Журнал «Травма» Том 11, №4, 2010

Для теоретического обоснования технических конструкций при остеосинтезе костей, используются математический расчёт и прочностные характеристики костной ткани. Исследования с позиций биомеханики по анализу системы ²аппарат– кость², проведенные до настоящего времени, не могут считаться исчерпывающими. Одним из главных критериев сравнительной оценки жёсткости фиксации отломков должно быть биомеханическое обоснование преимуществ предлагаемых методов остеосинтеза. Аппараты для лечения переломов пяточной кости, сохраняющие функцию голеностопного и подтаранного суставов, известны, однако количество и расположение спиц, проведенных через кости стопы, выбраны эмпирически без математического расчёта и биомеханического обоснования.

Следовательно, до тех пор пока прочность костной ткани недостаточна для восприятия минимальной динамической нагрузки, возникающей в местах контакта с металлом, нет научного основания говорить о надёжности и прочности фиксации фрагментов [1]. Особенно это касается многосуставных анатомических образований, к которым относится стопа. При остеосинтезе переломов костей стопы следует учитывать, через какую (трубчатую или губчатую) кость проведен фиксатор.

Исходя из этого, зоной контакта аппарата с конечностью можно считать контакт фиксатора с костью. В расчётную формулу несущей способности зоны ²спица– кость², предложенную А.А. Утенькиным [2], входят геометрические параметры кости и предел прочности костной ткани. Сопротивление биологических тканей стопы различным механическим воздействиям остаётся неизученным.

Материал и методы

За период с 1994 по 2002 годы на лечении в клиниках НИИ травматологии и ортопедии ДОННМУ им. М. Горького находилось 177 больных с переломами пяточной кости в возрасте от 15 до 74 лет, что составило 1% от всех переломов костей. Внутрисуставные переломы пяточной кости составили 89,3% и наблюдались почти в 6 раз чаще у мужчин (84,18%) среднего возраста. Травмы в 91,14% возникали при падении с высоты на твёрдый грунт в быту (65,19%). Тяжесть травмы зависела от высоты падения и поверхности, на которую падал пострадавший, что определяло сочетание с другими повреждениями опорно–двигательного аппарата. В 13,92% случаев внутрисуставные переломы пяточной кости были двусторонними, в 25,32% сочетались с повреждениями других сегментов скелета и стопы. Пострадавшие преимущественно (56,34%) обращались за медицинской помощью в течение первых суток после травмы. Госпитализированы в травматологические отделения 64,56% больных, остальные лечились амбулаторно – 35,44%. Основным методом лечения всех переломов пяточной кости был консервативный – 75,31%.

Результаты и обсуждения

К сожалению, получить достоверные данные о прочностных характеристиках костей стопы практически невозможно, так как, во–первых, они определяются остеометрией и экспериментальным путём после математической обработки результатов многочисленных испытаний прочности костной ткани (компактной и спонгиозной) при различных видах деформации, учитывая возраст и пол человека.

Во–вторых, анизотропность усложняет проблему исследования прочности костной ткани. Основу скелета стопы составляют трубчатые и губчатые кости. Преобладают по объёму губчатые кости, покрытые на периферии тонким кортикальным слоем, толщина которого далеко не одинакова в различных отделах. В губчатом веществе различают систему костных трабекул, имеющих различное направление [3]. Следовательно, каждая кость стопы в различных участках будет иметь различные механические (прочностные) свойства. В – третьих, ограничивают возмож-ность проведения эксперимента по определению прочности костной ткани на разрыв очень малые размеры костей стопы и их геометрически сложная форма. Для математического расчёта требуются образцы, длина которых в несколько раз больше поперечных размеров, а последние должны иметь правильную геометрическую форму (окружность, кольцевое сечение, квадрат, прямоугольник). Из этого следует, что для испытания в определенном месте каждой исследуемой кости по направлению или перпендикулярно трабекулам необходимо выпиливать правильной формы образцы [4,1]. Следовательно, образец будет очень малых размеров, что не позволит осуществить захват его в испытательную машину. Кроме того, если для захвата образца предусмотреть различные выступы, то в месте захвата возникнет концентрация напряжений и результаты эксперимента окажутся слишком искажёнными.

