BIOMECHANICZNA ANALIZA UKŁADU KOŚĆ

Artur KRUSZEWSKI, Szczepan PISZCZATOWSKI, Katedra Inżynierii Materiałowej
i Biomedycznej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Białostocka
BIOMECHANICZNA ANALIZA UKŁADU KOŚĆ - STABILIZATOR
PRZY LECZENIU ZŁAMAŃ DALSZEJ CZĘŚCI KOŚCI RAMIENNEJ
BIOMECHANICAL ANALYSIS OF THE BONE - STABILIZER
SYSTEM IN TREATMENT OF THE DISTAL HUMERUS FRACTURES
Słowa kluczowe: kość ramienna, złamanie, stabilizacja, sztywność, MES
1. WSTĘP
Złotym standardem w leczeniu wieloodłamowych złamań części dalszej kości ramiennej
jest otwarte nastawienie ze stabilizacją wewnętrzną za pomocą płytek blokowanych
i wkrętów [1]. Obecnie, w użyciu są dwa warianty stabilizacji tego typu złamań. W obu
przypadkach używa się dwóch płytek blokowanych, przy czym stosuje się ich ustawienie
„równoległe” (180°) bądź „prostopadłe” (90°). Wybór optymalnej metody stabilizacji
pozostaje dyskusyjny [2].
Celem pracy jest ocena sztywności układu kość–stabilizator dla równoległego
i prostopadłego ustawienia płytek blokowanych.
2. METODYKA BADAŃ
Badania przeprowadzono z użyciem metody elementów skończonych. Model
geometryczny dalszej części kości ramiennej ze złamaniem wieloodłamowym (rys.1)
opracowano na podstawie wyników badania tomograficznego, które przetworzono z użyciem
oprogramowania MIMICS (Materialise, Belgia). Modele geometryczne stabilizatorów
płytkowych, dla dwóch wariantów konfiguracji (prostopadłej i równoległej), zostały
wykonane na podstawie systemu VariAx (Stryker).
Rys. 1 Model układu kość-stabilizator. Schematycznie pokazano jeden z rozważanych kierunków reakcji
w stawie
XII Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej
s. 62
Model kości, na podstawie gęstości radiologicznej, podzielono na 4 strefy różniące się
właściwościami materiałowymi. Dla kości korowej przyjęto moduł sprężystości EK=15GPa.
Z uwagi na znaczną niejednorodność tkanki gąbczastej występującej w dalszej części kości
ramiennej, w modelu rozróżniono dwa jej typy, przyjmując odpowiednio EG1=1GPa
i EG1=1,5 GPa. W rejonie jamy szpikowej zastosowano materiał o bliskiej zeru wartości
modułu ES=0,001 GPa. W przypadku stabilizatora (płytki, wkręty) przyjęto właściwości
mechaniczne odpowiadające stopom tytanu (ET= 96 GPa).
W części dystalnej modelu kości ramiennej przyłożono obciążenie działające na
powierzchnię bloczka, odpowiadające reakcji w stawie podczas ruchu zginania-prostowania
(rys.1). Kierunek siły dla różnych kątów zgięcia w stawie łokciowym (od 0° do 145°)
określono na podstawie badań Kincaida i wsp. oraz przedstawiono w tab. 1 [3].
Sztywność układu oceniano odnosząc wartość przyłożonej siły do maksymalnych
przemieszczeń powstających w układzie pod zadanym obciążeniem.
3. WYNIKI
Tabela 1. Sztywność stabilizatora płytkowego w funkcji kąta zgięcia w stawie łokciowym. Wartość kąta
stawowego 0° odpowiada pełnemu wyprostowi. Ujemny kierunek reakcji oznacza siłę działającą od tyłu
ku przodowi.
Kąt stawowy
Kierunek reakcji w stawie
względem osi kości
ramiennej
Konfiguracja „180°”
[N/mm]
Konfiguracja „90°”
[N/mm]
0°
-20°
150
170
30°
10°
1626
1183
60-90°
43°
156
145
120°
68°
96
93
145°
95°
79
78
4. DYSKUSJA I WNIOSKI
Sztywność układu kość-stabilizator wyraźnie zmienia się wraz z kątem stawowym, co
wynika przede wszystkim ze zmieniającego się kierunku reakcji w stawie. Nie zauważono
natomiast istotnego wpływu konfiguracji stabilizatora na sztywność układu. Jedynie dla kąta
stawowego 30° widać wyraźną przewagę konfiguracji „równoległej” (180°) nad
„prostopadłą” (90°). W dalszym etapie badań planowana jest ocena pracy układu dla bardziej
złożonych wariantów obciążeń, związanych w szczególności z ruchami rotacyjnymi w stawie
łokciowym. Konieczną będzie też analiza wzajemnych przemieszczeń odłamów kostnych
przy różnych wariantach stabilizacji.
LITERATURA
[1] Garcia J.A. et al. (2002) Complex fractures of the distal humerus in elderly, J Bone
Joint Surg; 84-B:812-816.
[2] Zalavras C.G. i in. (2011) Biomechanical evaluation of parallel versus orthogonal
plate fixation of intra-articular distal humerus fractures, J Shoulder Elbow Surg;
20:12-20.
[3] Kincaid B. L. i in. (2013) Elbow joint biomechanics for preclinical evaluation of total
elbow prostheses, J Biomech; 46:2331-2341.