Мобильная версия

Журнал «Травма» Том 17, №3, 2016

Обґрунтування можливості використання одноплощинного шарнірного апарата зовнішньої фіксації для лікування контрактур пальців кисті

Авторы: Науменко Л.Ю. - ДЗ «ДМА МОЗ України», м. Дніпро, Україна; Костриця К.Ю. - ДЗ «ДМА МОЗ України», м. Дніпро, Україна; КЗ «Новомосковська ЦРЛ» ДОР, м. Новомосковськ, Україна; Арбузов М.А. - Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, м. Дніпро, Україна; Маметьєв А.О. - ДЗ «Український державний НДІ МСПІ МОЗ України», м. Дніпро, Україна

Рубрики: Травматология и ортопедия

Разделы: Клинические исследования

При стійких довготривалих контрактурах після травм, включаючи артрогенні, доцільне використання апаратів зовнішньої фіксації. Мета роботи: надати біомеханічне обґрунтування для використання одноплощинного шарнірного апарата зовнішньої фіксації для лікування контрактур у міжфалангових суглобах пальців кисті. Матеріали та методи. Шляхом математичного моделювання вивчалася біомеханічна робота пристрою для лікування контрактур суглобів пальців кисті однобічної одноплощинної конструкції. Результати й обговорення. У математичній моделі біомеханічну роботу даного апарата зовнішньої фіксації можна поділити на дві частини: активну механічну роботу накладної системи та пасивну роботу кістково-суглобного вузла. Суглоб у розрахунках може бути поданий у вигляді пружного шарніра. Сила, що необхідна для щоденного прикладання під час лікування, становить 21 Н, що відповідає 1 градусу повороту у хворому суглобі. Пристроєм необхідне активне зусилля розвивається й передається через два кісткові різьбові стрижні на середню чи дистальну фаланги. Аналітичні вирази дають змогу визначити поздовжні зусилля, що діють у дистальній, проксимальній пластині та поворотному механізмі в будь-який момент роботи апарата зовнішньої фіксації. Висновки. Проведене дослідження дає підстави вважати, що використання одноплощинного одностороннього апарата забезпечує умови для дозованого повороту в суглобі та подолання пружних характеристик різного ступеня вираженості.

При устойчивых долговременных контрактурах после травм, включая артрогенные, целесообразно использование аппаратов внешней фиксации. Цель работы: дать биомеханическое обоснование для использования одноплоскостного шарнирного аппарата внешней фиксации для лечения контрактур в межфаланговых суставах пальцев кисти. Материалы и методы. Путем математического моделирования изучалась биомеханическая работа устройства для лечения контрактур суставов пальцев кисти односторонней одноплоскостной конструкции. Результаты и обсуждение. В математической модели биомеханическую работу данного аппарата внешней фиксации можно разделить на две части: активную механическую работу накладной системы и пассивную работу костно-суставного узла. Сустав в расчетах может быть представлен в виде эластичного шарнира. Сила, необходимая для ежедневного прикладывания во время лечения, составляет 21 Н, что соответствует 1 градусу поворота в больном суставе. Устройством необходимое активное усилие развивается и передается через два костных резьбовых стержня на среднюю или дистальную фаланги. Аналитические выражения дают возможность определить продольные усилия, действующие в дистальной, проксимальной пластине и поворотном механизме в любой момент работы аппарата внешней фиксации. Выводы. Проведенное исследование дает основания считать, что использование одноплоскостного одностороннего аппарата обеспечивает условия для дозированного поворота в суставе и преодоления упругих характеристик разной степени выраженности.

In sustained long-term contractures after injuries, including arthritic ones, it is advisable to use external fixation devices. Purpose: to provide a biomechanical substantiation for the use of unilateral single-plane hinged external fixation device for the treatment of contractures in the interphalangeal joints of the fingers. Materials and methods. Using mathematical modeling, we have studied biomechanical operation of the device for the treatment of contractures of finger joints with unilateral single-plane design. Results and discussion. In the mathematical model, the biomechanical operation of this apparatus for external fixation can be divided into two parts: the active mechanical work of the imposed system, and the passive work of bone-articular junction. The joint in the calculations can be presented in the form of an elastic hinge. The strength required for daily application during the treatment is 21 N, which corresponds to 1 degree of rotation in the affected joint. The required active force is developed by the device and is transmitted via two bone threaded rods on the middle or distal phalanx. Analytical expressions enable us to define the longitudinal forces acting in the distal, proximal plate and the turning mechanism at any point in the operation of the external fixation device. Conclusions. The study gives reason to believe that the use of unilateral single-plane external fixation device provides conditions for controlled rotation in the joint and overcoming the elastic characteristics of varying intensity.