По данным А.А. Коржа и соавт. (1984) и В.Г. Рынденко и соавт. (1986) проведенная экспертная оценка различ-ных аппаратов по основным клиническим и техническим параметрам установила, что наибольшей жёсткостью фиксации обладает аппарат Илизарова [6].

Ввиду того, что мы не имели возможности измерить моменты сил, необходимых для репозиции и фиксации отломков, как in vivo, так и in vitro, наши исследования проводились по принципу поиска условий остеосинтеза, обеспечивающих неподвижность отломков между повреждённой пяточной костью и примыкающими к ней другими костями стопы, с целью определить стабильность фиксации, которая обеспечит репозицию отломков пяточной кости.

Решение поставленной задачи выполнялось при помощи использования механики стержневых систем, где о степени подвижности системы жёстких элементов (дисков) судят на основании кинематического анализа. Для этого определяют количество степеней свободы. Степень свободы (С) – это геометрический параметр, опреде-ляющий положение диска (Д) в плоскости (пространстве). В кинематическом анализе костей стопы можно ограничиться анализом системы взаимосвязанных элементов как в вертикальной (перпендикулярно стопе), так и в горизонтальной (вдоль стопы) плоскости отдельно.

Итак, рассмотрим взаимосвязь элементов стопы в горизонтальной плоскости. Свободный диск (жёсткий элемент) в плоскости имеет три степени свободы – это три геометрических параметра, необходимых для определения положения диска в плоскости – две линейные координаты Х и Y, и угол наклона диска j (рис.1).

Свободный диск (Д) имеет три степени свободы (С), а для системы дисков количество степеней свободы будет равно:

С = 3Д (1)

Теперь рассмотрим два диска, у которых количество степеней свободы равно шести, и соединим их между собой простым шарниром (Ш) (рис.2).

В данном случае два диска, соединённые шарниром, имеют четыре степени свободы (вместо шести), т.е. соединение дисков простым шарниром устраняет две степени свободы (накладывают две связи) и вместо формулы (1) получим:

С = 3Д 2Ш (2).

Теперь рассмотрим присоединение диска к неподвижному основанию одной кинематической связью (рис.3).

Если диск, имеющий три степени свободы, присоединить к неподвижному основанию одной кинематической связью (Со), то количество степеней свободы будет равно двум (смещение по горизонтали и угол поворота). Следовательно, одна кинематическая связь, присоединяющая диск к неподвижному основанию, устраняет одну степень свободы, а две кинематические связи устраняют две степени свободы (рисунок 4). Таким образом, вместо формулы (2) получаем известную формулу кинематического анализа стержневой системы [7], которую мы использовали применительно к устройству (Декларационный патент Украины № 29275 А) для определения стабильности фиксации спицами костей стопы:

С = 3Д 2Ш Со (3)

где: Д – количество костей стопы (дисков), Ш – количество суставов и линия перелома (шарниры), Со – количество спиц (кинематических связей), С – количество степеней свободы.

Если С=0, то количество спиц (опорных связей) достаточно для стабильной фиксации костей стопы. Если С>0, то количество спиц недостаточно – это ²механизм², обладающий подвижностью. Если С<0, то количество спиц превышает необходимое, т.е. стабилизация обеспечена с запасом.

Далее, если количество шарниров представить как Ш = Д – 1, то формулу (3) можно упростить:

С = Д – Со + 2 (4).

Представленная формула позволила проанализировать стабилизирующие возможности разработанного устройства по трём способам фиксации костей стопы. Расчёт производили, исходя из того, что кости стопы, сочленяясь между собой, образуют пять продольных сводов. Выпуклые кверху дуги (своды) начинаются в одной точке – это бугор пяточной кости. Отсюда линии (дуги) сводов направляются вперед и проходят вдоль плюсневых костей.

