Медицина/2. Хирургия

М.н.с. Скрипкин С.П.

ФГБУ "Саратовский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии", Россия

Д.м.н. Барабаш Ю.А.

ФГБУ "Саратовский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии", Россия

Аспирант Шпиняк С.П.

ГОУ ВПО «Саратовский государственный медицинский университет им. В.И. Разумовского», Россия

СРАВНИТЕЛЬНАЯ БИОМЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАКОСТНЫХ ФИКСАТОРОВ LCP И LC-DCP

1. Введение.

В последние годы отмечается расширение показаний для оперативного лечения переломов длинных костей, в том числе и с помощью накостного остеосинтеза. Вместе с тем, наблюдается увеличение частоты развития осложнений, связанных с неправильным подбором накостного имплантата, с недоучетом его конструктивных особенностей, что приводит к недостаточной жесткости фиксации. Несмотря на ряд минусов накостного остеосинтеза (травма мягких тканей, повреждение надкостницы и нарушение кровоснабжения кости, деформации и переломы имплантатов), данный способ фиксации продолжает оставаться привлекательным и удобным способом оперативного лечения.

Инженерные решения по модификации металлоконструкций позволили повысить прочность фиксации отломков и исключить внешнюю иммобилизацию поврежденной конечности с раннего послеоперационного периода, создавая условия для заживления костной раны, что подтверждает опыт применения конструкций АО и их аналогов [1,2]. В настоящее время имеется большой выбор выпускаемых накостных имплантатов.

Традиционная накостная пластина (системы LC-DCP — limited contact dynamic compression plate) ввиду особенностей дизайна (отсутствие блокирования головок винтов в пластине) не может полноценно обеспечить достаточную стабильность в системе «кость — имплантат» и противостоять смещающим усилиям различных направлений [3]. Отсутствие прочного соединения пластины с головкой винта приводит к повышенному силовому воздействию на кость в местах резьбового соединения с винтом. Кроме этого, пластина с неблокируемыми в ней винтами оказывает более неблагоприятное воздействие на надкостницу и кровоснабжение кости, нежели блокируемая пластина. Всем известно, что периостальное кровоснабжение является одним из непреложных факторов благополучного сращения кости. Результаты экспериментальных работ АО Reserch Institute показали, что заживление переломов при внутренней фиксации с использованием титановых блокируемых пластин сравнимо с наружным остеосинтезом. Также выявлено и доказано биомеханически, что устойчивость к деформации на уровне блокирующих отверстий выше, чем в области свободных отверстий. Развитие философии накостного остеосинтеза и совершенствование дизайна привело к появлению фиксатора нового поколения — пластины LCP (Locking-Compression Plate). Пластина характеризуется сочетанием достоинств традиционной пластины LC-DCP (возможность создания межфрагментарной компрессии, ограничение площади контакта «фиксатор — кость») с усиленной стабильностью в системе «кость — имплантат», что обеспечивается блокированием головок винтов в отверстиях пластины. Дизайн пластины и винтов позволяет фиксатору лучше противостоять угловым деформирующим нагрузкам и усилиям на вырывание (что особенно важно при остеопорозе) [3, 4, 5,6, 7].

Поэтому фиксация фрагментов должна, с одной стороны, обеспечить раннее безболезненное функциональное нагружение конечности, а, с другой, - адекватно выполнять свое предназначение на протяжении всего периода времени, необходимого для формирования полноценного костного регенерата. Исходя из вышеизложенного, необходимо четкое, биомеханически обоснованное представление о прочности фиксации отломков пластинами с блокированием и без такового для адекватного подбора длины импланта при разных видах переломов.

2. Цель исследования:

В условиях эксперимента сравнить жесткость накостной фиксации двумя видами пластин (LCP и LC-DCP) путем исследования внутренних напряжений в упругой и жесткой механических конструкциях.

3. Материалы и методы исследования.

Эксперимент проводился при помощи тарированной разрывной машины типа Р-10, 1677, ГОСТ 7855-14. В качестве исследуемых образцов использовали деревянные цилиндры диаметром 30 мм, длиной 400 мм, на которых в средней трети моделировали 3 типа переломов: поперечный, косой, оскольчатый. Поперечный перелом получали пересечением образца посередине под углом 90°, косой — под углом 45°, оскольчатый - двумя встречно направленными распилами под углом 45° к средней поперечной линии образца.

Использовали накостные фиксаторы двух типов: наиболее часто используемая в лечебных учреждениях пластина LC-DCP длиной - 255 мм (63,7% от длины сегмента), шириной - 25 мм, толщиной — 4 мм и пластина LCP с угловой стабильностью длиной - 255 мм, шириной - 17 мм, толщиной - 4 мм (группа сравнения). Во всех сериях механических испытаний пластины крепились таким образом, чтобы их середина соответствовала линии излома образца.

