспериментальных исследований, посвященных обеспечению стабильности системы «стержневой аппарат – трубчатая кость», целесообразно выделить основные моменты.
Выводы
- Стабильность системы «стержневой аппарат – трубчатая кость» существенно зависит от количества винтов и их углового взаиморасположения.
- Для обеспечения стабильности фиксации перелома трубчатой кости верхней конечности достаточно 2 чрескостных стержней Шанца, расположенных на различном уровне и под углом друг к другу в пределах от 60° до 90° в каждом отломке. Предельная нагрузка при этом на систему «стержневой аппарат – трубчатая кость» не должна превышать 80 кгс.
- Для обеспечения стабильности перелома трубчатой кости нижней конечности необходимо устанавливать не менее 3 винтов Шанца на различном уровне, расположенных также под углом в пределах от 60° до 90° в каждом отломке. Допустимая нагрузка на систему «стержневой аппарат – трубчатая кость» не должна превышать 100 кгс.
Библиографическая ссылка
Салаев А.В., Моисеенко В.А., Кислов А.И., Гатин А.В. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЖЕСТКОСТИ ФИКСАЦИИ ТРУБЧАТОЙ КОСТИ ПРИ ЧРЕСКОСТНОМ СТЕРЖНЕВОМ ОСТЕОСИНТЕЗЕ // Современные проблемы науки и образования. 2020. № 1. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=29535 (дата обращения: 11.05.2025).
DOI: https://doi.org/10.17513/spno.29535