Факторы прочности лучевой кости после формирования краевого дефекта

Цель. Определить с использованием расчетных методов влияние биометрических параметров лучевой кости и сформированного краевого дефекта на ее прочностные свойства.

Материалы и методы. Факторы, влияющие на прочность кости, исследованы с применением экспериментальных и расчетных методов. На 10 парах трупных лучевых костей человека были изучены биометрические параметры в условиях целой кости и после формирования краевых вырезов прямоугольной и треугольной формы. Математические расчеты с целью определения напряженно-деформированного состояния (НДС) выполнялись на основе технической теории изгиба балок для изотропного материала. Численные исследования выполнены с помощью метода конечных элементов в программном комплексе NX Siemens. Расчетным путем на основе принятых математических моделей выявлены реальные области безопасных нагрузок при наличии выреза, величины разрушающих нагрузок в зависимости от глубины и формы выреза с учетом размеров начальной погиби (кривизны кости), а также критерии необходимой остаточной прочности при вариации влияющих параметров.

Результаты. Установлено, что увеличение кривизны кости приводит к уменьшению продольных разрушающих нагрузок и увеличению значений нормального напряжения. Кривизна кости 0,05 в сочетании с вырезом 0,5 приводят к снижению предельной нагрузки в 20 раз (для прямоугольного выреза до 4,8 % , а треугольного – 5,4 %). Наличие выреза глубиной 0,5 в кости, имеющей кривизну 0,05, повышает нормальное напряжение в 6,9 раза для треугольного выреза и в 7,8 раза для прямоугольного по сравнению с костью без погиби. Установлены критические значения кривизны и глубины выреза, при которых можно обходиться без дополнительного укрепления кости.

Заключение. Прочность лучевой кости с краевым дефектом зависит не только от глубины выреза, но и его расположения, формы, а также кривизны лучевой кости в двух плоскостях. 

1. Outcomes after free tissue transfer for composite oral cavity resections involving skin / S.A. Alvi, C.S. Hamill, J.P. Lepse, M. Ayala, D.A. Girod, T.T. Tsue, Y. Shnayder, K. Kakarala // Head Neck. 2018. Vol. 40, No 5. P. 973-984. DOI: 10.1002/hed.25062

2. Current role of the radial forearm free flap in mandibular reconstruction / M.R. Zenn, D.A. Hidalgo, P.G. Corderio, J.P. Shah, E.W. Strong, D.H. Kraus // Plast. Reconstr. Surg. 1997. Vol. 99, No 4. Р. 1012-1017. DOI: 10.1097/00006534-199704000-00014

3. Outcomes in head and neck reconstruction by surgical site and donor site / J.W. Frederick, L. Sweeny, W.R. Carroll, G.E. Peters, E.L. Rosenthal // Laryngoscope. 2013. Vol. 123, No 7. Р.1612-1617. DOI: 10.1002/lary.23775

4. Jones N.F., Jarrahy R., Kaufman M.R. Pedicled and free radial forearm flaps for reconstruction of the elbov, wrist, and hand // Plast. Reconstr. Surg. 2008. Vol. 121, No 3. P. 887-898. DOI: 10.1097/01.prs.0000299924.69019.57

5. The etiology and treatment of the softened phallus after the radial forearm osteocutaneous free flap phalloplasty / S.K. Kim, T.H. Kim, J.I. Yang, M.H. Kim, M.S. Kim, K.C. Lee // Arch. Plast. Surg. 2012. Vol. 39, No 4. P. 390-396. DOI: 10.5999/aps.2012.39.4.390

6. Safe osteocutaneous radial forearm flap harvest with prophylactic internal fixation / Y. Shnayder, T.T. Tsue, E.B. Toby, A.H. Werle, D.A. Girod // Craniomaxillofac. Тrauma Reconstr. 2011. Vol. 4, No 3. Р. 129-136. DOI: 10.1055/s-0031-1279675

7. Assessment of donor site morbidity for free radial forearm osteocutaneous flaps / C.F. Sinclair, J.P. Gleysteen, T.M. Zimmermann, M.K. Wax, B. Givi, D. Schneider, E.L. Rosenthal // Microsurgery. 2012. Vol. 32, No 4. Р. 255-260. DOI: 10.1002/micr.21950

8. Donor-Site Outcomes for the Osteocutaneous Radial Forearm Free Flap / E.S. Satteson, A.C. Satteson, J.D. Waltonen, Z. Li, E.R. Wiesler, P.J. Apel, B.R. Graves // J. Recоnstr. Microsurg. 2017. Vol. 33, No 8. Р. 544-548. DOI: 10.1055/s-0037-1602740

