Мобильная версия

Журнал «Травма» Том 17, №1, 2016

Напряженно-деформированное состояние проксимального отдела большеберцовой кости ребенка при tibia vara в условиях одностороннего блокирования фиксаторами различных типов

Авторы: Хмызов С.А., Прозоровський Д.В., Суббота И.А., Ершов Д.В. - ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов имени проф. Н.И. Ситенко НАМНУ», г. Харьков, Украина

Рубрики: Травматология и ортопедия

Разделы: Клинические исследования

Актуальність. Сучасним стандартом хірургічного лікування фронтальних епіметафізарних деформацій колінного суглоба у дітей є метод керованого росту. Для тимчасового блокування росткової зони використовуються різні фіксатори: скоби Блаунта, пластини з гвинтами. Проте дослідження, присвячені вивченню напружено-деформованого стану при використанні зазначених фіксаторів, відсутні.
Мета: дослідження напружено-деформованого стану моделі проксимального відділу великогомілкової кістки дитини при однобічному блокуванні росткової зони фіксаторами різних типів в умовах навантажень, характерних для tibia vara.
Матеріали і методи. За допомогою програми Solid Works створена і проаналізована методом кінцевих елементів 3D-модель проксимального відділу великогомілкової кістки дитини з латеральним блокуванням одним із 3 фіксаторів: скоба Блаунта, блокована пластина, стандартна пластина в умовах навантаження, характерних для tibia vara.
Результати. В умовах навантаження, характерних для tibia vara, відзначено збільшення напружень у медіальній частині росткової зони. При однобічному блокуванні фіксаторами виявлено нові зони підвищених навантажень у кістковій тканині метаепіфіза нижче від росткової зони. Найбільше напруження у фіксаторах відзначено в зоні контакту проксимального гвинта з пластиною, а також у верхній частині скоби.
Висновок. Варусна деформація проксимального відділу великогомілкової кістки веде до підвищення навантажень у медіальній частині проксимальної росткової зони. Використання різних фіксаторів для однобічного блокування проксимальної росткової зони великогомілкової кістки призводить до появи відмінних напружень у проксимальному її епіметафізі. До мінімального підвищення напружень у кістковій тканині метафіза приводять варіанти фіксації із застосуванням пластин, а використання скоб Блаунта значно підвищує напруження в кістковій тканині в ділянці розташування скоб.

Актуальность. Современным стандартом хирургического лечения фронтальных эпиметафизарных деформаций коленного сустава у детей является метод управляемого роста. Для временного блокирования зоны роста используются различные фиксаторы: скобы Блаунта, пластины, винты, однако исследования, посвященные изучению напряженно-деформированного состояния при использовании указанных фиксаторов, отсутствуют.
Цель: исследование напряженно-деформированного состояния модели проксимального отдела большеберцовой кости с односторонним блокированием ростковой зоны фиксаторами разных типов в условиях нагрузок, характерных для tibia vara.
Материалы и методы. С помощью программы Solid Works создана и проанализирована методом конечных элементов 3D-модель проксимального отдела большеберцовой кости ребенка с латеральным блокированием одним из 3 фиксаторов: скоба Блаунта, блокируемая пластина, стандартная пластина в условиях нагрузки, характерных для tibia vara.
Результаты. В условиях, характерных для варусной деформации проксимального отдела большеберцовой кости без фиксаторов, отмечено увеличение нагрузок в медиальной части ростковой зоны. При одностороннем блокировании фиксаторами выявлено появление новых зон повышенных нагрузок в костной ткани метаэпифиза ниже ростковой зоны. Наибольшее напряжение в фиксаторах отмечено в зоне контакта проксимального винта с пластиной, а также в верхней части скобы.
Вывод. Варусная деформация проксимального отдела большеберцовой кости ведет к повышению нагрузок в медиальной части проксимальной ростковой зоны. Использование различных фиксаторов для одностороннего блокирования проксимальной зоны роста большеберцовой кости ведет к появлению разных напряжений в проксимальном ее эпиметафизе. К минимальному повышению напряжений в костной ткани метафиза приводят варианты фиксации с использованием пластин, а применение скоб Блаунта ведет к значительному повышению напряжений в костной ткани в области размещения.

Background. The current standard of pediatric frontal knee deformities treatment is a guided growth technique. Several devices are used for temporal growth plate blocking: Blount staples and different plates with screws. Up to now there is no any research devoted to stress-strain state analysis of the epimetaphyseal part of the pediatric bone with one side temporal growth plate block on it.
Objective. To study the stress-strain state of the pediatric proximal tibia model with lateral hemiepiphysiodesis using different types of devices in loading conditions typical to the tibia vara.
Materials and methods. 3D models of the proximal child’s tibia with lateral hemiepiphysiodesis using Blount staples or locking or non-locking plate were analyzed in a load conditions typical to tibia vara by finite element method using Solid Works program.
Results. Increased compressive stress was found in the medial part of the proximal tibial growth plate in load conditions typical to tibia vara. New areas of high stress in the metaphyseal bone below growth plate were deteced. The maximum stress was registered in lockers noted in the contact area of the proximal screws to the plate, and in the upper part of the Blount staples.
Conclusion. Varus deformity of the proximal tibia leads to higher compressive stress in the medial part of the proximal tibial growth plate. Lateral hemiepiphysiodesis of the proximal tibial growth plate using different types of lockers leads to different pattern of stress strain state of proximal tibial epimetaphysis. Minimal load increase in metaphysis bone tissues is observed if locking plates are used, Blount staples application causes significant enhance of load in bone tissue in its place.

Ключевые слова

керований рост, метод кінцевих елементів, скоба Блаунта, 8-plate.

управляемый рост, метод конечных элементов, скоба Блаунта, 8-plate.

guided growth, finite element method, Blount staples, 8-plate.

Статтю опубліковано на с. 77-84

Дослідження виконано в рамках НДР «Вивчити морфологічні зміни та особливості функціонування росткових зон довгих кісток кінцівок в умовах їх тимчасового блокування» (№ 0114U003017).

Вступ

Фронтальні епіметафізарні деформації колінного суглоба (ФЕДКС) (genu varum, genu valgum) є поширеною ортопедичною патологією у дітей [3]. Тимчасове однобічне блокування росткової зони (ТОБ РЗ) металевим фіксатором ефективно використовується для хірургічного лікування ФЕДКС у дітей, що дозволяє досягти поступової корекції деформації за рахунок створення асиметричного росту росткової зони оперованої кістки, тобто без виконання остеотомії (рис. 1) [2, 10, 11].

У хірургічній практиці на даний час використовуються декілька фіксаторів, що розроблені безпосередньо для ТОБ РЗ: 1) скоби Блаунта; 2) стандартні пластини (СтПл) із двома отворами (8-plate (Ortofix) та їх аналоги); 3) блоковані пластини (БлПл) (рис. 2) [3, 6]. Зазначені фіксатори мають різні конструктивні особливості, які можуть впливати на характер розподілу напруження в ділянці росткової зони, що, у свою чергу, може сприяти виникненню ускладнень, пов’язаних із використанням даних фіксаторів (міграції, порушенню цілісності фіксатора) [5].

На сьогодні день у літературі відсутні роботи з дослідження напружено-деформованого стану епіметафізарного відділу кістки дитини в умовах однобічного блокування її росткової зони.

Мета роботи: дослідження напружено-деформованого стану моделі проксимального відділу великогомілкової кістки (ВГК) дитини із латеральним блокуванням росткової зони фіксаторами різних типів в умовах навантажень, що характерні для tibia vara.

Матеріали та методи

Структурною особливістю довгих кісток у дітей є наявність росткової зони, що представлена хрящовою тканиною, та розділяє епіфіз і метафіз. Структура трубчатих кісток неоднорідна: діафізарний відділ кістки складається переважно з кортикальної тканини, а проксимальний та дистальний епіфізи мають тонкий шар кортикальної кістки, внутрішній об’єм заповнений губчастою кісткою, що має інші механічні властивості. У випадку даного дослідження вирішено, що при дослідженні епіфіза, де структура кістки більш однорідна, немає необхідності створювати шари кортикальної та губчастої тканини. На основі аналізу комп’ютерної томографії із 3D-реконструкцією великогомілкової кістки 10 дітей віком від 5 до 10 років шляхом визначення середніх параметрів довжини кістки, поперекових розмірів діафіза та проксимального епіметафізарного її відділу була створена 3D-модель проксимального відділу ВГК кістки дитини 8 років, яка мала росткову зону товщиною 3 мм (рис. 3). Моделювання та розрахунки проведені із використанням програм Solid Works 2008 та COSMOS Works.

