Biological osteosynthesis in fractures of the trochanteric region of the femur

Full Text

Лечение переломов вертельной области бедренной кости является не только хирургической, но и общемедицинской, реабилитационной, психологической и социально-экономической проблемой [15]. В 1990 г., по оценке специалистов, в мире было зарегистрировано около 1,7 млн подобных переломов [5]. Согласно прогнозу, в 2050 г. их число на планете достигнет 6,3 млн. Тенденция к росту частоты этих повреждений связана с постарением населения. Установлено, что число переломов вертельной области растет быстрее, чем переломов шейки бедра [7, 8]. После травмы около половины больных утрачивают способность к самообслуживанию и нуждаются в постороннем уходе [8]. В Швеции, например, четырехмесячное лечение вертельного перелома бедра обходится в 12 000 USD [3]. В свете сказанного совершенствование методов хирургического лечения переломов вертельной области бедра и реабилитации пострадавших приобретают первостепенное значение для ортопедов [4].

Жесткая конструкция, состоящая из гвоздя и диафизарной накладки, использовалась для лечения внесуставных переломов шейки бедра с 30-х годов прошлого столетия [13]. Никаких существенных изменений этот метод лечения не претерпевал до 1952 г., когда Е. Pohl изобрел пластину, обеспечивающую возможность динамической нагрузки вдоль оси шейки бедра (dynamic hip screw — DHS) [11]. (Ernst Pohl — инженер, работавший в одном госпитале с Gerhard Kuntscher, пионером интрамедуллярного остеосинтеза.) Для широкого внедрения DHS в практику потребовалось около 20 лет [14]. И хотя сегодня этот способ остеосинтеза наиболее распространен, при его применении наблюдается до 10% «технических» и других осложнений [6]. Одним из последних достижений в данной области стала разработка и внедрение в 1990 г. Medoff sliding plate (MSP), которая обеспечивает возможность динамических нагрузок вдоль осей шейки и диафиза бедренной кости одновременно [10].

Наряду с накостными фиксаторами разработан и ряд интрамедуллярных конструкций для остеосинтеза вертельных переломов. Наиболее удачные из них — гамма-гвоздь (gamma nail — GN), по сути являющийся модификацией гвоздя Zikel [2]. и проксимальный бедренный гвоздь (proximal femur nail — PFN), который некоторые хирурги называют «trouble-shooter», подчеркивая сложную технику его применения [12].

Цель настоящего сообщения — представить первый опыт применения, а также биомеханическое обоснование нового фиксатора для закрытого остеосинтеза вертельных переломов бедренной кости, который соответствует критериям биологического (малоинвазивного) остеосинтеза.

Материал и методы

Нами (И.М. Рубленик, В.Л. Васюк) разработан и внедрен в практику блокирующий металлополимерный фиксатор седьмой модели (БМПФ-7) [1] для остеосинтеза вертельных переломов бедренной кости (регистрационный номер заявки на патент Украины № 99063518).

Фиксатор (рис. 1) состоит из круглого полого стержня переменного диаметра 1, в котором имеются сквозные окна 2 и 3, заполненные полиамидом-12. На проксимальном конце фиксатора находятся лыски 4, отверстие 5, шлиц 6, внутренняя резьба 7.

 

Рис. 1. Блокирующий металлополимерный фиксатор седьмой модели и схема его применения.

 

Остеосинтез при помощи устройства осуществляют закрытым способом, без обнажения места перелома, под контролем электронно-оптического преобразователя. Больного укладывают на тракционный стол с упором в промежность и фиксацией обеих стоп. Вытяжением по длине, небольшим отведением бедра (до угла 15°) при, как правило, нулевой ротации устраняют все виды смещения. Через разрез кожи длиной 4-5 см трепанируют большой вертел, сверлом калибруют костномозговую полость. В подготовленную таким образом кость вводят фиксатор. Через отверстие 10 кондуктора 8 и отверстие 5 фиксатора в головку бедра вводят спицу 9, размещая полимерные участки фиксатора в одной плоскости с шейкой бедра. При помощи кондуктора 8 просверливают в полимерном участке 3, головке и шейке бедренной кости два канала под углом 130° к продольной оси бедра. Еще два канала просверливают в поперечном направлении через бедренную кость и полимерный участок 2. В сформированных каналах нарезают метчиком резьбу и вводят винты 11 и 12. Спицу 9 и кондуктор 8 удаляют, на кожу накладывают швы.

Расчет прочностных характеристик БМПФ-7

Для обеспечения стабильности остеосинтеза при использовании БМПФ-7 проведены биомеханическое исследование прочностных параметров этого типа фиксаторов, расчет необходимого числа винтов, а также их диаметра.

Сила Р (см. рис. 1) действует параллельно продольной оси фиксатора. Это означает, что мы имеем случай сложного сопротивления — внецентренного действия силы на стержень фиксатора. Для этого случая напряжения определяются по формуле:

$\sigma =\frac{P}{F}\pm \frac{Ми}{Wно},$

где: Р=70-90 кг (масса тела пациента); F— площадь сечения фиксатора; Ми - изгибающий момент, действующий на стержень фиксатора; Wно — осевой момент сопротивления сечения стержня фиксатора.

