Numerical simulation of strain within the constructions for temporary hemiepiphyseodesis in patients with systemic skeletal dysplasias

Full Text

Введение. Метод управляемого роста кости у детей становится все более востребованным среди детских ортопедов для коррекции деформаций нижних конечностей [1-6]. Данный метод отличается направленностью воздействия, малоинвазивностью, не нарушает двигательную активность пациента. Изначально этот способ применялся преимущественно для коррекции идиопатических деформаций нижних конечностей во фронтальной плоскости. В дальнейшем показания к его применению существенно расширились, и на сегодняшний день методики управляемого роста используют в том числе и у детей с системными дисплазиями скелета, при которых имеется нарушение роста и развития костной и хрящевой ткани [7-9]. У данной категории пациентов по мере роста зачастую возникают рецидивы деформаций на фоне основного заболевания, что требует повторного оперативного вмешательства. Кроме этого, наличие системного остеопороза, характерного для большинства детей со скелетными дисплазиями, затрудняет использование большинства металлоконструкций. Эти факторы позволяют рассматривать метод управляемого роста у детей с системными дисплазиями скелета в качестве метода выбора, имеющего существенные преимущества перед остеотомиями. Несмотря на широкое использование указанного метода, инструментарий для его проведения разработан в основном для пациентов с идиопатическими деформациями, и не учитывает отличия пациентов с системными дисплазиями скелета. В первую очередь это касается анатомических особенностей кости в зоне расположения пластин. У детей с данной патологией отмечаются значительные различия в ширине эпифизарной и метафизарной зон бедренной и большеберцовой костей. Указанная особенность эпиметафизарного перехода может обусловливать появление трудностей, связанных с размещением металлоконструкций в указанной области, в виде неполного прилегания пластины. Данный феномен не получил должного освещения в литературе. Техника установки пластины предусматривает возможность ее премоделирования (изгибания) для обеспечения более плотного контакта с костью. Однако степень этого изгиба лимитирована как свойствами металла (чрезмерное изгибание может привести к перелому пластины), так и особенностью конструкции (при изгибе пластины винт не может быть проведен перпендикулярно к ней, что значительно затрудняет установку). Существуют конструкции для временного гемиэпифизеодеза, которые снабжены шарнирами, в том числе для достижения более плотного прилегания к кости. Однако данные литературы по применению данной модификации крайне ограничены, а на отечественном медицинском рынке подобные конструкции недоступны, в связи с чем независимо от диагноза приходится использовать стандартные пластины. В качестве рабочей гипотезы было выдвинуто предположение, что неполное прилегание конструкции при временном гемиэпифизеодезе является потенциально неблагоприятным, а исследование сил, возникающих в процессе роста кости, действующих на имплантированные металлоконструкции, позволит прогнозировать возможные последствия и избегать ряда осложнений при использовании методики управляемого роста у детей со скелетными дисплазиями. Численное моделирование на основе метода конечных элементов (Finite Element Analysis, FEA) уже давно прочно заняло место в проектировании и анализе состояний самых разнообразных технических конструкций. Численное моделирование становится востребованным и в медицине. Наибольшей проблемой при использовании численного моделирования является постановка задачи, т. е. четкая формулировка условий моделирования, выбор расчетной модели и определение граничных условий [10, 11]. Цель исследования: на основании рентгенограмм оценить риск неполного прилегания пластины при выполнении временного гемиэпизиодеза у пациентов с системными дисплазиями скелета; с помощью численного моделирования напряжений, возникающих в конструкции, оценить напряженно-деформирующее состояние использованных металлических имплантатов для прогнозирования их возможной несостоятельности. ПАЦИЕНТЫ И МЕТОДЫ Исследование включало два этапа. На первом этапе был проведен ретроспективный анализ послеоперационных рентгенограмм пациентов с системными дисплазиями скелета, которым выполнялся временный гемиэпифизеодез пластинами с целью коррекции варусных и вальгусных деформаций нижних конечностей в нашей клинике с 2010 по 2016 г. Всего в основную группу вошло 58 пациентов (107 конечностей) с системными дисплазиями скелета: множественная эпифизарная дисплазия - 19 пациентов (34 конечности), метафизарная дисплазия - 6 пациентов (10 конечностей), спондилоэпифизарная дисплазия - 13 пациентов (24 конечности), диастрофическая дисплазия - 12 пациентов (23 конечности), псевдоахондроплазия - 6 пациента (12 конечностей), метатропная дисплазия - 1 (2 конечности), дисплазия Стиклера - 1 (2 конечности). Всего было установлено 188 пластин, при этом гемиэпифизеодез бедренной кости выполнен в 116 случаях, большеберцовой кости - в 72. С целью коррекции вальгусной деформации пластины устанавливали по медиальной поверхности бедренной кости - 73 (69,5%) случая и большеберцовой кости - 32 (30,5%), для устранения варусной деформации - по латеральной поверхности бедренной кости и большеберцовой кости в 43 (51,8%) и 40 (48,2%) случаях соответственно. Контрольную группу составили 50 пациентов, среди которых было 22 ребенка (37 конечностей) с идиопатическими деформациями, 11 (11 конечностей) с посттравматическими деформациями, 9 (11 конечностей) с пороками развития нижних конечностей и 8 (8 конечностей) с болезнью Блаунта. Всего пациентам этой группы было установлено 67 пластин. Возраст пациентов основной группы составил 8,3±2,4 года, контрольной группы - 9,1±2,9 года. На рентгенограммах оценивали прилегание пластины к метафизу кости (рис. 1). Анализ проводили по переднезадним рентгенограммам, выполненным с идентичным фокусным расстоянием 220 см, при помощи программы Intelli Space PACS DCX (версия 3.2 SP1). Измерения осуществляли от основания шляпки винта до края кортикальной пластинки метафизарной части кости. Неполным прилегание считали в том случае, если данное расстояние превышало 2 мм. На втором этапе исследования для определения напряжений и перемещений, возникающих в процесс роста кости, было проведено численное моделирование в программном пакете COMSOL Multiphusics. Моделирование выполнялось с применением конечно-элементного анализа. Для этого была построена твердотельная модель имплантата, которая импортировалась в среду COMSOL, где осуществлялись постановка граничных условий, дискретизация расчетной модели по пространству, решение системы линейных уравнений и визуализация результатов расчета. В качестве объекта исследования была выбрана плоская пластина с отверстиями под направляющую спицу и спонгиозные винты, установленные под углом к пластине. Винты имитировались цилиндрическими телами с эквивалентной прочностью и жесткостью. Материал металлоконструкции - титан ВТ6. При моделировании рассматривали два возможных варианта установки винтов при выполнении временного блокирования зоны роста: 1) оба винта полностью погружены в кость (рис. 2, а), 2) один из винтов установлен с частичным погружением в кость (рис. 2, б). С этой целью на винты накладываются граничные условия закрепления типа «жесткая заделка» по поверхностям, соответствующим погруженным в кость участкам винта (см. рис. 2). В качестве нагрузки задается линейное перемещение второго винта. При оценке напряженно-деформированного состояния использовали критерий фон Мизеса (эквивалентные напряжения) [12]. Величина максимально допустимых напряжений для конструкции определяется материалом и его обработкой, для титана ВТ6 предельные напряжения (временное сопротивление разрыву) достигают 900 МПа. Анализ полученных данных проводили в программном комплексе SPSS Statistics v. 23. Соответствие статистического распределения числовых показателей нормальному оценивали при помощи критерия Колмогорова-Смирнова. Для оценки полученных данных были использованы непараметрические методы статистического анализа. Сравнение двух независимых групп (основная и контрольная) осуществляли с использованием критерия Манна-Уитни, при этом статистически значимыми считали различия при p<0,05. РЕЗУЛЬТАТЫ У 23 пациентов основной группы в результате выполненного оперативного вмешательства наблюдалось неполное прилегание пластины к метафизарной части кости из-за анатомических особенностей этой области. Всего из 188 установленных детям с системными дисплазиями скелета пластин неполно прилегала 41 (22%) конструкция. В контрольной группе неполное прилегание пластины (более 2 мм) имело место только в 3 (4,5%) случаях. Различия между группами носили статистически значимый характер (p<0,05). Как видно из таблицы, наиболее часто неполное прилегание у пациентов основной группы наблюдалось в медиальной области метафизов бедренной и большеберцовой костей. Средняя длина фрагмента винта, находящегося вне кости, составила 4,1±1,3 мм. При этом наибольшая величина неполного примыкания пластины также отмечалась в медиальной области метафизов бедренной и большеберцовой костей. Данные численного моделирования свидетельствовали о том, что при установке металлоконструкции с погружением винтов в кость и контактом пластины с поверхностью кости величина напряжений, возникающих в конструкции при нагрузках от роста кости, не превышали предельно допустимых для выбранного материала (рис. 3, а). Наблюдалась концентрация напряжений вблизи отверстий в пластине и под шляпкой винта. В целом конструкция продемонстрировала удовлетворительный запас прочности. При неполном погружении винта наиболее нагруженная его часть остается вне кости и возникает опасность разрушения винта в зоне контакта с кортикальной костью (рис. 3, б). При установке пластины с неполным погружением винтов под действием силы, возникающей при росте кости, напряжения, появляющееся в винте, превышают предел его прочности, что может привести к разрушению имплантата с течением времени. ОБСУЖДЕНИЕ Метод управляемого роста имеет значительную историю и не представляет собой принципиально нового слова в области коррекции деформаций. Однако с момента его становления вопрос об эффективности и безопасности используемых металлоконструкций был всегда актуален, в