Механічні характеристики елементів моделі (кісткова, хрящова тканина) з літературних джерел мають дуже великий діапазон значень і залежать від віку. Наприклад, межа міцності кісткової тканини ВГК у віці 5 років становить 6,77–7,06 МПа, а після 25 років — 2,55–5,88 МПа. Для нашого дослідження ми обрали середні показники механічних властивостей кісткової тканини між губчастою та кортикальною кісткою для елементів моделей. Характеристики матеріалів, використаних при розрахунках моделей, наведені в табл. 1 [9].

На основі розробленої моделі проксимального відділу ВГК дитини були створені додаткові 3 моделі, в яких виконано однобічне блокування трьома різними фіксуючими пристроями, що використовуються при лікуванні ФЕДКС у дітей: 1) модель, в якій однобічне блокування проксимальної РЗ виконано скобами Блаунта: 2) модель, в якій для блокування РЗ використана блокована пластина (пластина з кутовою стабільністю гвинтів); 3) модель із стандартною пластиною, в якій можлива зміна кута розташування гвинтів відносно пластини (рис. 4).

Довжина гвинтів у моделях дорівнювала половині перетину проксимального епіфіза кістки.

ВГК витримує (піддається) одночасно декілька різних видів навантажень. Для нашого дослідження ми обрали навантаження, що виникає у фазі одноопорного стояння, — осьове (рис. 5). Відомо, що при варусній деформації колінного суглоба відбувається перерозподіл навантажень на медіальний і латеральний виростки ВГК, зі збільшенням навантаження на медіальний виросток [4].

Для забезпечення необхідних зони та напрямку навантаження ми застосували додаткові елементи навантаження, що контактували безпосередньо з виростками великогомілкової кістки. При навантаженні величина сили, прикладеної до обох навантажувальних елементів, становила 200 Н (що дорівнює 20,39 кг).

При моделюванні навантаження на виростки ВГК при нормальних осьових взаємовідносинах у колінному суглобі (в нормі) навантаження на медіальний і латеральний виростки було розподілено рівномірно, тобто по 50 %.

Враховуючи дані існуючих досліджень [1, 7], для моделювання навантажень на виростки ВГК, що характерне для tibia vara, розподіл виконали так: 60 % на елемент, що навантажує медіальний виросток, та 40 % на елемент, що навантажує латеральний виросток. Дистальна частина кістки була жорстко закріплена, що необхідно для проведення дослідження. Таке віддалене розташування зони кріплення не призводило до додаткового впливу на область дослідження.

Таким чином, виконано серію моделювань навантаження проксимального відділу ВГК: 1) у нормі; 2) в умовах tibia vara; 3) в умовах tibia vara та однобічного блокування проксимальної росткової зони фіксаторами різних типів (скоба Блаунта; стандартна пластина; блокована пластина).

Результати

При аналізі напружено-деформованого стану (НДС) проксимального відділу ВГК в нормі та в умовах навантаження, характерного для tibia vara, відмічається переміщення зони найбільшого напруження в ділянку проксимальної росткової зони та збільшення величини максимального напруження з 0,339 до 0,610 МПа (рис. 6).

Крім того, слід зазначити, що і в напруженні проксимальної росткової зони ВГК відбулись зміни: збільшилась величина максимального напруження в латеральній частині з 0,103 до 0,514 МПа; і в медіальній — з 0,059 до 0,201 МПа (рис. 7, 8).

Також збільшилась загальна площа напруження вище від 0,03 МПа з 0,49 до 1,98 %, причому переважно завдяки латеральній ділянці (рис. 8).

Аналіз НДС у проксимальному відділі ВГК в умовах однобічного блокування росткової зони (рис. 9) показав, що застосування фіксуючих елементів призводить до появи нової зони підвищених напружень нижче від росткової зони, яка виникає завдяки перенесенню навантаження на скоби, пластини та гвинти. Напруження в кістковій тканині в ділянці розташування гвинтів і скоб зростає. При застосуванні скоби Блаунта напруження підвищується до 1135 МПа, а при застосуванні пластин — до 741,6 МПа (блокована пластина) та 630,7 МПа (стандартна пластина). До найменшого підвищення напруження приводять варіанти фіксації з використанням пластин. Крім того, відбувається зменшення напруження в медіальному виростку великогомілкової кістки при всіх видах фіксації.

В усіх випадках використання пластин найбільше напруження розташовується в зоні контакту верхнього гвинта з пластиною, а у випадках використання скоб Блаунта — у скобі, розташованій найбільш дорзально (рис. 10). Максимальні напруження розподілилися так: у скобі Блаунта — 2747 МПа, у стандартній пластині — 2769 МПа, а при фіксації блокованою пластиною — 4114 МПа. Ця зона підвищеного напруження розташовується за межами кісткової тканини, а в межах кісткової тканини найбільші напруження спостерігаються у гвинтах, розташованих внизу.

