МОНОКОРТИКАЛЬНЫЙ ФИКСАТОР ДЛЯ НАКОСТНОГО ОСТЕОСИНТЕЗА

Соавторы: Литвинов И.И., ДанилякВ.В., Гильфанов С.И., АбдаллаР.
Монокортикальный фиксатор для накостного остеосинтеза
Полезная модель относится к медицине, а именно к травматологии, ортопедии и может применяться как средство лечения накостным остеосинтезом переломов, несращешш, ложных суставов и деформаций.
Известна пластина для накостного остеосинтеза (1), которая может применяться как бикортикальная, так и монокортикальная. Пластина содержит отверстия под винты, оси которых расположены в разных плоскостях и под разными углами к продольной оси конструкции. Пластина не имеет выступов вдоль ее продольных сторон, форма ее поперечного сечения может быть прямоугольной. Винты вводят через резьбовые отверстия в пластине в оба кортикальных слоя отломка или же только в ближний. Сама пластина находится на некотором расстоянии от кости или ее укладывают на кость с сохраненной надкостницей. Пластина, используемая в монокортикальном варианте, имеет следующие недостатки.
1 .Низкая прочность соединения пластины и кости. Так как кость не имеет регулярную поверхность и кривизна ее изменяется в продольном и поперечном направлениях, то контакт с плоской, не имеющей выступов поверхностью пластины будет осуществляться, как правило, в одной, реже в двух зонах, чаще -ближе к центральной оси пластины. Это приводит к созданию неустойчивой, особенно в отношении ротации, системы, так как возникающие внутренние моменты, противодействующие внешнему моменту, имеют короткое плечо силы
-расстояние от центральной продольной оси пластины до осей шурупов, расположенных на большем или меньшем удалении от краев фиксатора в зависимости от размеров резьбовых отверстий. Кроме того, ненадежность пластины в ротационном отношении объясняется еще и тем, что при использовании пластины без контакта с костью исключаются силы реакции опоры, разгружающие винтовые соединения.
2.Неравномерное распределение усилий и напряжений в области винтовых соединений с костью в условиях функционирования конечности вследствие введения винтов под разными углами к продольной оси и в разных плоскостях. Те соединения, которые будут работать с перегрузкой, имеют повышенный риск выйти из строя вследствие разрушения кости. Разрушение наиболее нагруженных соединений автоматически влечет за собой перегрузку и разрушение других соединений.
3.Значительное, ничем не компенсируемое ослабление поперечного сечения пластины на  отверстий и, как следствие, опасность ее усталостного разрушения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является монокортикальный фиксатор (2), выполненый в виде пластины, содержащей резьбовые отверстия под диафизарные винты, оси которых перпендикулярны продольной оси пластины, а также выступы по обеим продольным сторонам пластины на уровне отверстий. При укладывании на кость пластина взаимодействует с ней выступами и ее фиксируют только к
А 61 в 17/58
подлежащему кортикальному слою винтами нейтрально, без создания компрессии между пластиной и отломками.
К недостаткам данной конструкции относятся следующие.
1. Низкая сопротивляемость системы фиксатор-отломки ротационным нагрузкам из-за того, что возникающее при действии вращающего момента усилие совпадает с осью монокортикального винта, который имеет малую протяженность взаимодействия с костью, так как вводится перпендикулярно к пластине и кости, то есть по кратчайшей траектории, соединяющей наружную и внутреннюю поверхности кортикального слоя отломка.
2.Опасность перелома винтов на участках между отверстиями в пластине и поверхностью кости под действием значительной по величине осевой нагрузки, например при ходьбе с опорой на прооперированный сегмент. Концентрация напряжений в этой зоне винтов обусловлена отсутствием передачи внешнего осевого усилия между пластиной и костью за счет сил трения в зоне их контакта и полной трансформацией значительной по величине осевой нагрузки в поперечную силу поперечного сечения винта из-за его перпендикулярного расположения по отношению к пластине и кости.
Техническим результатом от использования данной полезной модели является повышение надежности монокортикального остеосинтеза.
Данный технический результат достигается тем, что монокортикальный фиксатор для накостного остеосинтеза выполнен в виде пластины с резьбовыми отверстиями под диафизарные винты и опорными выступами по продольным краям пластины на уровне отверстий, причем оси трех или более резьбовых отверстий расположены под углом к продольной оси пластины так, что выходная часть отверстия находится на меньшем расстоянии от ближайшего к нему конца пластины, чем входная.