Пластину фиксировали к образцу винтами в количестве от 4 до 14 штук, которые располагались симметрично, на равноудаленном расстоянии от линии распила, с шагом 13 мм. Схема крепления пластины винтами представлена на рисунке 1.

В первой серии испытаний пластину фиксировали 4 винтами, при этом в каждый отломок вводили по 2 винта через два ближайших к линии перелома отверстия (парафрактурных), в результате чего расстояние от линии перелома до последнего фиксирующего винта составило 12,5% от общей длины отломка (рис. 1-а).

Во второй серии пластину фиксировали 6 винтами, при этом в каждый отломок вводили по 3 винта через три ближайших парафрактурных отверстия; расстояние от линии перелома до последнего фиксирующего винта составило 20,5% от общей длины отломка (рис. 1-6).

В третьей серии опыта пластину фиксировали 8 винтами, при этом в каждый отломок вводили по 4 винта через четыре ближайших парафрактурных отверстия; расстояние от линии перелома до последнего фиксирующего винта составило 34% от общей длины отломка (рис. 1-в).

В четвертой серии пластину фиксировали 10 винтами, при этом в каждый отломок вводили по 5 винтов через пять ближайших парафрактурных отверстия; расстояние от линии перелома до последнего фиксирующего винта составило 43,5% от общей длины отломка (рис. 1-г).

В пятой серии пластину фиксировали 12 винтами, при этом в каждый отломок вводили по 6 винтов через шесть ближайших парафрактурных отверстия; расстояние от линии перелома до последнего фиксирующего винта составило 52,5% от общей длины отломка (рис. 1-д).

В шестой серии пластину фиксировали 14 винтами, при этом в каждый отломок вводили по 7 винтов через семь ближайших парафрактурных отверстий; расстояние от линии перелома до последнего фиксирующего винта составило 57% от общей длины отломка (рис. 1-е).

Рис.1. Расположение фиксирующих винтов в отверстиях пластины при

накостном остеосинтезе (а-е).

Нагрузку осуществляли вдоль и перпендикулярно оси образцов до потери жесткости в системе "образец-фиксатор". Потерю жесткости определяли по шкале разрывной машины в момент прекращения нарастания нагрузки. Чаще всего этому соответствовал характерный щелчок прорезывания винта или смещение фрагмента образца относительно пластины на 1 мм. Прочность фиксации отломков исследовали на модели поперечного, косого (45°) и оскольчатого переломов в средней части образца путем нагружения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях трижды. Полученные результаты исследований вносили в таблицу. Статистическую обработку проводили с помощью персонального компьютера с программным обеспечением Microsoft Excel-7.0 и Statistica [StatSoft, Inc., 1995] по двум направлениям. Во-первых, проверялась гипотеза о равенстве выборок анализируемых признаков на основе равенства средних значений (критерий Стьюдента) и дисперсий (критерий Фишера). Второе направление исследований включало изучение связи параметров жесткости между собой на основе корреляционного анализа, который оценивает степень близости корреляционной (вероятностной) зависимости к функциональной. При коэффициенте корреляции меньше 0,3 зависимость считали слабой; 0,3-0,5 — умеренной; 0,5-0,7 — средней; больше 0,7 — тесной.

4. Результаты и обсуждение:

В первом биомеханическом испытании исследовалась степень фиксации отломков образца при нагружении по оси на моделях поперечного, косого и оскольчатого перелома (рис. 2). В первой серии опыта при нагрузке на торцовые поверхности образца, фиксированного пластиной DCP, парафрактурно по 2 винта на каждом отломке, что составило 12,5% от их величины, при поперечном переломе отмечалось нарушение стабильности фиксации при нагрузке 2401 ± 1,763 кг/см²; при косой линии излома - 323,66± 1,07 кг/см²; при оскольчатой 621,666± 0,522 кг/см² (р<0,05). Показатели, полученные при испытании пластины с угловой стабильностью в первых двух сериях (2-3 парафрактурных винта) выше показателей пластины DCP на 18,6 и 6,7% (г =0,839865; Кг= 1,1877).

С увеличением количества винтов и рычага фиксации до 34% от длины отломка происходит увеличение стабильности до 3218± 10,41 кг/см² при поперечной, 427± 3,6 кг/см² при косой и 850± 1,85 кг/см' (р<0,05) - при оскольчатой линии излома, фиксированного пластиной с угловой стабильностью, что уже на 7-11% выше показателей пластины DCP (г = 0,775133; Kr= 1,0962).