Ключевые слова

контрактури міжфалангових суглобів кисті, математичне моделювання, одноплощинний односторонній апарат зовнішньої фіксації.

контрактуры межфаланговых суставов кисти, математическое моделирование, односторонний одноплоскостной аппарат внешней фиксации.

contractures of the interphalangeal joints of the hand, mathematical modeling, unilateral single-plane external fixation device.

doi: http://dx.doi.org/10.22141/1608-1706.3.17.2016.75795

Статтю опубліковано на с. 132-136

Вступ

У структурі пошкоджень опорно-рухового апарату травми кисті становлять близько 1/3 і часто призводять до інвалідності постраждалих (21–28 % від усіх первинно оглянутих експертними комісіями). В останні роки відзначається істотне збільшення частки тяжких пошкоджень кисті (до 12–15 %), що обумовлює зростання частоти ускладнень до 35 % [6]. Основним ускладненням травм кисті є формування контрактур пальців кисті, а формування стійких згинальних контрактур є негативною прогностичною ознакою, що значно погіршує умови для відновного лікування [1].

Традиційні методи лікування не завжди дають бажаний результат і часто призводять до подовження термінів лікування або інвалідності. За даними А.В. Іпатова (2009 р.), серед хворих з патологією кисті, вперше визнаних інвалідами, частка з контрактурами в суглобах пальців кисті становить до 46,7 %.

Численність існуючих методів реконструктивно-відновного лікування наслідків травм кисті, відсутність чітких показань до їх застосування, багатоетапність операцій створює необхідність подальшого вдосконалення способів відновлення функції травмованої кисті [2, 7, 10].

Багато дослідників зазначають, що одним з ефективних способів збереження і відновлення рухів у суглобах є використання компресійно-дистракційних шарнірних апаратів. При стійких довготривалих контрактурах після травм, включаючи пошкодження суглобових поверхонь, доцільне використання апаратів зовнішньої фіксації. З їх допомогою поступово усувають деформації й контрактури в суглобах, досягають необхідного розведення суглобових поверхонь після операцій на суглобах, зокрема артропластики або артролізу, що забезпечують рухи із заданою амплітудою та в заданій площині після операцій на капсульно-зв’язковому апараті суглоба, коли стабілізуючі елементи суглоба руйнуються патологічним процесом або оперативним втручанням і в суглобі не залишається ефективних анатомічних структур, що перешкоджали б нефізіологічним рухам, зокрема бічному відхиленню [5, 9].

Мета роботи: надати біомеханічне обґрунтування для використання одноплощинного шарнірного апарата зовнішньої фіксації для лікування контрактур у міжфалангових суглобах пальців кисті.

Матеріали та методи

Одним із ефективних способів лікування конт-рактур суглобів пальців є використання компресійно-дистракційних шарнірних апаратів. На сьогодні в клінічній практиці світу існує не один десяток таких пристроїв. Їх можна умовно розділити на чотири групи: це однобічна одноплощинна конструкція, однобічна двоплощинна, двостороння одноплощинна й двостороння двоплощинна (триангулярна) конструкції [5, 9]. Дані пристрої конструктивно націлені на вирішення однієї задачі, але біомеханічна їх робота різна. Дистракція сухожиль і суглобових сумок пальців кисті, дозоване згинання або розгинання в суглобі пальця, плавна передача зусилля тиску на фіксатори фаланг як при згинанні, так і при розгинанні в суглобі — основні завдання, які повинні виконувати такі апарати [3].

У нашому дослідженні шляхом математичного моделювання вивчалася біомеханічна робота пристрою для лікування контрактур суглобів пальців кисті однобічної одноплощинної конструкції (рис. 1).

На відміну від подібних пристроїв однобічної одноплощинної конструкції даний виконує центрування обертання шарніра з природною віссю суглоба й фіксування в заданому положенні при забезпеченні універсальності для різної довжини фаланг пальців, може застосовуватись на дистальному й проксимальному міжфалангових суглобах.