Використання скоб дозволяє знизити напруження в медіальній частині росткової зони, а в латеральній напруження залишаються досить високими — 0,581 МПа. При застосуванні пластини та гвинтів максимальне напруження припадає на медіальну ділянку великогомілкової кістки і становить 0,189 МПа (блокована пластина) та 0,191 МПа (стандартна пластина). Слід зазначити, що використання пластини з гвинтами призводить до появи зон підвищеного напруження в ділянці розташування кінців гвинтів із величиною напруження близько 0,036 МПа в обох випадках (рис. 11, рис. 12).

Використання фіксуючих елементів дозволяє суттєво знизити обсяг напружень вище від 0,03 МПа в ростковій зоні. Так, при використанні скоби Блаунта цей показник становить 3,32 % від загального обсягу росткової зони, блокованої пластини — 1,17 % від загального обсягу росткової зони, стандартної пластини — 1,12 % від загального обсягу росткової зони. Якщо не використовувати фіксуючих елементів, цей показник становить 1,98 %. Це свідчить про зменшення обсягу зон напруження на 30–40 %.

Обговорення

Використання різних фіксаторів для однобічного блокування проксимальної РЗ ВГК призводить до появи неоднорідних напружень у проксимальному її епіметафізі, при цьому фіксатор частково сприймає та переносить навантаження із концентрацією напружень у метафізарному відділі кістки. Також слід відзначити, що при використанні пластин із гвинтами характер передачі навантаження не змінюється, хоча має місце незначне зменшення величин максимального напруження в ростковій зоні при використанні БлПл. При використанні скоб Блаунта визначається виражена асиметрія НДС росткової зони із суттєвим підвищенням напруження в ділянці розташування фіксаторів. При використанні стандартної пластини із 2 гвинтами найбільше напруження відзначається у зоні розташування гвинта, що введений у метафіз. Ці дані можуть пояснювати причину ускладнень методики ТОБ РЗ при лікуванні tibia vara, що проявляються у порушенні цілісності гвинта, введеного у метафіз [8].

Висновки

При дослідженні створеної кінцево-елементної моделі ВГК відзначається збільшення напруження в медіальній частині росткової зони при навантаженні, характерному для tibia vara. Використання різних фіксаторів для однобічного блокування проксимальної РЗ ВГК призводить до появи відмінних напружень у проксимальному її епіметафізі. В умовах однобічного блокування латеральної частини росткової зони ВГК до мінімального підвищення напруження в кістковій тканині метафіза приводять варіанти фіксації із застосуванням пластин, а використання скоб Блаунта значно підвищує напруження в кістковій тканині в області розташування скоб.

Конфлікт інтересів. Автори заявляють про відсутність конфліктів інтересів, автори не мають будь-якої спонсорської фінансової допомоги.

Список литературы

1. Бурлаков Э.В. Биомеханический анализ характера нагружения межмыщелковой поверхности коленного сустава во фронтальной проэкции [Текст] / Э.В. Бурлаков, Д.В. Алатов, В.Д. Макушин, Л.Л. Саблукова // Медицинская техника. — 2008. — № 2. — С. 27-32.

2. Кенис В.М. Коррекция деформаций нижних конечностей у детей с помощью метода управляемого роста / Кенис В.М., Клычкова И.Ю., Мельченко Е.В. и соавт. // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. — 2013. — № 4. — С. 50-55.

3. Корж Н.А. Метод временного блокирования зон роста при лечении деформаций нижних конечностей у детей (обзор литературы) / Н.А. Корж, С.А. Хмызов, А.И. Корольков, Д.В. Ершов // Ортопедия, травматология и протезирование. — 2013. — № 2. — С. 114-121.

4. Сіменач Б.І. Фактор навантаження суглоба і його роль в теоретизації ортопедичної науки / Б.І. Сіменач, Б.А. Пустовойт, Є.П. Бабуркіна та ін. // Ортопедія, травматологія та протезування. — 1995. — № 2. — С. 3-10.

5. Burghardt R.D. A technical note on improved instrumentation for Blount staple insertion / R.D. Burghardt, A.D. Kanellopoulos, J.E. Herzenberg // J. Children’s Orthopaedics. — 2012. — Vol. 6(4). — Р. 347-350. — Doi: 10.1007/s11832-012-0422-2.

