Разработка и перспектива применения динамического устройства для фиксации дистального межберцового синдесмоза

КЛИНИЧЕСКАЯ МЕДИЦИНА

УДК 617.3: 616.728.46:004.9

Ю. Н. Беккер, А. Н. Митрошин, М. С. Лемин, С. А. Нестеров, А. В. Кузьмин

РАЗРАБОТКА И ПЕРСПЕКТИВА ПРИМЕНЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ФИКСАЦИИ ДИСТАЛЬНОГО МЕЖБЕРЦОВОГО СИНДЕСМОЗА

Аннотация.

Актуальность и цели. Проблема восстановления межберцового синдесмоза после травматического разрыва является актуальной поскольку сохраняется высокий уровень неблагоприятных исходов лечения, а существующие средства фиксации дистального межберцового синдесмоза не отвечают всем требованиям по сохранению подвижности и стабильности фиксации при его повреждении. Цель работы состоит в исследовании и проектировании динамического устройства фиксации межберцового синдесмоза с использованием средств компьютерного моделирования.

Материалы и методы. В работе используются данные компьютерной томографии пациентов для создания трехмерной модели голеностопного сустава и исследования кинематических параметров его подвижности, для проектирования динамического фиксатора используется схема пружинно-демпфирую-щего устройства. Для создания трехмерных моделей использовался пакет PowerShape компании Delcam.

Результаты. Авторами построена компьютерная модель голеностопного сустава, с помощью которой исследованы его кинематические параметры. Предложены конкретные технические параметры фиксирующего устройства. Создана трехмерная модель спроектированного устройства. Проведены исследования с использованием моделей фиксирующего устройства и голеностопного сустава.

Выводы. С использованием трехмерной модели установлены кинематические параметры движения голеностопного сустава: 20° при тыльном сгибании и 49° при подошвенном разгибании, изменение расстояния в районе дистального межберцового синдесмоза до 1,1 мм. Спроектировано динамическое фиксирующее устройство, обеспечивающее объем движений вдоль оси стягивания до 2 мм, радиальное перемещение до 0,8 мм, суммарную полную ротацию до 8°50', определены технические параметры элементов устройства. Компьютерное моделирование показало, что разработанная конструкция фиксирующего устройства применима для восстановления дистального межберцового синдесмоза после травматического разрыва с сохранением объема движения.

Ключевые слова: ортопедия, дистальный межберцовый синдесмоз, трехмерная модель, динамический фиксатор.

Yu. N. Bekker, A. N. Mitroshin, M. S. Lemin, S. A. Nesterov, A. V. Kuz'min

MODELING AND DESIGN OF A DYNAMIC DEVICE FOR FIXATION OF DISTAL TIBIOFIBULAR SYNDESMOSIS

Abstract.

Background. The article is devoted to the problem of restoration of tibiofibular syndesmoses after traumatic disruptions. This problem is urgent due to a high level of unfavorable clinical outcomes, and devices for fixation of damaged distal tibiofibular syndesmoses do not meet the requirements of mobility preservation and fixation stability. The goal of the research is to design and research a dynamical device for distal tibiofibular syndesmosis fixation by means of computer modeling.

Materials and methods. Patients' tomograpic data were used to create an ankle-joint 3D model for computer analysis of its mobility parameters. The spring -dampening device scheme was used to design a dynamical fixator. The PowerShape package (Delcam) was used to create 3D models.

Results. The authors created the ankle-joint model that helped to analyze its kinematic parameters. Concrete technical parameters of the fixator device were proposed. A 3D model of the designed device was developed. Verifications were completed with the help of the fixator device and ankle joint models.

Conclusions. Ankle joint motion kinamatic parameters were determined with the help of a 3D model: 20° during dorsal flexion and 49° during bottom extension, distance alteration in the region of the distal tibiofibular syndesmosis was under 1.1 mm. The dinamical fixator device was designed. It ensures motion range along the axis of constriction up to 2 mm, radial motion up to 0.8 mm, summary total rotation to 8°50'. Technical parameters of the device were specified. Computer modeling showed that the developed construction of the fixator device is applicable for healing distal tibiofibular syndesmoses after traumatic breaks with preservation of motion range.