На фиг.1 показан монокортикальный фиксатор для накостного остеосинтеза, наложенный на кость при диафизарном переломе; на фиг.2 монокортикальный фиксатор при околосуставном или внутрисуставном переломе; на фиг.З - разрез А-А на фиг.1; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.5 - разрез С-С на фиг.1; на фиг.6 - разрез Д-Д на фиг.1; на фиг.7,8-схемы разложения усилий, действующих на систему кость-фиксатор. Монокортикальный фиксатор для накостного остеосинтеза выполнен в виде пластины с резьбовыми отверстиями 1 под диафизарные винты 2 и опорными выступами 3. Оси резьбовых отверстий 1 расположены под углом- к Продольной оси пластины так, что выходная часть отверстия 4 находится на меньшем расстоянии от ближайшего конца пластины, чем входная часть отверстия 5. Для эффективной работы конструкции соединение с диафизарным отделом кости должно осуществляться посредством как минимум трех винтов. Расположение резьбовых отверстий для диафизарных винтов под углом ( а ) к продольной оси пластины так, что выходная часть отверстия находится на меньшем расстоянии от ближайшего к нему конца пластины, чем входная приводит к эффекту разложения осевой нагрузки ( FI ), действующей на систему пластина-костные отломки, на две составляющие. Одна из них ( Fa ) направлена по оси винтов в сторону кости и приводит, вследствие жесткого резьбового соединения пластины и шурупа, к усилению заклинивания последнего в кости без угрозы ее разрушения, так как этому мешают опорные выступы, со стороны которых возникают силы реакции. Последние порождают силы трения, способствующие частичной передаче нагрузки непосредственно между пластиной и костью, минуя винты и разгружая их. Поперечное по отношению к оси шурупа усилие
( РЗ ) составит лишь часть осевой нагрузки и будет пропорционально косинусу угла наклона винта - РЗ  FI х cos а. Если соединение находится под воздействием нагрузок, ориентированных нормально по отношению к пластине и отломку ( Р4 ) и направленных на отрыв фиксатора от кости, например ротационной нагрузки или изгибающего момента, действуюш;его в плоскости осей диафизарных винтов, то общее усилие также распадается на составляющую параллельную ( PS ) и перпендикулярную ( Ре ) оси винта. Величина усилия, действующего по оси шурупа на его вырывание из кости ( РЗ ) будет уменьшена по сравнению с общим усилием ( Р4 ) тем больше, чем больше будет угол наклона винта и определяться соотношением- PS  Р4 х cos а . В тоже время протяженность взаимодействия винта с кортикальным слоем (а) будет увеличена по сравнению с его толщиной (Ь) тем больше, чем больше будет угол наклона винта ( а  b : cos а ). Таким образом, сопротивляемость соединения ротационным и изгибным нагрузкам также увеличивается. При сложном виде нагружения, а именно комбинации действия нормальных и тангенциальных по отношению к пластине и кости внешних усилий, например при одновременном приложении осевой, ротационной нагрузок и изгибающего момента, действующего в плоскости осей диафизарных шурупов, что имеет место в реальных условиях функционирования конечности, возникает новый дополнительный качественный эффект распределения усилий и напряжений, обусловленный сочетанием наклона диафизарных винтов к продольной оси пластины и жестким резьбовым креплением их в отверстиях фиксатора. Суть этого эффекта состоит в появлении противоположно направленных составляющих внешних нагрузок ( Р2 и PS ), одновременно действующих по оси винта, что приводит к значительному уменьшению результирующих усилий и напряжений, возникающих в опасном для монокортикального шурупа направлении.
Известна хирургическая компрессирующая пластина для накостного остеосинтеза с цилиндрическими отверстиями без резьбы под крепежные винты, расположенными параллельно друг другу и под углом 45 градусов к продольной оси пластины ( а.с. № 1502019 ). В ходе введения крепежных винтов пластина, первоначально установленная на расстоянии от поверхности отломков равном величине щели между ними, прижимается к поверхности кости головками шурупов, а отломки - друг к другу. Таким образом, со стороны пластины возникает сила реакции ( Qi на. фиг. 8), действующая на головку шурупа, а в зоне соединения крепежных винтов с костью и в самих винтах предварительные, т.е. существующие независимо от внешней нагрузки, усилия и напряжения ( преднагрузки ), направленные вдоль оси шурупов. В местах контакта пластины и отломков также формируются силы реакции, порождающие силы трения, прямо пропорциональные по величине указанным преднагрузкам. Возможны различные биомеханические сценарии функционирования данной системы кость-фиксатор. Если компрессионные усилия, развиваемые крепежными шурупами, и, стало быть, преднагрузка недостаточно велики или вследствие комбинированного эффекта разрушения, перестройки и релаксации кости произошло их уменьшение, то максимальная сила трения между конструкцией и отломками может стать меньше составляющей внешней нагрузки, направленной тангенциально по отношению к зонам контакта пластины и костного сегмента. В этом случае разность между тангенциальной составляющей внешней нагрузки и максимальной силой трения ( Qi) передается непосредственно на взаимодействующую с пластиной часть шурупа.
