Журнал «Травма» Том 23, №6, 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 і 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 в нижній 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 гомілкову й малогомілкову кістки й кістки стопи. У всіх з’єднаннях між елементами кістки зроблено прошарок з механічними властивостями хрящової тканини. Моделювали перелом у нижній третини великогомілкової кістки і 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 у накістковій пластині. Це пов’язано з її одностороннім накладанням на кістку, що створює додатковий згинальний момент при навантаженні кінцівки. Висновки. Найгірші показники рівня напружень у зоні перелому (від 42,3 до 73,2 МПа) і на металевій конструкції (від 393,0 до 673,6 МПа) визначено при використанні накісткової пластини, що є наслідком виникнення додаткового згинаючого моменту в результаті її однобічного розташування. Це є дуже небезпечним, тому що наближується до показників межі міцності для неіржавної сталі. Остеосинтез за допомогою апарата зовнішньої фіксації забезпечує досить низький рівень напружень (від 1,5 до 2,6 МПа) у зоні перелому, але недоліком є високій рівень напружень на самому апараті (від 143,0 до 245,1 МПа) і в дистальному відділі великогомілкової кістки (від 8,9 до 11,1 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 і короткими важелями, якими є фіксуючі гвинти.

Background. Mathematical modeling using the finite element method makes it possible to assess the reliability of the implant-bone system, identify the existing advantages and disadvantages of the applied methods for fixation of fragments of the tibial diaphysis, to study the dynamics of the process of deformation of bone tissue structures and fixing metal structures, which, in turn, determines the choice of the optimal metal structure for osteosynthesis in an overweight patient. Goal: to conduct a comparative analysis of the stress-strain state of the lower leg models with a lower-third tibial fracture 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 tibia and fibula bones and the bones of the foot. In all joints between the bone elements, a layer with the mechanical properties of cartilage tissue was made. A fracture in the lower third of the tibia was simulated, as well as three types of osteosynthesis with the help of external fixation device, bone plate, and 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 bone plate shows significantly worse stress level indicators, both in the fracture zone and in the proximal tibia. In the distal part, the highest stress level is determined in the model with external fixation. 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 bone plate. This is due to its one-sided overlay on 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 42.3 to 73.2 MPa) and on the metal structure (from 393.0 to 673.6 MPa) were determined when using the bone plate, which is a consequence of an additional bending moment because 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 1.5 to 2.6 MPa) in the fracture zone, but the disadvantage is a high level of stress on the apparatus itself (from 143.0 to 245.1 MPa) and in the distal tibia (from 8.9 to 11.1 MPa) that is related to the length of the levers, which are the fixing rods. The stress indicators in all elements of the model were lowest 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.

остеосинтез; гомілка; нижня третина

osteosynthesis; shin; lower third