Key words: orthopaedy, tibiofibular syndesmosis, dampener, mechanical parameters, mathematical model.

Введение

Повреждение дистального межберцового синдесмоза (ДМС) является одной из актуальных проблем современной травматологии и ортопедии. Об актуальности этой проблемы говорит уже тот факт, что повреждение ДМС встречается у 40 % больных с повреждением голеностопного сустава [1]. Особенно распространены травмы с повреждением ДМС у людей, чья жизнь связана с повышенной физической активностью, например у спортсменов и военнослужащих.

Проблема фиксации ДМС является одной из ключевых при решении вопроса об оперативном лечении повреждения голеностопного сустава [2-4]. На сегодня применяется ряд устройств для фиксации межберцового синдесмоза. При этом восстановление межберцового сочленения не всегда происходит с учетом необходимости сохранения его тугоэластичных свойств и необходимого объема движений и часто приводит к развитию синостоза или, наоборот, нестабильности и, как следствие, - к развитию дегенеративных процессов [2-4]: хроническая нестабильность и посттравматический деформирующий артроз голеностопного сустава [5].

Результаты клинического исследования [6] позволяют сделать вывод, что лечение травм, связанных с разрывам ДМС, методом ассоциации остео-синтеза, наиболее распространенным сейчас, сопряжено с наличием отдаленных последствий, таких как ограничение подвижности сустава, а итоговая оценка состояния 45 % пациентов через 12 месяцев находится на уровне не выше удовлетворительного по шкале KITAOKA отдаленных функциональ-

ных результатов. Причиной таких показателей является ограничение объема движений ДМС, что за время лечения нарушает ее биомеханическую функцию и сказывается на длительности периода реабилитации.

Одним из главных условий лечения является полное восстановление работоспособности в области так называемой вилки голеностопного сустава, включающее реконструкцию не только лодыжек, но и межберцового синдесмоза [3]. Среди специалистов до сих пор нет единого мнения о выборе метода лечения и последующей реабилитации пациентов с подобной патологией.

Многие существующие методы фиксации ДМС не отвечают всем требованиям по сохранению подвижности и в то же время стабильности фиксации ДМС при его повреждении. В свою очередь совершенствование средств и методов лечения требует детального тщательного обоснования разработки тех или иных конструктивных и технических решений.

В связи с этим одним из важнейших этапов разработки устройств для проведения восстановительного лечения ДМС является математическое обоснование их работоспособности и надежности [7]. В настоящее время для решения этой задачи широко используются возможности компьютерного моделирования.

Цель и задачи исследования

Цель исследования - с помощью средств компьютерного моделирования спроектировать и исследовать устройство динамической фиксации ДМС с сохранением объема движения.

Для достижения поставленной цели предполагается решить следующие задачи:

1. Построить трехмерную модель голеностопного сустава человека.

2. Исследовать параметры движения голеностопного сустава человека с использованием его трехмерной модели.

3. Определить технические параметры элементов фиксирующего устройства.

4. Построить трехмерную модель устройства динамической фиксации.

5. Исследовать с использованием трехмерных моделей корректность функционирования фиксирующего устройства.

Материалы и методы

В качестве объекта исследования выбрано устройство динамической фиксации ДМС [8], конструкция которого позволяет обеспечивать как физиологическую подвижность ДМС без потери фиксации, так и демпфирующие динамические свойства ДМС. Схема устройства приведена на рис. 1.

