Лихачова Ольга Вячеславівна Придніпровська державна академія будівництва та архітектури о величине сжимающей силы при лечении перелома шейки бедренной кости
|
|
Скачать 112.63 Kb.
|
|
Лихачова Ольга Вячеславівна Придніпровська державна академія будівництва та архітектури О ВЕЛИЧИНЕ СЖИМАЮЩЕЙ СИЛЫ ПРИ ЛЕЧЕНИИ ПЕРЕЛОМА ШЕЙКИ БЕДРЕННОЙ КОСТИ Механика (биомеханика) 1. Введение Нарушения целостности костей называют переломами. Среди них чаще всего встречаются переломы костей конечностей с образованием двух (единичные переломы) или нескольких (множественные переломы) отломков. Лечение сводится к сращиванию костных отломков за счет их точного сопоставления, плотного контакта, а также полной и длительной неподвижности соединения. С этой позиции наиболее "неудобным" переломом является перелом шейки бедренной кости.
Рис.1. Распил конца бедренной кости (а) и компрессионное устройство, предложенное профессором, доктором медицинских наук Лоскутовым А.Е. и врачом Сабсаем А.В. (б) Операция соединения отломков кости (остеосинтез) предполагает применение специальных фиксирующих средств – компрессионных устройств (рис. 1), которые развивают сжимающие силы между отломками. Возникает вопрос о величине этих сил, поскольку именно от величины компрессии будут зависеть особенности конструкции и размеры компрессионного устройства. Увеличение сжимающих сил приведет к увеличению фиксирующих элементов устройства и, как следствие, - к большей травматизации кости. В этой связи представляется целесообразным определение величины сжимающей силы как минимальной достаточной для обеспечения сращивания отломков. Из вышеизложенного вытекает цель настоящей работы, которая заключается в теоретическом обосновании величины минимально допустимого сжимающеего усилия (Fmin), обеспечивающего неподвижность отломков при остеосинтезе шейки бедренной кости. ^ В работе был рассмотрен наиболее распространенный перелом шейки бедренной кости, близкий к плоскому. Плоскость перелома принималась перпендикулярнjq к прямой проекции. Фиксирующее устройство имеет форму стержня, ось которого совпадает с осью шейки бедренной (рис.2, а). При этом равнодействующая сил компрессии была направлена вдоль оси устройства. Поскольку послеоперационная реабилитация пациента предполагает ограничение двигательной активности, исследования проводились методами кинематики и статики классической механики.
^ Представим произвольные смещения, возможные при различных силовых воздействиях при отсутствии фиксирующего устройства, в виде суммы линейных взаимных смещений вдоль трех взаимно перпендикулярных координатных осей u, v, w и трех угловых смещений относительно этих осей. Начало координат С помещаем в точке пересечения оси шейки бедренной кости с плоскостью перелома. Две оси расположим в плоскости перелома: ось u – в вертикальной плоскости (вдоль линии пересечения плоскости перелома с вертикальной плоскостью, включающей ось шейки), ось v – в горизонтальной плоскости (рис.2, б). Третью ось – w расположим перпендикулярно плоскости перелома (рис.2, в). Линейные взаимные смещения вдоль осей u и v представляют собой сдвиги отломков относительно друг друга в плоскости перелома без их разобщения и могут происходить от действия составляющих сил, параллельных плоскости перелома (рис.3, а, б). Линейное смещение вдоль оси w проявляется либо в виде сдавливания отломков, либо в виде их разобщения, при котором плоскости перелома отломков остаются параллельными друг другу (рис.3, в). Эти смещения вызваны силами, перпендикулярными плоскости перелома.  Рис.3. Схемы составляющих полного смещения отломков Угловое смещение относительно оси w, также как и линейные смещения вдоль осей u и v, происходит в плоскости перелома без разобщения отломков и представляет собой взаимный поворот плоскостей перелома (рис.3, г) вследствие действия на шейку скручивающих моментов, обусловленных составляющими сил в плоскостях, параллельных плоскости перелома. Угловые смещения отломков относительно осей u и v есть поворот плоскостей перелома относительно друг друга в горизонтальной (рис.3, д) и вертикальной плоскостях (рис.3, е, ж), соответственно. Следует отметить, что рассматриваемые два взаимных поворота отломков не являются "чисто" угловыми смещениями, а содержат, кроме того, составляющую линейного смещения в направлении, перпендикулярном плоскости перелома (вдоль оси w). Как видно из кинематических схем, приведенных на рис.3, е, ж, при рассматриваемых смещениях на малом участке плоскостей перелома сохраняется контакт отломков. На остальной, основной части поверхностей перелома, происходит разобщение отломков, величина которого будет увеличиваться пропорционально расстоянию от участка контакта отломков. Заметим, что в плоскости, перпендикулярной плоскости перелома, участок контакта можно рассматривать как точку, относительно которой происходит поворот сечений отломков (точки В, Н на рис.3, е, ж). ^ Рассмотрим механизм влияния сжимающих сил компрессионного устройства на описанные выше составляющие произвольного смещения отломков. При достаточной величине сжимающая сила устраняет возможные смещения, перпендикулярные плоскости перелома, т.