Журнал «Травма» Том 23, №5, 2022

Математичне моделювання за допомогою методу скінченних елементів дає змогу оцінити надійність системи «імплантат — кістка», виявити наявні переваги й недоліки застосовуваних методів фіксації уламків діафіза великогомілкової кістки, дозволяє вивчити динаміку процесу деформації структур кісткової тканини та фіксації металоконструкцій, що, у свою чергу, визначає вибір оптимальної металоконструкції для остеосинтезу в пацієнта з надмірною масою тіла. Мета: провести порівняльний аналіз напружено-деформованого стану моделей гомілки з переломом великогомілкової кістки у верхній третині під дією компресійного навантаження при різних варіантах остеосинтезу і залежно від маси тіла пацієнта. Матеріали та методи. Розроблена скінченно-елементна модель гомілки, яка містила великогомілкову й малогомілкову кістки та кістки стопи. У всіх з’єднаннях між елементами кістки виконано прошарок з механічними властивостями хрящової тканини. Моделювали перелом у верхній третини великогомілкової кістки й три види остеосинтезу за допомогою апарата зовнішньої фіксації, кісткової пластини й інтрамедулярного стрижня. Моделі були випробувані під дією вертикального стискаючого навантаження 700 і 1200 Н. Результати. Зміни величини напруження в кістковій тканині залежно від маси тіла пацієнта мають лінійну залежність. При цьому апарат зовнішньої фіксації та інтрамедулярний стрижень забезпечують зниження напружень у зоні перелому нижче від рівня показників для інтактної кістки. Накісткова пластина демонструє значно гірші показники рівня напружень як у зоні перелому, так і в проксимальному відділі великогомілкової кістки. У дистальному відділі найбільший рівень напружень визначається в моделі з остеосинтезом апаратом зовнішньої фіксації. Це може бути наслідком значної ваги самого апарата, яка, діючи через довгий важіль нижнього фіксуючого стрижня, чинить додаткове навантаження на дистальний кінець великогомілкової кістки. У металевих конструкціях найбільші напруження виникають в окісті. Це пов’язано з його одностороннім накладанням на кістку, що викликає додатковий згинальний момент при навантаженні кінцівки. Висновки. Найгірші показники рівня напружень у зоні перелому (від 39,5 до 67,7 МПа) і на металевій конструкції (від 292,7 до 501,7 МПа) визначено при використанні накісткової пластини. Це є дуже небезпечним, тому що наближується до показників межі міцності для нержавіючої сталі. Остеосинтез за допомогою апарата зовнішньої фіксації забезпечує досить низький рівень напружень (від 1,8 до 3,1 МПа) у зоні перелому, але недоліком є високій рівень напружень на самому апараті (від 174,6 до 299,3 МПа) і в дистальному відділі великогомілкової кістки (від 9,0 до 15,4 МПа), що пов’язано з довжиною важелів, якими є фіксуючі стрижні. Найнижчі показники напружень у всіх елементах моделі визначаються при використанні остеосинтезу інтрамедулярним стрижнем, що обумовлено центральним розташуванням основної опори по осі навантаження та короткими важелями, якими є фіксуючи гвинти. Функція залежності величини напружень в елементах моделі від ваги пацієнта є лінійною і прямо пропорційною.

Background. Mathematical modeling using the finite element method makes it possible to assess the reliability of the implant-bone system, to identify the existing advantages and disadvantages of the applied methods for fixing the fragments of the tibial diaphysis, to study the dynamics of the process of deformation of bone tissue and fixing metal structures, which, in turn, determines the choice of the optimal metal construction for osteosynthesis in an overweight patient. Objective: to conduct a comparative analysis of the stress-strain state of the lower leg models with a fracture of the tibial bone in the upper third under the influence of a compressive load with different options for osteosynthesis and depending on the patient’s weight. Materials and methods. A basic finite element model of the shin was developed, which contained the tibial and fibular bones and the bones of the foot. In all joints between the bone elements, a layer with the mechanical properties of cartilage tissue was created. A fracture in the middle third of the tibia and three types of osteosynthesis were simulated with the help of an external fixation device, a bone plate, and an intramedullary rod. All models were tested under the influence of a vertical compressive load of 700 and 1200 N. Results. Changes in the stress in bone tissue depending on the patient’s weight have a linear relationship. At the same time, the external fixation device and the intramedullary rod provide a reduction in stress values in the fracture zone below the level of indicators for an intact bone. The periosteal plate shows significantly worse stress level indicators, both in the fracture zone and in the proximal part of the tibia. In the distal part, the highest stress level is determined in the model of osteosynthesis with external fixation device. This may be a consequence of the significant weight of the apparatus itself, which, acting through the long lever of the lower fixing rod, exerts an additional load on the distal end of the tibia. In metal structures, the greatest stresses occur in the periosteum. This is due to its unilateral application to the bone, which causes an additional bending moment when the limb is loaded. Conclusions. The worst indicators of the stress level in the fracture zone (from 39.5 to 67.7 MPa) and on the metal structure (from 292.7 to 501.7 MPa) were determined when using a bone plate, which is a consequence of an additional bending moment as a result of its unilateral location. This is very dangerous as it approaches the strength limit values for stainless steel. Osteosynthesis with external fixation device provides a fairly low level of stress (from 1.8 to 3.1 MPa) in the fracture zone, but the disadvantage is a high level of stress on the device itself (from 174.6 to 299.3 MPa) and on the distal part of the tibia (from 9.0 to 15.4 MPa) that is related to the length of the levers, which are the fixing rods. The lowest stress indicators in all elements of the model are determined when using osteosynthesis with an intramedullary rod that is due to the central location of the main support along the load axis and short levers, which are fixing screws. The function of the dependence of the value of stresses in the model elements on the patient’s weight is linear and directly proportional.

остеосинтез; гомілка; верхня третина

osteosynthesis; shin; upper third