Рассмотрим, согласно этим линиям сводов, способ стабилизации стопы спицами по И.В. Фишкину [8] – перекрёстно через пяточный бугор, клиновидные кости и одну через передний отдел пяточной кости (рис. 5).

Вдоль линий а–в, с–в и d–в размещается 5 дисков и 5 кинематических связей, из которых четыре опорные связи на неподвижном основании, препятствующие перемещению по вертикали, и одна связь, препятствующая перемещению по горизонтали. Подставив числовые значения в формулу (4), получим: С = 5 – 5 + 2 = 2

Это значит, что есть две степени свободы, т.е. для стабильности не достаёт двух кинематических связей. Хотя это обусловлено возможностью поворота диска 1, фиксация которого при стабилизации пяточного элемента не обязательна.

По линиям e–в и f–в находится 5 дисков и 4 кинематические связи: С = 5 – 4 + 2 = 3.

Из этого следует, что стабилизация костей стопы по И.В. Фишкину недостаточна и соединение ²спица–кость² превращается в ²механизм², так как имеется дефицит опорных связей.

Рассмотрим способ стабилизации стопы спицами по В. Голяховскому – В. Френкелю [9] – встречно с упорной площадкой одну через плюсневые кости, другую – через кубовидную и клиновидные, а также перекрёстно через пяточный бугор (рис. 6).

Вдоль всех линий (а–в, с–в, d–в, e–в и f– в) находится 5 дисков и 5 опорных связей: С = 5 – 5 + 2 = 2

Из этого следует, что стабилизация стопы по В. Голяховскому–В. Френкелю также недостаточна и соединение ²спица– кость² превращается в ²механизм², так как имеется дефицит опорных связей. В дополнение, обратим внимание, что проведение спиц через все плюсневые кости не физиологично, так как приводит к уплощению поперечного свода стопы.

Теперь рассмотрим, предложенный нами, способ стабилизации стопы спицами – через передний отдел пяточной кости, кубовидную кость, две перекрещивающиеся через I, IU, U плюсневые и три через пяточный бугор (рис. 7).

На линии а–в находится 5 дисков и 6 опорных связей: С = 5 – 6 + 2 = 1

Для стабильной фиксации костей стопы не достаёт одной опорной связи.

На линиях с–в и d–в находится 5 дисков и 4 опорные связи: С = 5 – 4 + 2 = 3

Имеющийся дефицит опорных связей в переднем отделе стопы, однако, не нарушает физиологию поперечного свода.

На линиях e–в и f–в находится 5 дисков и 8 опорных связей: С = 5 – 8 + 2 = – 1

Опорные связи превышают необходимое количество. Если учесть, что линии e–в и f–в относятся к наружной части продольного свода, выполняющего опорную функцию стопы, и на протяжении имеют непосредственную связь с пяточной костью, то запас опорных связей обеспечит не только возможность управлять отломками, но и осуществлять дозированную осевую нагрузку. Из этого следует, что в сравнении с разобранными выше методами стабилизации стопы, предложенная нами методика наиболее физиологична и рациональна, так как надёжность фиксации выше.

Выводы

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования позволили нам сделать следующие выводы:

1. Разработанная нами конструкция аппарата внешней фиксации может использоваться в собранном виде у взрослых больных при различных размерах стопы.
2. Аппарат обеспечивает минимальное травмирование тканей; возможность репозиции отломков пяточной кости, а стабильность их фиксации позволяет сохранить функцию голеностопного и подтаранного суставов.
3. Биомеханический анализ и математический расчёт показали, что для стабилизации костей стопы целесообразно проведение спиц через I, IU и U плюсневые, кубовидную и передний отдел пяточной костей, а в заднем отделе дополнять перекрёстное проведение спиц ²сторонней² спицей.
4. Использование комбинации спиц и стержня повышает репозиционные возможности аппарата при устранении смещения отломков в сагиттальной плоскости, не снижая механической прочности фиксации повреждённой пяточной кости.