9. Osteocutaneousradial forearm free flap: its use withoutsignificant donorsite morbidity /A.H. Werle, T.T. Tsue, E.B. Toby, D.A. Girod // Otolaryngol. Head Neck Surg. 2000. Vol. 123, No 6. Р. 711-717. DOI: 10.1067/mhn.2000.110865

10. Donor site morbidity of the fasciocutaneous radial forearm flap: what does the patient really bother? / C.A. de Witt, R. de Bree, I.M. Verdonck-de Leeuw, J.J. Quak, C.R. Leemans // Eur. Arch. Otorhinolaryngol. 2007. Vol. 264, No 8. P. 929-934. DOI: 10.1007/s00405-007-0277-1

11. Липатов К.В., Гаврюшенко Н.С., Стан Е.А. Обоснование выбора типа хирургической трепанации длинной кости при лечении больных хроническим остеомиелитом (экспериментальное исследование) // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2008. № 3. С. 62-66.

12. Reconstruction of midface defects with the osteocutaneous radial forearm flap: Evaluation of long term outcomes including patient reported quality of life / T.M. Connolly, L. Sweeny, B. Greene,A. Morlandt, W.R. Carroll, E.L. Rosenthal // Microsurgery. 2017. Vol. 37, No 7. P. 752-762. DOI: 10.1002/micr.30201

13. Osteocutaneous radial forearm free flap: long-term radiographic evaluation of donor site morbidity after prophylactic plating of radius / C.A. Waits, E.B. Toby, D.A. Girod, T.T. Tsue // J. Reconsr. Microsurg. 2007. Vol. 23, No 7. Р. 367-372. DOI: 10.1055/s-2007-992342

14. Reducing morbidity in the radial forearm flap donor site / A.F. Bardsley, D.S. Soutar, D. Elliot, A.G. Batchelor // Plast. Reconstr. Surg. 1990. Vol. 86, No 2. P. 287-294.

15. Oromandibular reconstruction with the radial-forearm osteocutaneous flap: experience with 60 consecutive cases / A. Thoma, R. Kharado, O. Grigenas, S. Archibald, S. Jackson, J.E. Young, K. Veltri // Plast. Reconstr. Surg. 1999. Vol. 104, No 2. Р. 368-380. DOI: 10.1097/00006534-199908000-00007

16. Osteocutaneous radial forearm free flaps. The necessity of internal fixation of the donor-site defect to prevent pathological fracture / K.W. Bowers, J.L. Edmonds, D.A. Girod, G. Jayaraman, C.P. Chua, E.B. Toby // J. Bone Joint Surg. Am. 2000. Vol. 82, No 5. P. 694-704.

17. Fracture of the radial donor site after composite free flap harvest: a ten-year review / S. Clark, M. Greenwood, R.J. Banks, R. Parker // Surgeon. 2004. Vol. 2, No 5. Р. 281-286. DOI: 10.1016/s1479-666x(04)80098-2

18. The radial forearm flap: a biomechanical study of donor- site morbidity utilizing sheep tibia / N.B. Meland, S. Maki, E.Y. Chao, B. Rademaker // Plast. Reconstr. Surg. 1992. Vol. 90, No 5. Р. 763-773.

19. Radial forearm flap donor-site complications and morbidity: a prospective study / D. Richardson, S.E. Fisher, E.D. Vaughan, J.S. Brown // Plast. Reconstr. Surg. 1997. Vol. 99, No 1. Р. 109-115. DOI: 10.1097/00006534-199701000-00017

20. Prospective biomechanical evaluation of donorsite morbidity after radial forearm free flap / B. Riecke, C. Kohlmeier,A.T.Assaf,J.Wikner,A. Drabik, P. Catalá-Lehnen, M. Heiland, C. Rendenbach // Br. J. Oral Maxillofac. Surg. 2016. Vol. 54, No 2. Р. 181-186. DOI: 10.1016/j.bjoms.2015.11.021

21. Immediate bone grafting and plating of the radial osteocutaneous free flap donor site / P.J. Torina, E. Matros, E.A. Athanasian, P.G. Cordeiro // Ann. Plast. Surg. 2014. Vol. 73, No 3. Р. 315-320. DOI: 10.1097/SAP.0b013e31827a2fe4

22. Изучение прочностных характеристик дистального метаэпифиза лучевой кости и систем «кость-фиксатор» / В.Н. Ребров, Н.С. Гаврюшенко, М.А. Малыгина, С.Ю. Плотников // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2008. № 2. С. 57-60.

23. Swanson E., Boyd J.B., Manktelow R.T. The radial forearm flap: reconstructive applications and donor-site defects in 35 consecutive patients // Plast. Reconstr. Surg. 1990. Vol. 85, No 2. Р. 258-266.

24. Reduction of donor site morbidity of free radial forearm flaps: what level of evidence is available? / D.J. Loeffelbein, S. Al-Benna, L. Steinsträβer, R.M. Satanovskij, N.H. Rohleder, T. Mücke, K.D. Wolff, M.R. Kesting // Eplasty. 2012. Vol. 12. P. e9.

25. Computed- tomography-based finite-element models of long bones can accurately capture strаin response to bending and torsion / B. Varghese, D. Short, R. Penmetsa, T. Goswami, T. Hangartner // J. Biomech. 2011. Vol. 44, No 7. Р. 1374-1379. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2010.12.028

26. Определение напряжений и расчеты на прочность стержневых систем : учеб. пособие / Н.А. Ильичев, В.В. Колябин, В.Ф. Кулепов, Н.Н. Михеев, В.К. Наумов ; под ред. Ю.В. Глявина. Н. Новгород : Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева, 2009. 130 с.

27. A finite element analysis of bone plates available for prophylactic internal fixation of the radial osteocutaneous donor site using the sheep tibia model / C.M. Avery, P. Bujtár, J. Simonovics, T. Dézsi, K. Váradi, G.K. Sándor, J. Pan // Med. Eng. Phys. 2013. Vol. 35, No 10. P. 1421-1430. DOI: 10.1016/j.medengphy.2013.03.014

28. Accuracy of specimen-specific nonlinear finite element analysis for evaluation of radial diaphysis strength in cadaver material / Y. Matsuura, K. Kuniyoshi, T. Suzuki, Y. Ogava, K. Sukegava, T. Rokkaku, A.R. Thoreson, K.N. An, K. Takahashi // Comput. Methods Biomech. Biomed. Engin. 2015. Vol. 18, No 16. Р. 1811-1817. DOI: 10.1080/10255842.2014.974579

29. Karamanoukian R., Gupta R., Evans G.R. A novel technique for the prophilactic plating of the osteocutaneos radial forearm flap donor site // Ann. Plast. Surg. 2006. Vol. 56, No 2. Р. 200-204. DOI: 10.1097/01.sap.0000186859.91656.ca

30. Изучение прочностных свойств донорской лучевой кости расчетно-экспериментальным методом / Н.М. Александров, В.Д Вешуткин., А.Е. Жуков, Е.В. Башкалина, О.И. Углев, Г.А. Волков // Российский журнал биомеханики. 2017. Т. 21, № 2. С. 147-165.

31. The load-bearing characteristics of the forearm: pattern of axial and bending force transmitted through ulna and radius / H. Shaaban, G. Giakas, M. Bolton, R. Williams, P. Wicks, L.R. Scheker, V.C. Lees // J. Hand Surg. Br. 2006. Vol. 31, No 3. Р. 274-279. DOI: 10.1016/j.jhsb.2005.12.009

32. Зациорский В.М., Аруин А.С., Селуянов В.Н. Биомеханика двигательного аппарата человека. М. : Физкультура и спорт, 1981. 143 с.

33. Сравнение стабильности различных способов остеосинтеза при переломах головчатого возвышения плечевой кости методом математического моделирования / С.Б. Королев, О.Б. Носов, А.А. Кленин, В.Д. Вешуткин // Фундаментальные исследования. 2013. № 9-3. С. 375-379.

34. Harberkorn-Butendeich E. Die Kraft des Musculus triceps brachii: diss. Saarbrucken. 1973. P.120.

35. Метод конечных элементов в расчетах стержневых систем : учеб. пособие / И.Ф. Дьяков, С.А. Чернов, А.Н. Черный. Ульяновск : УлГТУ, 2010. 133 с.

36. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / пер. с англ. под ред. Б.Е. Победря. М. : Мир, 1975. 542 с.

37. Бруяка В.А., Фокин В.Г., Кураева Я.В. Инженерный анализ в ANSYS Workbench. Учеб. пособие: в 2 ч. Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2010-2013.

38. Swanson E., Boyd J.B., Mulholland R.S. The radial forearm flap: а biomechanical study of the osteotomized radius // Plast. Reconstr. Surg. 1990. Vol. 85, No 2. Р. 267-272.

39. The distal radioulnar joint as s load-bearning mechanism – a biomechanical study / H. Shaaban, G. Giakas, M. Bolton, R. Williams, L.R. Scheker, V.C. Lees // J. Hand Surg. Am. 2004. Vol. 29, No 1. Р. 85-95. DOI: 10.1016/j.jhsa.2003.10.020