е. устраняет разобщение отломков, их отрыв друг от друга. Плотный контакт отломков обеспечивает достаточно большую силу трения между поверхностями излома. Поскольку сила трения пропорциональна сжимающей силе и величине коэффициента трения, большая сила трения достигается из-за исключительно большой величины коэффициента трения (в особенности для трения покоя), обусловленной шероховатостью и неровностью поверхностей излома. Силы трения противодействуют смещениям отломков в плоскости, как при сдвиге (кинематические схемы на рис.3, а, б), так и при скручивании (рис.3, г). Кроме сил трения сдвигу и скручиванию противодействует жесткость стержня и жесткость тканей, в которых он фиксируется. Сдвигающие силы и скручивающие моменты являются весьма незначительными. Сдвигающая сила в статике не может быть больше веса травмированной конечности, которая составляет 18% от веса тела человека. Тем не менее, даже при незначительном разобщении отломков (из-за малой сжимающей силы) резкое снижение силы трения, при недостаточной жесткости стержня либо жесткости его фиксации, может привести к сдвигу отломков. Из приведенных выше соображений следует, что пусковым механизмом смещения отломков относительно друг друга при нарушении их фиксации является их разобщение, связанное со смещениями, перпендикулярными плоскости перелома (рис.3, в, д, е, ж). Поэтому величину минимально допустимого усилия компрессии Fmin будем определять как максимальную силу F, при которой оказывается возможным разобщение отломков. ^ Рассмотрим возможные положения костей и выделим особенности, которые определят выбор расчетной схемы. В послеоперационный период движения пациента будут связаны с перемещением на костылях, когда отсутствует опирание на травмированную конечность. При этом сила, разобщающая костные отломки, обусловлена весом травмированной конечности. Силовой плоскостью избираем фронтальную плоскость кости (рис.4). Здесь: F – сжимающая сила, развиваемая устройством и направленная вдоль оси шейки; Qк – равнодействующая веса конечности, направлена вдоль вертикали, проходящей через центр головки бедренной кости. Отбрасываем меньший отломок и вводим соответствующие составляющие усилия в области контакта: горизонтальная – Нв и вертикальная – Rв (точку контакта В рассматриваем как цилиндрический шарнир).
Приведем равнодействующую веса конечности (Qк) к началу координат С: получим силу Qк и момент М(Qк) (см. рис.4) М(Qк) = Qк l. (1) Определим максимальную величину силы компрессии F, при которой возможно разобщение отломков по схеме рис.3, е. С этой целью рассмотрим равновесие конечности под действием приложенных к ней сил, полагая, что величина зазора между плоскостями перелома мала и не приводит к изменению геометрии и силовой схемы (рис.4). Для плоской системы сил общего вида имеем три независимых уравнения статики: сумма проекций всех сил на горизонтальную (х) и вертикальную (у) оси  ; (2) ; (3)сумма моментов всех сил относительно произвольной точки В:  . (4)Здесь: h и r – плечи сил Нв и Rв, соответственно расстояния от точки С до линии действия сил Нв и Rв; α – угол наклона оси шейки к горизонтали (рис.4). С учетом (1), уравнение (4) можно записать в виде:  .В этом уравнении момент от веса конечности Qк способствует разобщению отломков, а момент от компрессии ^ будет больше значения момента от Qк, произойдет объединение отломков, т.е. условие объединения запишется в виде:  ,откуда  . (5)Поскольку даже незначительное превышение (на сотые доли) величины силы, полученной по формуле (5), приведет к объединению отломков, эту силу и следует принять в качестве минимально допустимого усилия компрессии – Fmin , создаваемой устройством. Уравнения равновесия (2) и (3) позволяют определить равнодействующую усилий контакта костей Fв. Опуская детали, запишем:  , (6)где  ,  . (7)Вектор Fв наклонен к горизонтали под углом δ, величина которого определяется по формуле  . (8)Используя приведенные выше формулы, можно оценить максимальные напряжения, возникающие в кости при сжимающей силе F = Fmin. Указанная величина сжимающей силы будет несколько завышена. Такой ее запас прочности обеспечен пренебрежением жесткостью стержня устройства и равнодействующими усилий натяжения связок, мышц и окружающих мягких тканей. ^ Расчеты на основе приведенных выше формул проводились для трех типов переломов шейки, характеризуются тремя углами наклона плоскости перелома к горизонтали (на рис.4 – угол β), значения которых составляют β = 30°, 50° и 70°. Полагалось, что во всех случаях плоскости переломов пересекали ось шейки бедренной кости посередине. При определении угловых и линейных размеров, которые были необходимы для вычисления составляющих сил и моментов, использовались осредненные данные литературы, а также данные, полученные на основе анализа более 100 рентгеновских снимков бедренной кости в прямой проекции. На основе этих данных были приняты: угол между осью шейки и осью конечности – 128°; осредненная величина угла наклона оси бедренной кости к вертикали – 7°; угол наклона оси шейки к горизонтали – =128°–90°+7°=45°; вес тела человека – 800 Н (80 кг); вес нижней конечности Qк = 144 Н (18% от веса тела). ^ Результаты вычисления усилия Fmin, а также исходные данные для рассматриваемого расчетного случая приведены в таблице.