6. Burghardt R.D. Mechanical failures of eight-plateguided growth system for temporary hemiepiphysiodesis / R.D. Burghardt, S.C. Specht, J.E. Herzenberg // J. Pediatr. Orthop. — 2010 Sep. — № 30(6). — Р. 594-7. — Doi: 10.1097/BPO.0b013e3181e4f591.

7. Heller M.O. The influence of alignment on the musculo-skeletal loading conditions at the knee / M.O. Heller, W.R. Taylor, C. Perka et al. // Langenbecks Arch. Surg. — 2003 Oct. — № 388(5). — Р. 291-7.

8. Oto M. Adolescent Blount disease in obese children treated by eight-plate hemiepiphysiodesis / M. Oto, G. Yilmaz, Bowen J.R. et al. // Eklem Hastalik. Cerrahisi. — 2012 Apr. — № 23(1). — Р. 20-4.

9. Skeletal Tissue Mechanics / Martin R.B., Burr D.B., Sharkey N.A., Fyhrie D.P. — London.: Springer, 2015. — 500 p.

10. Stevens P.M. Guided growth for angular correction: a preliminary series using a tension band plate / P.M. Stevens // J. Pediatr. Orthop. — 2007. — № 27(3). — Р. 253-9.

11. Yilmaz G. Guided growth with a noncannulated screw-plate system for angular deformity of the knee: a preliminary report / G. Yilmaz, M. Oto, A.M. Thabet // J. Pediatr. Orthop. — 2014 Apr-May. — № 34(3). — Р. 336-45.

1. Burlakov E.V. Biomechanical analisys of loading characterisics of intercondylar surface of the knee joint in frontal plane/ E.V. Burlakov, D.V. Alatov, V.D. Makušyn, L.L. Sablukova // Medycynskaja texnyka. - 2008. - N2. - S. 27-32

2. Kenys V.M. Pediatric lower limb deformity correction using guided growth method/ Kenys V.M., Klыčkova Y.Ju., Melʹčenko E.V. et al.// Vestnik travmatologii i ortopedii im. N.N. Priorova”, 2013.-N 4.-S.50-55.

3. Korž N. A. Temporal block of the growth plate for pediatric lower limb deformity correction (review of the literature) / N. A. Korž, S. A. Xmyzov, A. Y. Korolʹkov, D. V. Ershov// Orthopaedics, Traumatology and Prosthetics. - 2013. № 2.-S: 114–121.

4. Simenač B.I. «Joint load factor» and its role in theoretic orthopedics / B.I. Simenač, B.A. Pustovojt, Je.P. Baburkina ta in.// Orthopaedics, Traumatology and Prosthetics.- 1995. - № 2. - S. 3-10.

5. Burghardt R. D. A technical note on improved instrumentationfor Blount staple insertion / R. D.Burghardt, A. D. Kanellopoulos, J. E. Herzenberg // J. Children’s Orthopaedics. -2012. -Vol. 6 (4). — Р. 347–350, doi: 10.1007/s11832-012-0422-2

6. Burghardt R. D. Mechanical failures of eight-plateguided growth system for temporary hemiepiphysiodesis/ R.D. Burghardt R.D., S.C. Specht, J.E.Herzenberg// J Pediatr Orthop. 2010 Sep;30(6):594-7. doi: 10.1097/BPO.0b013e3181e4f591.

7. Heller M.O. The influence of alignment on the musculo-skeletal loading conditions at the knee/ M.O. Heller, W.R. Taylor, C. Perka та ін.// Langenbecks Arch Surg.- 2003 Oct;388(5):291-7.

8. Oto M. Adolescent Blount disease in obese children treated by eight-plate hemiepiphysiodesis/ M. Oto, G. Yılmaz G, Bowen J.R. et al.// Eklem Hastalik Cerrahisi. 2012 Apr;23(1):20-4.

9. Skeletal Tissue Mechanics/[Martin R. B., Burr D. B., Sharkey N. A., Fyhrie D. P.]. — London.: Springer, 2015. — 500 p.

10. Stevens P.M. Guided growth for angular correction: a preliminary series using a tension band plate/P.M. Stevens // J. Pediatr Orthop. 2007;27(3):253-9.

11. Yilmaz G. Guided growth with a noncannulated screw-plate system for angular deformity of the knee: a preliminary report/ G. Yilmaz, M.Oto, A.M Thabet. // J. Pediatr Orthop. 2014 Apr-May;34(3):336-45.