Угол между продольной осью бедренной кости и осью шейки бедра составляет 130°; путем несложного пересчета с использованием тригонометрических функций получим, учитывая средний диаметр кости, что расстояние между осью фиксатора и линией действия силы Р составляет 4,5-5,0 см. Тогда:

$Ми=(315÷450)кг·см$

Действующие в материале стержня статические напряжения:

$\sigma =1011,87кг/с{м}^2.$

Введя коэффициент запаса прочности к = 2,5, получим, что допустимые напряжения составляют:

[σ] = (2160÷3520) кг/см² для стали 12Х18Н9Т и [σ] = (2360÷3320) кг/см² для стали 12Х18Н10Т.

Расчетные напряжения σ< [σ], это означает, что прочность стержня фиксатора обеспечена.

Проверим прочность блокирующих винтов, используемых при проведении остеосинтеза с помощью фиксатора БМПФ-7. На винт действует усилие:

${Р}_{\tau }=P·\cos 10°=70°·0.766=53.6 кг$

Плечо изгибающей силы составляет:

$\raisebox{1ex}{$$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${Р}_{\tau }$}\right.=11,0-2,5·\cos 40°-2,5=11-2,5·0,766-2,5=11-4,415=6,56 см.$

Согласно условию прочности напряжения изгиба, возникающие в материале блокирующих винтов, должны быть меньше допустимых:

$\sigma =\frac{Ми}{nWx}\ge \left[\sigma \right],$

где $Ми=P_{\tau }·\raisebox{1ex}{$$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${Р}_{\tau }$}\right.; Wx={\mathrm{\pi d}}^3/32$ (d — диаметр блокирующего винта); п — число винтов, необходимых для обеспечения прочности. Подставляем эти значения в формулу:

$\sigma =\frac{P_{\tau }·{\displaystyle \raisebox{1ex}{$$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${Р}_{\tau }$}\right.}·32}{n{\mathrm{\pi d}}^3}\le \left[\sigma \right],$

откуда получаем выражение для определения необходимого числа блокирующих винтов:

$n\ge \frac{P_{\tau }·\raisebox{1ex}{$$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${Р}_{\tau }$}\right.·32}{{\mathrm{\pi d}}^3\left[\mathrm{\sigma }\right]}; \left[\sigma \right]=\frac{\sigma в}{k}.$

Для материала винтов, согласно ГОСТ 18143-72, σв = 1080 МПа. Принимая к = 1,5, получаем [σ] = 7200 кг/см². Определим необходимое число винтов при различных значениях диаметров (d):

d=4 мм $n=\frac{63,6·6,0·32}{3,14·0,4^3·7200}=8,4;$

d=5 мм $n=\frac{63,6·6,0·32}{3,14·0,5^3·7200}=4,3;$

d=6 мм $n=\frac{63,6·6,0·32}{3,14·0,6^3·7200}=2,5.$

Проверим величину напряжений смятия σсм в месте контакта блокирующие винты — полимерная вставка в дистальном конце фиксатора:

${\sigma }_{см}=\frac{P}{F_{см}}\le \left[{\sigma }_{см}\right]; F_{см}=d·h·n,$

где d — диаметр винтов, используемых для фиксации в дистальной части конструкции; h — толщина слоя полимерной вставки (11,5 мм); п - число винтов, необходимых для обеспечения прочности. Подставляя, получим:

${\sigma }_{см}=\frac{P}{dhn}\le \left[{\sigma }_{см}\right],$

откуда имеем выражение для определения необходимого числа винтов:

$n\ge \frac{P}{dh·\left[{\sigma }_{см}\right]},$ , отсюда:

- при d = 4 мм $n=\frac{80,0}{0,4·1,15·470}=0,37;$

- при d = 5 мм $n=\frac{80,0}{0,5·1,15·470}=0,29;$

- при d = 6 мм прочность будет обеспечена с еще большим запасом;

- при d = 3,5 мм $n=\frac{80,0}{0,35·1,15·470}=0,42.$

Таким образом, для обеспечения стабильности при статических нагрузках в дистальном конце фиксатора достаточно одного винта.

Проверим прочность кортикального слоя:

${\sigma }_{см}=\frac{P}{F_{см}}\le \left[{\sigma }_{см}\right]к; F_{см}=2·∆·d·n,$

где ∆ — толщина кортикального слоя.

Таким образом, получаем:

${\sigma }_{см}=\frac{P}{2·∆·d·n}\le \left[{\sigma }_{см}\right]к;$

$n\ge \frac{P}{2·∆·d·\left[{\sigma }_{см}\right]к},$ отсюда:

 

- при d = 4 мм $n=\frac{80,0}{2·0,5·0,4·1200}=0,17;$

- при d = 5 мм $n=\frac{80,0}{2·0,5·0,5·1200}=0,133;$

- при d = 3,5 мм $n=\frac{80,0}{2·0,5·0,35·1200}=0,19.$

Следовательно, для обеспечения стабильности в условиях статических нагрузок достаточно одного винта. Реальные нагрузки являются динамическими, что необходимо учитывать при оценке прочности рассматриваемых соединений.