Детальный численный анализ формулы (5) при соответствующих исходных данных показал, что, как уменьшение угла наклона плоскости перелома β, так и его смещения не приводят к заметному увеличению полученного максимального значения силы компрессии Fmin. В этой связи для рассматриваемого расчетного случая (стояние пациента с опорой на костыли и здоровую конечность при отсутствии опоры на травмированную конечность) можно принять Fmin = 300 Н. Полученное значение Fmin соответствует именно стоянию пациента, т.е. случаю статического нагружения кости. В случае же движения пациента (ходьбы с опорой на костыли и здоровую конечность при отсутствии опоры на травмированную конечность), наряду с весом конечности Qк, необходимо также учитывать инерционную нагрузку, обусловленную ускорениями, возникающими при переносе травмированной конечности в процессе ходьбы. Поскольку сила инерции направлена противоположно направлению ускорения, наиболее опасным моментом при ходьбе является начальное и конечное положение конечностей при передвижении на костылях. Особенно опасным является перемещение пациента без костылей прыжками на здоровой конечности. В этой связи пациенту необходимо ограничить соответствующую двигательную активность, что позволяет свести динамическую составляющую нагрузки к нулю. Отсюда следует, что увеличивать значение Fmin, полученное в статическом расчете, не нужно. На это указывает также определенный запас надежности величины Fmin, обусловленный стабилизирующим действием усилий от связок, мышц, мягких тканей и реальной жесткости корпуса устройства, которые не учитывались в статическом расчете. Однако, поскольку статический расчет проводился для средних показателей геометрии участка кости и веса тела, при разработке новых конструкций устройств следует ориентироваться на силу компрессии, составляющую Fmin= 300-400 Н. 4. Выводы. 1. Выполнен кинематический анализ возможных смещений отломков при переломах шейки бедренной кости, которые близки к плоским и перпендикулярны к фронтальной плоскости. 2. На основе анализа равновесия объедененных отломков установлено, что минимально допустимую сжимающую силу Fmin, обеспечивающую их неподвижность при остеосинтезе стержнем, следует определять как величину, при которой оказывается возможным разобщение отломков. Такая ситуация связана с вертикальным положением пациента: случай стояния с опорой на костыли и здоровую конечность при отсутствии опоры на травмированную конечность. 3. При разработке компрессионных устройств рекомендуется ориентироваться на сжимающую силу, составляющую 300-400 Н, что соответствует основному расчетному случаю. При этом необходимо полностью исключить все элементы повышенной двигательной активности пациента, которые могут привести к нарушению неподвижности отломков (быструю ходьбу на костылях, прыжки на здоровой конечности, как сидение, так и стояние с опорой на травмированную конечность). Литература [1]. Образцов И.Ф., Адамович И.С., Барер А.С. Проблемы прочности в биомеханике: Учеб. пособие для технич. и биол. спец. вузов. – М.: Высшая школа, 1988. – 311 с. [2]. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики: Учеб. пособие для технич. спец. вузов. – М.: Высшая школа, 1995. – 416 с. [3]. Попов М.В. Теоретическая механика: краткий курс. – М.: Наука, 1986. – 336 с. [4]. Феодосьев В.И. Десять лекций-бесед по сопротивлению материалов. – М.: Наука, 1969. – 176 с. [5]. Девятов А.А. Чрескостный остеосинтез. – Кишинев: Штиица, 1990. – 315 с. [6]. Каплан А.В. Повреждения костей и суставов. – М.: Медицина, 1979. – 568 с. [7]. Ролик А.В., Михайлов С.Р., Мителева З.М. Обоснование устойчивой первичной стабилизации отломков при лечении внутрисуставных переломов шейки бедренной кости //Ортопедия, травматология и протезирование. – 1997. – №1. – С.69-71. [8]. Ткаченко С.С., Ерохов А.Н., Мельников Б.В. Теоретическое и клиническое обоснование методики остеосинтеза винтами косых и винтообразных переломов больше берцовой кости //Ортопедия, травматология и протезирование. – 1990. – №7. – С.5-9. |
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям