Comparison of fixation stability in modern devices for transosseous osteosynthesis

Full Text

Общеизвестно, что применению аппаратов внешней фиксации в клинике предшествует период их технических испытаний. В нашей стране при обилии аппаратов для чрескостного остеосинтеза различных конструкций сопоставить результаты таких испытаний трудно, поскольку методики их проведения в большинстве своем являются продуктом творчества самого автора. По той же причине в отечественной литературе невозможно получить данные, позволяющие оценить те или иные механические свойства различных аппаратов. В зарубежной литературе этому вопросу уделяется больше внимания. Так, опубликован ряд статей, посвященных испытаниям прочностных свойств зарубежных аппаратов для чрескостного остеосинтеза, наиболее известных в мировой травматологии и ортопедии [1-3, 5]. Пробел в этой области отечественного аппаратостроения затрудняет создание новых и совершенствование имеющихся конструкций.

Целью проведенных нами технических испытаний была сравнительная оценка стабильности фиксации костных отломков

Материал и методы

Имитатор кости. В качестве «кости» использовали трубки из алюминиевого сплава АМг по ГОСТ 18482-79Е. Диаметр трубки 20 мм, толщина стенки 3 мм. Расстояние между проксимальной и дистальной трубками равнялось 10 мм, что эквивалентно оскольчатому перелому бедренной кости с отсутствием межфрагментарных связей. Расстояние между ближайшими к перелому стрежнями составляло для всех аппаратов 120 мм, расстояние между ближайшими стержнями в одном фрагменте — 40 мм, а в случае аппарата Илизарова между ближайшими кольцами в одном фрагменте — 80 мм (рис. 1). После применения аппарата внешней фиксации на имитаторе кости проксимальный и дистальный концы последнего жестко фиксировали вертикально в тест-системе.

 

Рис. 1. Условия испытаний стержневых аппаратов на имитаторе кости.1 — имитатор кости; 2 — стержень; 3 — аппарат внешней фиксации.

 

Аппараты внешней фиксации. Проведена оценка стабильности фиксации 5 моделей аппаратов для чрескостного остеосинтеза:

• репозиционный аппарат с «плавающими» фиксаторами стержней РАПФИС, ТУ 9438-005-18070047-99, конструкции М.Е. Казакова, В.М. Керничанского и А.И. Городниченко. В испытаниях использовали углепластиковые планки аппарата длиной 300 мм, 6 гладких стержней диаметром 6 мм по 3 в проксимальный и дистальный фрагменты;
• стержневой компрессионно-дистракционный аппарат МКЦ-01, ТУ 9438-639-01894927-93, конструкции О.А. Малахова, О.В. Кожевникова и В.Е. Цуканова. Аппарат использовали с несущим стержнем размером 12 × 300 мм и 6 стержнями диаметром 6 мм по 3 в каждый фрагмент;
• некоторыми современными аппаратами для чрескостного остеосинтеза (5 моделей) путем определения их жесткости при нагрузках в различных плоскостях. Испытания выполнялись по единой методике в испытательной лаборатории ЦИТО.
• стержневой аппарат конструкции В.В. Фурдюка. Применяли аппарат с рамкой размером 40 × 378 мм и 6 резьбовыми стержнями диаметром 6 мм по 3 в проксимальный и дистальный фрагменты;
• спицестержневой аппарат типа Г.А. Илизарова, ТУ 9438-149-01894927-99. Использовали аппарат, состоящий из 4 колец диаметром 200 мм, 4 стержней диаметром 6 мм (по 2 на кольцо), введенных в разных плоскостях, и 4 спиц диаметром 2 мм, проведенных с силой натяжения 110 Н. Угол пересечения проксимальных спиц равнялся 34°, дистальных — 68°;
• стержневой аппарат АО (Synthes, Швейцария). Применяли стандартную модель с одной трубкой длиной 300 мм и 6 гладкими стержнями диаметром 6 мм по 3 в каждый фрагмент.

Условия испытания. Все испытанные аппараты внешней фиксации предназначены для открытой и закрытой репозиции и фиксации отломков костей. Испытания проводились на универсальной испытательной машине «Zwick-1464». Измерительный диапазон машины составлял при сжатии и изгибе от 0 до 50 кН, при кручении — от 0 до 200 Н∙м. Машина позволяет варьировать скорости нагружения и регистрировать полученные результаты графически. В эксперименте были использованы специальные приспособления, позволяющие располагать аппараты в пространстве в нужном положении.

Характеристики аппаратов внешней фиксации определялись понятием «жесткости», выражаемой в ньютонах на 1 мм и показывающей усилие (в ньютонах), необходимое для перемещения костных отломков на расстояние 1 мм или при кручении на Г. Определялась жесткость аппаратов при сжатии, кручении, фронтальном и сагиттальном изгибах.

Сжатие осуществлялось со скоростью 5 мм в минуту, кручение проводилось при скорости вращения нагружающего устройства 1 оборот (360°) за 200 с. Стержни в аппаратах были расположены параллельно друг другу и перпендикулярно имитатору кости, расстояние между наружным диаметром трубки и фиксатором стержня составляло 60 мм (консоль). Для аппарата РАПФИС дополнительно проводились испытания с консолью 35 мм и сочетанием консоли в 35 мм и введением стержней под углом, чего не позволяют делать некоторые другие аппараты.

Обработка результатов. Жесткость фиксации при сжатии и изгибе определяли, измеряя смещение имитаторов кости при усилии 250 Н, жесткость при кручении — измеряя смещение имитаторов при крутящем моменте 25 Н∙м. Число испытаний — не менее 5. Среднее арифметическое определяли по формуле: Е=SEi/n, где Еі — жесткость при сжатии (изгибе, кручении) в i-испытании; п — число испытаний).

 

Результаты испытаний аппаратов внешней фиксации

Наименование аппарата	Жесткость
	при сжатии, Н/мм	при кручении, Нм/град.	при изгибе, Н/мм
			фронтальном	сагиттальном
Стержневой аппарат РАПФИС	145,3	1,72	694,4	61,6
Стержневой аппарат В.В. Фурдюка	92,6	0,82	260,4	37,1
Стержневой аппарат МКЦ-01	56,2	1,11	148,8	23,3
Спицестержневой аппарат Г.А. Илизарова	137,4	1,01	107,8	61,3
Стержневой аппарат АО (Synthes)	132	1,25	36	16

 

Результаты и обсуждение

Результаты испытаний представлены в таблице.

Полученные данные позволяют провести анализ жесткости испытанных аппаратов при разных видах нагружения. Жесткость является весьма важной характеристикой аппаратов для чрескостного остеосинтеза, поскольку основная задача состоит в создании стабильного положения костных отломков в пространстве.

Как видно из таблицы, при нагрузке сжатия наибольшей жесткостью, а следовательно, и стабильностью фиксации обладает аппарат РАПФИС. Если принять его жесткость за 100%, то стабильность при сжатии, создаваемая аппаратом МКЦ-01, составляет 38,7%, аппаратом Фурдюка — 63,7%, аппаратом АО — 91%, а спицестержневым аппаратом Илизарова — 94,6%. Прочностные характеристики имитатора кости имеют второстепенное значение, и результаты данного исследования можно сравнивать с таковыми в других экспериментальных работах. Chevalley и соавт. [5] использовали полиуретановую костную модель и прикладывали нагрузки подобным способом. Жесткость аппарата АО (Synthes) составила при осевой нагрузке 77 и 83 Н/мм для моделей из двух трубок и трубка—трубка соответственно (консоль 65 мм, расстояние между ближайшими к перелому стержнями 120 мм). Максимальная жесткость при осевой нагрузке отмечена у аппарата Orthofix — 108 Н/мм (консоль 60 мм, расстояние между ближайшими к перелому стержнями 240 мм). Broekhuizen и соавт. [2] и Chao [4], используя плексигласовую модель кости, получили для аппарата Orthofix значение жесткости при сжатии 110 Н/мм (расстояние между ближайшими к перелому стержнями составляло 180 мм). McCoy и Chao [7] также испытывали бедренную кость и рассчитали жесткость двухплоскостного аппарата Hoffmann при сжатии, которая оказалась равной 66 Н/мм. Аппарат состоял из стержней диаметром 4 мм с расстоянием между ближайшими к перелому стержнями 190 мм и консолью 60 мм. Более детальные испытания аппарата Hoffmann были проведены Finlay и Moroz [6].

При кручении стабильность аппарата Фур- дюка составляет 47,7%, спицестержневого аппарата Илизарова — 58,7%, аппарата МКЦ-01 — 64,5%, а аппарата АО — 76,5% от стабильности аппарата РАПФИС.

При изгибе во фронтальной плоскости стабильность фиксации аппарата АО равна 5,2% от жесткости аппарата РАПФИС, стабильность спицестержневого аппарата Илизарова — 15,5%, аппарата МКЦ-01 — 21,4%, аппарата Фурдюка — 37,5%. Показатель жесткости при изгибе во фронтальной плоскости для аппарата АО (Synthes), составивший 36 Н/мм, практически идентичен полученному Chevalley и соавт. [5]. При консоли 65 мм и расстоянии между ближайшими к перелому стержнями 120 мм в их исследовании жесткость аппарата АО составила 37 Н/мм. Жесткость фиксации во фронтальной плоскости в основном определяется диаметром внешней опоры, связывающей проксимальный и дистальный отломки, чем обусловлено значительное превосходство в стабильности фиксации рамочного аппарата Фурдюка и особенно аппарата РАПФИС.

При изгибе в сагиттальной плоскости жесткость аппарата АО составила 25,8%, аппарата МКЦ-01 — 37,8%, аппарата Фурдюка — 60,2%, спицестержневого аппарата Илизарова — 99,5% от жесткости аппарата РАПФИС. В сагиттальной плоскости во всех проведенных испытаниях произошли самые большие смещения при самых малых нагрузках.

Для повышения жесткости фиксации при нагрузке сжатия можно ввести стержни под углом и уменьшить консоль. В наших исследованиях в аппарате РАПФИС было введено по одному стержню в каждый отломок под углом 30° к перпендикуляру к плоскости кости, а также уменьшена консоль до 35 мм. При уменьшении консоли с 60 до 35 мм стабильность фиксации при нагрузке сжатия составила 250 Н/мм (172%), а при консоли в 35 мм и введении стержней под углом — 417 Н/мм (288%) (рис. 2).

Заключение

Всем испытанным аппарата внешней фиксации присущ индивидуальный набор показателей жесткости при различных видах нагружения. Наибольшей жесткостью при всех видах нагружения обладает аппарат РАПФИС, что свидетельствует о его высокой эффективности в создании стабильной фиксации костных отломков. Аппарат обеспечивает взаимное репонирование отломков по шести степеням свободы. Держатели стержней в аппарате свободно перемещаются и самоустанавливаются в процессе репозиции, не препятствуя устранению всех видов смещения. После репозиции затяжкой двух гаек на каждом держателе стержня блокируются все шесть степеней свободы и обеспечивается стабильная и прочная фиксация костных отломков до их полной консолидации. Корпусные детали аппарата выполнены из высокопрочного рентгенопрозрачного углепластика, что позволяет контролировать правильность репозиции во всех проекциях.

 

Рис. 2. Жесткость различных конфигураций аппарата РАПФИС при сжатии. I — консоль 60 мм, II — консоль 35 мм, III — консоль 35 мм, стержни под углом.

 

Аппарат особенно эффективен при оскольчатых переломах. Создаваемая им жесткая и надежная фиксация, исключающая вторичные смещения отломков, делает возможной раннюю нагрузку оперированной конечности.

Полученные результаты позволяют рекомендовать аппарат РАПФИС для широкого внедрения в практическое здравоохранение.

About the authors

A. I. Gorodnichenko

Medical Center of the Administrative Department of the President of the Russian Federation;, Central Institute of Traumatology and Orthopedics. N.N. Priorov; Research and Production Association "UVICOM"

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Moscow; Moscow; Mytishchi

N. S. Gavryushenko

Medical Center of the Administrative Department of the President of the Russian Federation;, Central Institute of Traumatology and Orthopedics. N.N. Priorov; Research and Production Association "UVICOM"

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Moscow; Moscow; Mytishchi

M. E. Kazakov

Medical Center of the Administrative Department of the President of the Russian Federation;, Central Institute of Traumatology and Orthopedics. N.N. Priorov; Research and Production Association "UVICOM"

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Moscow; Moscow; Mytishchi

V. M. Kernichansky

Medical Center of the Administrative Department of the President of the Russian Federation;, Central Institute of Traumatology and Orthopedics. N.N. Priorov; Research and Production Association "UVICOM"

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Moscow; Moscow; Mytishchi

References

Supplementary files