Проверим величину напряжений смятия, возникающих в месте контакта винтов в верхней части кости — при фиксации БМПФ-7 в шейке бедра. Поскольку нагрузки, передаваемые соединением «кость—винты—фиксатор», относятся к виду сложного сопротивления — внецентренному сжатию, необходимо учесть влияние на материал полимерной части фиксатора как осевых, так и изгибающих усилий. Условие прочности в общем виде можно представить как: ${\sigma }_{действ.}\le \left[{\sigma }_{см}\right].$

Здесь ${\sigma }_{действ.}=-\frac{P}{F_{см}}\pm \frac{Ми}{Wx}.$

Будем считать, что в соединении используется п винтов. Полагая, что нагрузка равномерно распределяется на все винты, получим:

$\left(-\frac{P}{F_{см}}-\frac{Ми}{Wx}\right)·\frac{1}{n}\le \left[{\sigma }_{см}\right]$

откуда:

$n\ge \frac{\left(-\frac{P}{F_{см}}-\frac{Ми}{Wx}\right)}{\left[{\sigma }_{см}\right]}.$

Определим необходимое число винтов при различных значениях d:

- при d = 4 мм n ≥ 2,50 (n = 3);

- при d = 5 мм n ≥ 2,46 (n = 3);

- при d = 6 мм n ≥ 2,44 (n = 3).

Эти значения совпадают с соответствующими значениями числа винтов, полученными из условия прочности при работе на изгиб.

Клинический пример применения БМПФ-7

Больной Н ., 1920 года рождения, поступил в травматологическое отделение 22.05.99 с диагнозом: закрытый чрезвертельный перелом левой бедренной кости со смещением отломков — 3.1.А1/2 по классификации АО (рис. 2, а). Травму получил в результате падения на улице. 24.05.99 произведена операция — закрытый остеосинтез левой бедренной кости при помощи БМПФ-7 по разработанной методике. Послеоперационный период протекал без осложнений. Через 7 дней после операции пациент выписан на амбулаторное лечение. Частичная нагрузка оперированной конечности начата через 1 мес после операции, полная — через 2,5 мес. Осмотрен через 3,5 мес: двигательная и опорная функция конечности полностью восстановлены, рентгенологически — перелом сросся с полным восстановлением анатомии проксимального конца бедренной кости (рис. 2, б).

 

Рис. 2. Рентгенограммы больного Н. при поступлении (а) и через 3,5 мес после операции (б).

 

Обсуждение

Среди ортопедов-травматологов все еще бытует мнение, что переломы вертельной области бедренной кости прекрасно срастаются при лечении методом скелетного вытяжения на протяжении 2 мес и дальнейшей реабилитации в течение 2- 2,5 мес. При этом не существует риска интра- и послеоперационных осложнений, которые встречаются при оперативном методе лечения.

Однако лица пожилого возраста, которые составляют основной контингент травмированных, очень тяжело переносят вынужденное положение и длительный постельный режим. Вследствие обездвиживания у них обостряются хронические заболевания, возникают пролежни, пневмонии, что может приводить к фатальным последствиям.

Поэтому основным направлением в лечении данной группы больных является снижение риска оперативных вмешательств. Этой цели соответствует биологический остеосинтез, основные принципы которого были сформулированы в начале 90-х годов прошлого столетия. Биологический остеосинтез предполагает закрытую репозицию фрагментов под контролем рентгенотелевизионной аппаратуры, выполнение операции через проколы кожи. Для него характерно минимальное повреждение мягких тканей в зоне перелома, сохранение кровоснабжения фрагментов при обеспечении достаточно стабильной фиксации отломков и безиммобилизационного активного функционального режима [1].

Предложенный нами БМПФ-7 полностью отвечает указанным требованиям. Его металлическая основа обеспечивает достаточную жесткость, а наличие полимерных окон дает возможность быстро и атравматично проводить блокирующие и фиксирующие винты, которые позволяют системе «кость—фиксатор» противостоять дислоцирующим нагрузкам. На основе расчетов, проведенных с использованием аппарата сопротивления материалов, обоснованно определены минимально необходимое число блокирующих и фиксирующих винтов, а также их диаметр. Расчетным путем оценена прочность всех элементов биотехнической системы «кость—винты—фиксатор».

Разработанный фиксатор и методика его применения соответствуют критериям биологического остеосинтеза, что сводит к минимуму риск интра- и послеоперационных осложнений, оптимизирует реабилитацию пациентов.

About the authors

I. M. Rublenik

Bukovina State Medical Academy

Email: info@eco-vector.com
Ukraine, Chernivtsi

V. L. Vasyuk

Bukovina State Medical Academy

Email: info@eco-vector.com
Ukraine, Chernivtsi

A. G. Shayko-Shaykovskiy

Chernivtsi National University

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Ukraine, Chernivtsi

References

Supplementary files