Устройство содержит (рис. 1): стержень 2 с винтовой резьбой и головкой сферической формы 3, проходящий через малую берцовую кость, втулку с наружной резьбой 4, находящуюся внутри большой берцовой кости, с внешней и внутренней опорными площадками, винтообразную тарированную пружину 7 для установки на стержне, гайки для стержня 8, адаптационные шайбы 9 и ввинчиваемую заглушку втулки 5, 10. Упомянутая пружина 7 одним своим концом упирается в головку винтового стержня, а другим -во внутреннюю упорную площадку втулки 6.

Проектирование и исследование узлов устройства выполнялось с применением современных компьютерных средств моделирования и анализа. В частности, CAD/CAM (CAD-Computer Aided Design, CAM-Computer Aided Manufacturing) - программное обеспечение компании DELCAM ltd (Великобритания), которое позволяет решать широкий круг задач по проектированию и изготовлению изделий-имплантов [9], в том числе и в ортопедии [10]. Применение данного программного обеспечения позволяет использовать специализированные данные, получаемые с компьютерных томографов, разрабатывать конструкции с применением комбинации различных видов моделирования (твердотельное, поверхностное, триангулированное), корректно передавать информацию в компьютерные системы инженерного анализа (Ansys, Nastran и т.д.), быстро переходить к подготовке технологического процесса и, непосредственно, изготовлению изделий на специализированных станках с числовым программным управлением. Использование программного обеспечения DELCAM выполнялась на основе лицензии № 986568988 Центра компьютерного проектирования «Делкам-Пенза» Пензенского государственного университета.

Определение кинематических параметров и характерных пространственных положений голеностопного сустава выполнялось на основе томограмм 27 пациентов отделения травматологии № 1 ГКБ СМП им. Г. А. Захарьина г. Пензы как имеющих патологии ДМС, так и здоровых.

Пространственное моделирование осуществлялось в пакете PowerShape компании Delcam. На основе томографических данных формировались поверхностные полигональные модели голеностопного сустава.

На основе трехмерных моделей голеностопного сустава выполнялось проектирование элементов фиксирующего устройства. Для этого также использовались возможности пакета для моделирования PowerShape. Это позволило выполнить модели элементов устройства, непосредственно взаимодействующих с костной тканью, с большой точностью с учетом сложных поверхностей прилегающих костей.

Результаты и обсуждение

На основе томографических данных построены трехмерные модели голеностопного сустава, показанные на рис. 2 в характерных положениях (нейтральном, тыльного сгибания), для анализа кинематических параметров движения костей и, соответственно, определяющих объем движения фиксирующего устройства.

б)

Рис. 2. Трехмерная модель голеностопа: а - нейтральное положение; б - тыльное сгибание

На полученных трехмерных моделях было проведено ангулометриче-ское исследование (см. рис. 2), которое показало, что объем движений по сгибанию составляет 20° при тыльном сгибании и 49° при подошвенном разгибании для здоровых пациентов, что соответствует данным клинического анализа [6].

Полученные модели позволили определить расчетный объем движений ДМС здорового человека. Изменение расстояния между костями голени, на

уровне синдесмоза во фронтальной плоскости составляет до 1,1 мм, как показано на рис. 3, что в целом соответствует физиологической подвижности [11].

Рис. 3. Определение расстояния между костями голеностопа

Проектирование элементов фиксирующего устройства ДМС (поршень, стержень, пружина) выполнялось исходя из объема движения, определенного на этапе анализа геометрической модели голеностопного сустава и создания экспериментальной модели механических характеристик ДМС человека [12].

Исследования [12] позволили подобрать параметры пружины, которая должна обеспечить максимальное усилие стягивания малой и берцовой костей на уровне 500 Н в состоянии нагрузки. Для выполнения этих требований была подобрана пружина из стали 12Х18Н9Т с толщиной проволоки диаметром 0,8 мм, количеством витков 15 шт., диаметром витка соответствующим диаметру цилиндра - 4 мм. Определено, что при установке необходимо обеспечить предварительное сжатие пружины на уровне 7 мм, что обеспечит преднатяг на ~300 Н. Это позволит обеспечить подвижность ДМС вдоль оси стягивания порядка 2 мм, что обеспечит требуемую физиологическую подвижность.

В спроектированном устройстве ротация возможна за счет возможности поршня со стержнем поворачиваться в зоне взаимодействия с гильзой и имеющегося зазора между ограничительной втулкой и стержнем. Конструктивно это позволяет обеспечить ротацию на угол порядка 1°, что соответствует сгибательно-разгибательному движению сустава.

Дополнительная ротация на угол 3°25' обеспечивается за счет использования на опорной пластине шарообразной опорной гайки (8 на рис. 1), которая имеет возможность поворачиваться по поверхности опорной пластины и имеющегося зазора в отверстии малоберцовой кости, по которой проходит стержень. Отверстие должно обеспечить зазор в 1 мм относительно малоберцовой кости. Таким образом, суммарная полная ротация составит 8°50'. При этом максимальное радиальное перемещение малоберцовой кости на выходе стержня устройства из малоберцовой кости составит 0,8 мм. Полученные

значения подвижности устройства согласуются с данными исследований [11, 13]. Все это позволяет работать устройству безударно без возникновения каких-либо серьезных упругих и, тем более, пластических деформаций

Трехмерные модели элементов динамического фиксатора с учетом анатомических особенностей прилегания опорных пластин приведены на рис. 4. Опорная шайба на малоберцовой кости имеет коническую форму, при этом, поворачивая шайбу, можно подобрать подходящее размещение относительно конкретного места приложения.

«a a Ü о

Рис. 4. Модель динамического фиксатора в действии

Опорная пластина малоберцовой кости имеет форму, анатомически соответствующую среднестатистической поверхности малоберцовой кости здорового человека. Кроме того, она может быть индивидуально изготовлена по данным томографии конкретного пациента.

Данная методика проектирования создает условия для индивидуальной предоперационной подготовки, изготовления индивидуальных анатомически корректных прилегающих элементов конструкции, в первую очередь, вспомогательных шайб фиксирующего устройства. Это, в свою очередь, позволит обеспечить лучшую адаптацию устройства под индивидуальные особенности пациента, повышение качества и скорости проведения операции и эффективности лечения повреждений ДМС.

Анализируя характерные пространственные положения при движении голеностопного сустава и допустимые перемещения устройства динамической фиксации, можно сделать вывод о соответствии параметров спроектированного устройства требованиям безударного функционирования и упругого взаимодействия элементов устройства при обеспечении требуемого объема движений.

Выводы

1. На основе томографических данных создана трехмерная модель голеностопного сустава для исследования параметров работы ДМС.

2. Исследование кинематических параметров движения голеностопного сустава на трехмерных моделях показало следующие диапазоны вращательных и линейных перемещений: 20° при тыльном сгибании и 49° при подошвенном разгибании, изменение расстояния в районе ДМС составляет до 1,1 мм.

3. Спроектировано динамическое фиксирующее устройство, обеспечивающее объем движений вдоль оси стягивания до 2 мм, радиальное перемещение до 0,8 мм, суммарную полную ротацию до 8°50', определены технические параметры элементов устройства.

4. Разработана трехмерная модель фиксирующего устройства для исследования его работы при его виртуальной установке в трехмерную модель голеностопного сустава.

5. Компьютерное моделирование показало, что разработанная конструкция фиксирующего устройства применима для восстановления межберцового синдесмоза после травматического разрыва с сохранением объема движения.

Список литературы

1. Унгбаев, Т. Переломы лодыжек в сочетании с разрывом нижнего межберцового сочленения : автореф. дис. ... канд. мед. наук / Унгбаев Т. - Ташкент, 1970. -21 с.

2. Яременко, Д. А. Артродез при последствиях осложненных травм голеностопного сустава / Д. А. Яременко, Е. П. Бабуркина, А. В. Кишкарь // Ортопедия, травматология и протезирование. - 2000. - № 3. - С. 77-81.

3. Анкин, Л. Н. Практическая травматология. Европейские стандарты диагностики и лечения / Л. Н. Анкин, Н. Л. Анкин. - М. : Книга-плюс, 2002. - 480 с.

4. Лоскутов, О. А. Остеосинтез при переломе лодыжек / О. А. Лоскутов, А. Е. Лоскутов // Ортопедия, травматология и протезирование. - 2010. - № 2 (579). - С. 48-52.

5. Архипов, С. В. Современные аспекты лечения посттравматического деформирующего артроза голеностопного сустава / С. В. Архипов, А. В. Лычагин // Вестник травматологии и ортопедии. - 2000. - № 4. - С. 64-67.

6. Беккер, Ю. Н. Клинический анализ проблемы фиксации дистального межберцового синдесмоза / Ю. Н. Беккер, А. Н. Митрошин, В. С. Миронов, А. В. Кузьмин // Практическая медицина. - 2015. - № 6 (91). - С. 76-78.

7. Bohm, E. R. Employment status and personal characteristics in patients awaiting hip replacement surgery / E. R. Bohm // Canadian Journal of Surgery. - 2009. - № 52 (2). -С. 142-146.

8. Патент 2545922 Российская Федерация, МПК A61B 17/68 (2006.01). Устройство для лечения диастаза дистального межберцового синдесмоза при его повреждении / Беккер Ю. Н., Салаев А. В., Митрошин А. Н., Моисеенков В. А. -№ 2012146744/14 ; заявл. 01.11.2012 ; опубл. 10.05.2014, Бюл. № 13. - 4 с.

9. Нестеров, С. А. Разработка конструкции и технология изготовления протеза коленного сустава с применением программ фирмы Delcam // С. А. Нестеров, А. Н. Машкова, И. А. Рыков // САПР и графика. - 2014. - № 1. - С. 82-85.

10. Создание имитационной модели имплантата для лечения переломов шейки бедренной кости с использованием CAD-системы PowerSHAPE / Е. Савельева, А. Павлышко, А. Чабаненко, А. Бец, А. Мамонтова // САПР и графика. - 2014. -№ 1. - С. 79-81.

11. Кулаженко, Е. В. Динамический фиксатор для восстановления межберцового синдесмоза / Е. В. Кулаженко, С. А. Варзарь // Украинский медицинский альманах. - 2011. - Т. 14, № 1. - С. 131-134.

12. Беккер, Ю. Н. Построение модели эквивалентного пружинно-демпфирующего устройства для фиксации межберцового синдесмоза с сохранением объема движения / Ю. Н. Беккер, А. Н. Митрошин, А. В. Кузьмин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. - 2015. - № 2 (34). -С. 39-48.

13. Карпинский, М. Ю. Моделирование остеосинтеза берцовых костей при повреждениях межберцового синдесмоза, сохраняющего его физиологическую подвижность / М. Ю. Карпинский, О. Ю. Качур, А. А. Тяжелов, Л. Д. Гончарова // Запорожский медицинский журнал. - 2010. - Т. 12, № 4. - С. 140-143.

References

1. Ungbaev T. Perelomy lodyzhek v sochetanii s razryvom nizhnego mezhbertsovogo sochleneniya: avtoref. diss. kand. med. nauk [Ankle fractures in combination with low-ere tibial joint breaks: author's abstract of dissertation to apply for the degree of the candidate of medical sciences]. Tashkent, 1970, 21 p.

2. Yaremenko D. A., Baburkina E. P., Kishkar' A. V. Ortopediya, travmatologiya i prote-zirovanie [Orthopedics, traumatology and prosthetics]. 2000, no. 3, pp. 77-81.

3. Ankin L. N., Ankin N. L. Prakticheskaya travmatologiya. Evropeyskie standarty diag-nostiki i lecheniya [Practical traumatology. European standards of diagnostics and treatment]. Moscow: Kniga-plyus, 2002, 480 p.

4. Loskutov O. A., Loskutov A. E. Ortopediya, travmatologiya i protezirovanie [Orthopedics, traumatology and prosthetics]. 2010, no. 2 (579), pp. 48-52.

5. Arkhipov S. V., Lychagin A. V. Vestnik travmatologii i ortopedii [Bulletin of traumatology and orthopedics]. 2000, no. 4, pp. 64-67.

6. Bekker Yu. N., Mitroshin A. N., Mironov V. S., Kuz'min A. V. Prakticheskaya med-itsina [Practical medicine]. 2015, no. 6 (91), pp. 76-78.

7. Bohm E. R. Canadian Journal of Surgery. 2009, no. 52 (2), pp. 142-146.

8. Patent 2545922 Russian Federation, MPK A61B 17/68 (2006.01). Ustroystvo dlya lecheniya diastaza distal'nogo mezhbertsovogo sindesmoza pri ego povrezhdenii [A device for damagend distal tibiofibular syndesmosis diastasis treatment]. Bekker Yu. N., Salaev A. V., Mitroshin A. N., Moiseenkov V. A. № 2012146744/14; appl. 01.11.2012; publ. 10.05.2014, bll. no. 13, 4 p.

9. Nesterov S. A., Mashkova A. N., Rykov I. A. SAPR i grafika [CAD and graphics]. 2014, no. 1, pp. 82-85.

10. Savel'eva E., Pavlyshko A., Chabanenko A., Bets A., Mamontova A. SAPR i grafika [CAD and graphics]. 2014, no. 1, pp. 79-81.

11. Kulazhenko E. V., Varzar' S. A. Ukrainskiy meditsinskiy al'manakh [Ukranian medical miscellany]. 2011, vol. 14, no. 1, pp. 131-134.

12. Bekker Yu. N., Mitroshin A. N., Kuz'min A. V. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Meditsinskie nauki [University proceedings. Volga region. Medical sciences]. 2015, no. 2 (34), pp. 39-48.

13. Karpinskiy M. Yu., Kachur O. Yu., Tyazhelov A. A., Goncharova L. D. Zaporozhskiy meditsinskiy zhurnal [Zaporozhye medical journal]. 2010, vol. 12, no. 4, pp. 140-143.

Беккер Юрий Наумович

аспирант, Медицинский институт, Пензенский государственный университет

E-mail: stopapnz@mail.ru

Митрошин Александр Николаевич

доктор медицинских наук, профессор, кафедра хирургии, Медицинский институт, Пензенский государственный университет

E-mail: pmisurg@gmail.com

Лемин Михаил Сергеевич магистрант, Пензенский государственный университет

E-mail: taniabc@rambler.ru

Нестеров Сергей Александрович

кандидат технических наук, доцент, кафедра технологии машиностроения, Пензенский государственный университет

E-mail: nesterovs@list.ru

Кузьмин Андрей Викторович

кандидат технических наук, доцент, кафедра информационно-вычислительных систем, Пензенский государственный университет

E-mail: flickerlight@inbox.com

Bekker Yuriy Naumovich Postgraduate student, Medical Institute, Penza State University

Mitroshin Aleksandr Nikolaevich Doctor of medical sciences, professor, sub-department of surgery, Medical Institute, Penza State University

Lemin Mikhail Sergeevich

Master degree student, Penza State University

Nesterov Sergey Aleksandrovich Сandidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of mechanical engineering, Penza State University

Kuzmin Andrey Victorovich

Candidate of engineering sciences, associate

professor, sub-department information

and computation systems, Penza State

University (40 Krasnaya street,

Penza, Russia)

УДК 617.3: 616.728.46:004.9

Разработка и перспектива применения динамического устройства для фиксации дистального межберцового синдесмоза / Ю. Н. Беккер, А. Н. Митрошин, М. С. Лемин, С. А. Нестеров, А. В. Кузьмин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. -2016. - № 1 (37). - С. 43-53.