связи с чем постоянно происходила модификация имплантатов. Физарный хрящ представляет собой динамическую структуру [13], и в процессе роста кости конструкции могут деформироваться, ломаться или мигрировать [14-16]. В 2004 г. P. Stevens предложил использовать с целью временного блокирования зоны роста кости пластину с двумя винтами. Данная методика нашла наиболее широкое применение, показав свою высокую эффективность в отношении идиопатических и посттравматических деформаций коленного сустава [1-3]. Работы, отражающие использование метода управляемого роста у пациентов с системными дисплазиями скелета, - единичны, а их данные показывают, что скорость коррекции при этом ниже, а частота осложнений - выше [7-9]. В литературе, посвященной остеосинтезу, подробно разработаны вопросы его механики, а на основании расчетов установлены базовые правила, предусматривающие плотный контакт фиксаторов с костью и между собой. Гемиэпифизеодез по своей сути не является остеосинтезом, так как целостность кости не нарушена, в связи с этим принципы остеосинтеза не могут быть механически перенесены на данную методику. В изученной нами литературе найдены единичные публикации, посвященные изучению механических свойств восьмиобразных пластин [15, 16], при этом они основаны на физическом моделировании нагрузок. Численное моделирование также применялось, но касалось оно в основном устойчивости конструкции к нагрузкам, связанным с массой тела [17]. Мы предположили, что на фоне нарушения роста костной и хрящевой ткани у пациентов с системными дисплазиями скелета имеется ряд анатомических особенностей, которые могут сказываться на результатах лечения. Как показали результаты настоящего исследования, при установке стандартных металлоконструкций возникают ситуации, при которых один из винтов не полностью погружен в кость, что было отмечено нами в 22% случаев от общего числа установленных пластин. В процессе роста это приводит к концентрации секущих нагрузок на часть винта на границе с костью, а величина этой силы прямо пропорциональна длине непогруженной части винта. Согласно данным численного моделирования напряжения, возникающие в винте, превышают предел его прочности. Такое состояние конструкции может привести к недопустимым деформациям и разрушению имплантата в процессе роста кости, а также в целом сказаться на эффективности коррекции. В настоящей работе продемонстрирована возможность математического прогнозирования вероятных причин несостоятельности имплантируемой конструкции (в данном случае - восьмиобразной пластины). Использованный метод позволяет определить наиболее уязвимые механически элементы конструкции во избежание ее несостоятельности и проанализировать напряженно-деформированное состояние моделируемого имплантата. Моделирование дает возможность оценить состояние имплантируемой конструкции под воздействием разнообразных нагрузок еще на стадии проектирования и свести к минимуму нежелательные последствия от их использования. По результатам исследования нами констатирован факт концентрации секущих нагрузок на область винта на границе с костью, появляющейся в процессе лечения, в отличие от стандартного остеосинтеза при переломах и остеотомиях, при котором наиболее уязвимой является зона непосредственно под головкой винта. В дальнейшем нами планируется детальный анализ и численное моделирование с точным расчетом напряжений при различных вариантах установки конструкции и различной степени неполного прилегания. Заключение. Анатомические особенности эпиметафизарного перехода у пациентов с системными дисплазиями скелета предрасполагают к тому, что при проведении оперативных вмешательств методом управляемого роста может иметь место неполное примыкание метафизарной части пластины к кости с дефицитом контакта 4,1±1,3 мм, частота которого может достигать 22%. Данные численного моделирования напряжений, возникающих в конструкции при нагрузках в результате роста кости при установке пластин с неполным погружением винтов, указывают, что под действием силы, возникающей при росте кости, напряжения в винте превышают предел его прочности, что может привести к разрушению имплантата с течением времени. Для повышения эффективности метода управляемого роста у детей с системными дисплазиями скелета необходима разработка конструкций, которые будут учитывать особенности конфигурации эпиметафизов костей и формирования сустава у данной группы пациентов. Это позволит минимизировать риск осложнений и количество повторных оперативных вмешательств.

About the authors

Vladimir M. Kenis

The Turner Scientific Research Institute for Children’s Orthopedics

Email: kenis@mail.ru
Dr. med. sci., Deputy director, Head of the department for foot pathology, neuro-orthopaedics and systemic diseases, The Turner Scientific Research Institute for Children’s Orthopedics St. Petersburg, Russia

E. S Morenko

The Turner Scientific Research Institute for Children’s Orthopedics

St. Petersburg, Russia

A. V Korshunov

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

St. Petersburg, Russia

R. V Kleimanov

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

St. Petersburg, Russia

References

Supplementary files