Пристрій для лікування контрактур суглобів пальців кисті (заявка на патент № u201511860 від 30.11.2015 р.) складається з проксимальної секції (1) і дистальної секції (2), виконаних у вигляді пластин. Кожна секція жорстко з’єднана з кісткою (фалангою) кістковими різьбовими стрижнями (3) (по два стрижні на кожну фалангу) крізь отвори (4) для фіксації стрижнів. Секції Г-подібної форми. Між собою секції з’єднані шарніром (5), вісь якого збігається з віссю обертання суглоба через осьовий різьбовий кістковий стрижень (6), що проходить через отвір (4) дистальної секції (2) та динамічний овальний отвір (7) проксимальної секції (1) і являє собою опору дистракційного механізму (8) у вигляді болта (9) у жорстко закріпленій на проксимальній пластині гайці (10). Пристрій містить поворотний механізм (11) у вигляді болта (12) з контргайками (13), розташованого в кутових опорах (14) з шарнірами (15) на пластинах з можливістю фіксування положення пластин.

Результати

У математичній моделі біомеханічну роботу даного апарата зовнішньої фіксації можна поділити на дві частини: активну механічну роботу накладної системи та пасивну роботу кістково-суглобного вузла. За першим законом Ньютона сила, що прикладається від накладної механічної системи, F зазнає протидії від кістково-суглобного вузла F. Ці дві сили протилежно направлені, але рівні за абсолютним значенням.

Здоровий суглоб при дії зовнішньої сили F чинить їй опір R. Опір R складається із сил тертя в міжфаланговому просторі, сил натягу та тертя сухожилля, сил натягу суглобної капсули. Розглядати складові опору R окремо одна від одної недоцільно для поставленої мети. Необхідно оперувати загальним опором R згинанню суглоба.

Для цього здоровий проксимальний суглоб пальця може бути досліджений на рухливість шляхом фіксації проксимальної фаланги, прикладанням сили розгинання до дистального суглоба та вимірюванням величини його переміщення (рис. 2).

Результати дослідження показують, що залежність сил опору розгинанню здорового проксимального суглоба описується прямо пропорційною залежністю закону Гука: R = 75,196x, де 75,196 — коефіцієнт пропорційності, Н/м, є жорсткістю проксимального суглоба.

Отже, суглоб в розрахунках може бути поданий у вигляді пружного шарніра. Тоді середня фаланга, довжина якої становить у середньому 23 мм, виступає ригелем. Отже, опір повороту здорового проксимального суглоба опишеться рівнянням:

M = 0,0007φ,

де 0,0007 — коефіцієнт пропорційності здорового суглоба, H • м ; φ — кут повороту, градус.

При теногенних, артрогенних та десмогенних контрактурах жорсткість проксимальних і дистальних суглобів кисті значно вища. Н.С. Шидловський зі спів-авт. [8] визначив в анатомо-біомеханічному експерименті на трупному матеріалі жорсткість капсульно-зв’язкового апарату проксимальних міжфалангових суглобів, що становить 34,65 Н/мм. Порівняно зі здоровим суглобом це в 460 разів більше.

Тоді опір повороту проксимального суглоба при контрактурах опишеться рівнянням:

M = 0,322φ,

де 0,322 — коефіцієнт пропорційності суглоба при контрактурах, H • м ; φ — кут повороту, градус.

Виходячи з того, що під час лікування контрактури щодня необхідно реалізувати поворот у суглобі на 1 градус і релаксація пружного опору становитиме 50 % за добу, маємо щоденний опір повороту проксимального суглоба (рис. 3):

MR = 0,483 H • м.

Пристрій передає зовнішнє зусилля на середню фалангу через два кісткові різьбові стрижні F1 та F2.

Сума моментів активних сил F1 та F2 дорівнює опору повороту:

MR = (a + b)F1 + bF2,

де a — відстань між осями кісткових різьбових стрижнів, 7–9 мм; b — відстань осі шарніра до осі першого кісткового різьбового стрижня, 8–10 мм.

Виходячи з принципу рівності роботи сил F1 та F2, маємо F1 = 14,2 Н, F1 = 26,8 Н.

Визначимо сили, що діють в механічному пристрої для лікування контрактур суглобів пальців кисті. На рис. 4 подана розрахункова схема. Запишемо рівняння моментів сил відносно осі шарніра:

cF3 = (a + b)F1 + bF2,

де С — відстань осі шарніра до осі кісткового різьбового стрижня проксимальної пластини, 25–30 мм.

Звідси F3 = 17,9 Н.

Запишемо рівняння моментів сил відносно осі кісткового різьбового стрижня проксимальної пластини:

cF4 = (с • cos φ + b)F2 + (c • cos φ + a + b)F1.