При усилении фиксации отломков, с увеличением рычага до 43% от их длины (по 5 винтов) происходит повышение стабильности на 21-26% по сравнению с данными предыдущей серии опыта. С дальнейшим увеличением количества парафрактурно введенных фиксирующих винтов (до 6 и 7) значительного повышения жесткости при поперечном и оскольчатом разрушении не происходит (на 1-3%), а при косой линии распила стабильность фиксации увеличивается на 28,9% (г = 0.606143; Кг= 0,857). При этом показатели стабильности выше в серии с пластиной с угловой стабильностью (на 19-29%).

Рис. 3. График изменения степени фиксации отломков (кг/см² ), фиксированных пластинами LСР (а) и LС-DСР (б) в шести сериях опыта при поперечном нагружении образца.

По нашему мнению, пластину LСР образно можно назвать аппаратом внутренней фиксации. Блокирование винтов в пластине, с одной стороны, препятствует миграции конструкции и обеспечивает достаточную стабильность, с другой стороны, препятствует вторичному смещению отломков на пластине при затягивании винтов.

Исследуя механическую прочность фиксации отломков, закрепленных разными системами погружной фиксации (пластиной LC-DСР и с угловой стабильностью), закрепленных разным количеством винтов с интервалом в 13 мм, максимальная стабильность при фиксации пластиной LСР отмечалась в 5 и 6 сериях эксперимента (по шесть-семь винтов в каждом отломке) при продольном нагружении и в 5 и 6 сериях при поперечном нагружении, что соответствовало 52,5 и 57% фиксации длины отломка.

При косом переломе максимальная стабильность отмечалась в 5 и 6 сериях эксперимента как при продольном, так и поперечном нагружении, что также соответствовало 57% фиксации длины отломка.

При оскольчатом переломе максимальная стабильность отмечалась в 5 и 6 сериях эксперимента при продольном нагружении (52,5 и 57% покрытия фрагмента пластиной) и 6 серии — при поперечном нагружении, что соответствовало 57% покрытия фрагмента пластиной.

Отдельно хочется выделить одинаковую жесткость фиксации при поперечном нагружении во всех типах перелома при фиксации отломков пластиной, закрепленной семью винтами (шестая серия опыта).

Исследуя параметры жесткости отломков закрепленных пластиной с угловой стабильностью, максимальные величины зарегистрированы в 4, 5 и 6 сериях эксперимента (по пять-семь винтов в каждом отломке) при продольном нагружении и в 5, 6 сериях при поперечном нагружении, что соответствовало 43,5-57% от длины фиксации отломка.

В третьей серии эксперимента (поперечное нагружение модели поперечного перелома) высокие показатели жесткости не изменялись с увеличением длины рычага фиксации отломков.

Сравнивая исходную жесткость, можно отметить превышение показателей в пластинах с угловой стабильностью в среднем на 10-20% по отношению к таковым в пластинах LC-DСР.

5. Выводы:

Сравнительный биомеханический стендовый анализ использования двух методик накостного остеосинтеза с использованием пластин с угловой стабильностью (LСР) и динамически компрессирующих пластин (LC-DСР) показал лучшую эффективность использования первой из них. Учитывая данные биомеханического исследования, можно сделать вывод, что у пациентов с двухрычаговыми диафизарными переломами длинных костей накостный остеосинтез пластинами с угловой стабильностью позволяет получить хорошие результаты только в случае правильного подбора длины имплантата по отношению к длине сегмента и фиксацией его по 5-7 винтов в каждом отломке.

6. Литература:

1. Руководство по внутреннему остеосинтезу / М.Е. Мюллер, М. Альговер М, Р. Шнейдер, X. Виллингер: пер. с нем. - М. : Ad Marginem, 1996. - С. 144.

2. Лаврищева Г.И. Морфологические и клинические аспекты репаративного остеогенеза опорных органов и тканей / Оноприенко Г.А. - Медицина, 1996. —208 с.

3. Романенко К.К. Применение пластин с угловой стабильностью при повторных вмешательствах в лечении диафизарных и метадиафизарных деформаций различного генеза / С.А. Хмызов, Д.В. Прозоровский, Г.В. Кикош, Т.Г. Голка // Ортопедия, травматология и протезирование. - 2008. -№3.-С. 73-76.

4. Egol К. A., Kubiak E.N., Fulkerson Е. et al. Biomechanics of Locked Plates and Screws// J. Orthop. Trauma. - 2004. —№18. — P. 188-193.

5. Gautier E., Sommer Ch. Guidelines for the clinical application of the LCP// Injury. — 2003. — Vol. 34, Suppl.2

6. Stoffell K., Dieter U., Stachowiak G. et al. Biomechanical testing of the LCP — how can stability in locked internal fixators be controlled? // Injury. — 2003.—Vol. 34, Suppl. 2.

7. Wagner M. General principles for the clinical use of the LCP // Injury. — 2003. —Vol. 34, Suppl. 2.