Составляющая этой разности, направленная по оси шурупа ( Qs ) не приводит к усилению заклинивания последнего в кости из-за нежесткого соединения винта с пластиной и не противодействует усилиям, направленным на вырывание винта из кости. Составляющая перпендикулярная оси шурупа (Q4) может привести к наклону последнего в отверстии пластины на величину несоответствия диаметра цилиндрического отверстия пластины и диаметра резьбы винта. Препятствовать наклону винта и, значит, подвижности пластины относительно отломка может только момент, действующий на винт со стороны кости. Момент, продуцируемый лишь одним кортикальным слоем, мал в сравнении с действуюшими внешними нагрузками. Поэтому, для поддержания равновесия в системе кость-фиксатор необходима дополнительная сила реакции со стороны противолежащего кортикального слоя, т.е. бикортикальная фиксация, как этого требует технология применения данной конструкции. Если максимальная сила трения между пластиной и костью превышает величину внешней продольной нагрузки, направленной по оси отломков и фиксатора, например при ходьбе с опорой на прооперированную конечность, то внешняя тангенциальная нагрузка полностью передается между пластиной и костью, минуя шурупы. Однако, данный эффект развивается только в условиях значительной осевой преднагрузки, уменьшающей запас прочности винтов и их соединений с костью, причем в условиях функционирования конечности эта преднагрузка суммируется с усилиями, действующими по оси винтов на отрыв их от кости ( Qs ), например, под действием вращающего или изгибающего моментов, что создает опасность выхода системы из строя. Для увеличения сопротивляемости конструкции выдергивающим силам также необходимо бикортикальное применение шурупов. Однако, введение винтов через оба кортикальных слоя отломков и костномозговой канал, содержащий питающие кость сосуды, приводит к некрозу кости и может быть причиной замедленного сращения, несращения, инфекционных осложнений. Паличие на концах конструкции установочных винтов, отверстия под которые выполнены резьбовыми и перпендикулярно продольной оси пластины, не решает задачи соединения фиксатора и кости при условии сведения к минимуму операционной травмы, поскольку наблюдается несинхронизированная работа различных винтов и их соединений с отломками по обеспечению стабильности системы кость-фиксатор. Установочные винты не могут участвовать в создании компрессии между пластиной и костью. Поэтому получение достаточной максимальной силы трения между накостной конструкцией и костью сразу после остеосинтеза обеспечивается только крепежными винтами, которые испытывают тем большую преднагрузку растяжения, чем меньше винтов участвует в создании необходимой суммарной компрессии между пластиной и отломками. Чем значительнее преднагрузка, тем больше исчерпывается запас прочности винта и его соединения с костью, тем вероятнее перелом шурупа, разрушение, перестройка и релаксация кости, потеря ее плотного контакта с фиксатором. В этих условиях внешняя нагрузка начинает перераспределяться на установочные винты и их соединения с костью, приводя к их перегрузке и выходу из строя, т.к. крепежные винты могут свободно смещаться в нерезьбовых наклонных отверстиях пластины, не защищая установочные винты и их соединения с отломками от разрушения. Появление микроподвижности между крепежными винтами и пластиной из-за их нежесткого соединения может, кроме того, привести к фреттинговой коррозии фиксатора, сопровождающейся изменением его структуры и механических
свойств и образованием продуктов взаимодействия конструкции с окружающей средой, негативно влияющих на организм.
С устройством работают следующим образом. После обнажения отломков или путем введения пластины через тоннель в мягких тканях конструкцию укладывают на надкостницу, формируют каналы для винтов с использованием направителя строго по оси отверстий только в ближайшем кортикальном слое, после чего фиксируют пластину винтами.
ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Монокортикальный фиксатор для накостного остеосинтеза, выполненный в виде пластины с резьбовыми отверстиями под диафизарные винты и опорными выступами по продольным краям пластины на уровне отверстий, отличающийся тем, что оси трех или более резьбовых отверстий расположены под углом к продольной оси пластины так, что выходная часть отверстий находится на меньшем расстоянии от ближайшего к нему конца пластины, чем входная.
Использованная литература:
1.Патент РФ № 2100979, МКИ6: А 61 В 17/58,
2. Журнал «Margo anterior, № 1, 1999г., стр. 2, Совместное издание AO/ASIF и МАТИС Медикал для России и стран СНГ.