Звідки максимальне значення F4 при φ = 0 cтано-вить 58,9 H.

Запишемо рівняння проекції сил на вісь проксимальної пластини:

F5 = sin φ (F1 + F2).

Звідcи максимальне значення F5 при φ = 90° становить 41,0 H.

Рівнодіюча сил F4 та F5 залежить від кута φ (рис. 5).

Поздовжнє зусилля стискання в дистальній пластині дорівнює

Поздовжнє зусилля розтягнення в проксимальній пластині дорівнює

Поздовжнє зусилля розтягнення в поворотному механізмі у вигляді болта дорівнює

де α — кут між віссю дистальної пластини та болта поворотного механізму,

Останні аналітичні вирази дають змогу визначити поздовжні зусилля, що діють в дистальній, проксимальній пластині та поворотному механізмі залежно від кута φ (рис. 6), тобто в будь-який момент роботи одноплощинного шарнірного апарата зовнішньої фіксації.

Отже, проведені дослідження на математичній моделі показали, що суглоб може розглядатися як пружний шарнір. Сила, що необхідна для щоденного прикладання під час лікування, становить 21 Н, що відповідає 1 градусу повороту у хворому суглобі. Пристроєм для лікування контрактур суглобів пальців кисті необхідне активне зусилля розвивається й передається через два кісткові різьбові стрижні на середню чи дистальну фаланги. Визначено поздовжні зусилля дистальної пластини, проксимальної пластини та болта поворотного механізму, що виникають при роботі апарата зовнішньої фіксації.

Висновки

Проведене дослідження дає підстави вважати, що використання одноплощинного одностороннього апарата забезпечує умови для дозованого повороту в суглобі та подолання пружних характеристик різного ступеня вираженості. Технічні характеристики одноплощинного апарата, простота конструкції та простота монтажу на кисті підтверджують доцільність його використання в клінічній практиці.

Конфлікт інтересів. Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів.

Список литературы

1. Раціональна жорсткість шарнірних апаратів для лікування травм та захворювань суглобів пальців кисті / О.А. Бур’янов, А.В. Самохін, В.В. Котюк, О.В. Тимошенко // Вісник НТУУ «КПІ». Машинобудування: збірник наукових праць. — 2010. — № 58. — С. 204-207.

2. Патент РФ № RU 2029521, МПК A61В17/60. Аппарат для лечения костных и мягкотканевых аномалий кисти. Малахов О.А., Терехова О.Ю., Цуканов В.Е. Опубл. 27.02.1995.

3. Патент РФ № RU2268017, МПК A61B17/66. Устройство для лечения застарелых вывихов фаланг пальцев кисти, исправления контрактур межфаланговых суставов. Бейдик О.В., Катаев И.А., Островский Н.В., Шевченко К.В. Опубл. 01.01.2000.

4. Шидловський Н.С., Лакша А.М., Лакша А.А. Параметры жесткости стержневих аппаратов внешней фиксации // Вісник НТУУ «КПІ», серия «Машиностроение». — 2010. — № 59. — С. 34-37.

5. Родоманова Л.А. Профилактика ишемических контрактур кисти после тяжелых травматических повреждений: Пособие для врачей / Л.А. Родоманова, Д.И. Кутянов, К.С. Мелихов. — СПб.: РНИИТО им. Р.Р. Вредена, 2013. — 24 с.

6. Курінний І.М. Особливості патогенетичних механізмів формування стійких згинальних контрактур пальців кисті у хворих з наслідками поєднаної травми кисті та передпліччя / Курінний І.М., Страфун С.С., Гайович В.В. // Ортопедия, травматология и протезирование. — 2000. — № 4. — С. 29-35.

7. Науменко Л.Ю. Результати хірургічного лікування хворих з наслідками травм пальців кисті / Науменко Л.Ю., Маметьєв А.А., Варін В.В. // Травма. — 2010. — Т. 11, № 1. — С. 34-37.

8. Wolfe S.W., Green D.P. Operative Hand Surgery. — 6th ed. — 2010. — Vol. 2. — Р. 1102-1103.

9. Страфун С.С. Первинна інвалідність у працівників сільськогосподарських регіонів внаслідок відкритих пошкоджень кисті / С.С. Страфун, О.А. Костогриз, І.М. Курінний // Ортопедия, травматология и протезирование. — 2001. — № 1. — С. 40-44.

10. Green D. Green’s Operative Hand Surgery / D. Green [et al.]. — Churchill Livingstone, 2005. — P. 2424