Изучение напряженно-деформированного состояния диафиза лучевой кости с краевым вырезом и компенсирующими элементами методом компьютерного моделирования

Введение. Частота развития патологического перелома лучевой кости в области краевого дефекта, образовавшегося после забора трансплантата, достигает 31 %. Конечно-элементная имитационная компьютерная модель позволяет неинвазивно определить и прогнозировать напряженно-деформированное состояние (НДС) кости, ее прочность и подверженность перелому при различных нагрузках и способах укрепления.
Цель работы — представить результаты конечно-элементного анализа влияния краевого выреза различной формы, кривизны кости и способов увеличения ее прочности на НДС диафиза лучевой кости.
Материалы и методы. На основе анатомических препаратов лучевой кости человека выполнено твердотельное линейно-упругое моделирование цельнокортикального диафиза лучевой кости, а также диафиза с краевыми вырезами прямоугольной и треугольной формы, кривизной в двух плоскостях, с укрепляющими пластинами различных видов и способов фиксации в условиях неразрушающих нагрузок на растяжение, сжатие, кручение и изгиб. Определены параметры продольной устойчивости кости. В работе использовали программные комплексы ANSYS и NX Siemens.
Результаты. Треугольный вырез по сравнению с прямоугольным вырезом снижает уровень напряжений в кости на 21,4 % при растяжении и на 51,5 % при кручении, повышает запас прочности по продольной устойчивости в 1,18 раз. Кривизна кости в двух плоскостях вызывает увеличение напряжения и уменьшение несущей нагрузки при растяжении в 2,89 раза. Полутрубчатая пластина толщиной 2 мм в отличии от плоской узкой пластины аналогичной толщины и шириной 10 мм снижает уровень максимальных напряжений в модели кости в 1,2–1,5 раза при растяжении, в 3,5–3,9 раза при кручении для различных вырезов. Полутрубчатая пластина увеличивает критические напряжения при определении продольной устойчивости в 1,3–1,5 раза для различных вариантов остеотомии.
Обсуждение. При всех нагрузках условия прочности модели кости с вырезом выполняются при фиксации пластиной толщиной не менее 2 мм на четырех бикортикальных винтах диаметром 2,0 мм, проведенных по два дистальнее и проксимальнее выреза.
Заключение. Полученные результаты показывают целесообразность применения накостных пластин для снижения НДС лучевой кости при любом вырезе.

1. Silverman DA, Przylecki WH, Shnayder Y, et al. Expanding the Utilization of the Osteocutaneous Radial Forearm Free Flap beyond Mandibular Reconstruction. J Reconstr Microsurg. 2016;32(5):361-365. doi: 10.1055/s-0035-1571251.

2. Chappell AG, Ramsey MD, Dabestani PJ, Ko JH. Vascularized Bone Graft Reconstruction for Upper Extremity Defects: A Review. Arch Plast Surg. 2023;50(1):82-95. doi: 10.1055/s-0042-1758639.

3. Kearns M, Ermogenous P, Myers S, Ghanem AM. Osteocutaneous flaps for head and neck reconstruction: A focused evaluation of donor site morbidity and patient reported outcome measures in different reconstruction options. Arch Plast Surg. 2018;45(6):495-503. doi: 10.5999/aps.2017.01592.

4. Archibald H, Stanek J, Hamlar D. Free Flap Donor-Site Complications and Management. Semin Plast Surg. 2022;37(1):26-30. doi: 10.1055/s-0042-1759795.

5. Clark S, Greenwood M, Banks RJ, Parker R. Fracture of the radial donor site after composite free flap harvest: a ten-year review. Surgeon. 2004;2(5):281-286. doi: 10.1016/s1479-666x(04)80098-2.

6. Avery CM, Parmar S, Martin T. The use of a T-shaped contoured unilocking titanium radial plate for prophylactic internal fixation of the radial osteocutaneous donor site. Br J Oral Maxillofac Surg. 2010;48(8):648-650. doi: 10.1016/j.bjoms.2010.01.013.

7. Werle AH, Tsue TT, Toby EB, Girod DA. Osteocutaneous radial forearm free flap: its use without significant donor site morbidity. Otolaryngol Head Neck Surg. 2000;123(6):711-717. doi: 10.1067/mhn.2000.110865.

8. Shnayder Y, Tsue TT, Toby EB, et al. Safe osteocutaneous radial forearm flap harvest with prophylactic internal fixation. Craniomaxillofac Trauma Reconstr. 2011;4(3):129-136. doi: 10.1055/s-0031-1279675.

9. Tankersley A, Velasco Martinez I, Medina A. Use of cervicothoracic rotation flap and osteocutaneous radial forearm free flap for a complex multilayered cheek defect reconstruction. Case Reports Plast Surg Hand Surg. 2020;7(1):98-104. doi: 10.1080/23320885.2020.1806070.

10. Loeffelbein DJ, Al-Benna S, Steinsträßer L, et al. Reduction of donor site morbidity of free radial forearm flaps: what level of evidence is available? Eplasty. 2012;12:e9.

11. Waits CA, Toby EB, Girod DA, Tsue TT. Osteocutaneous radial forearm free flap: long-term radiographic evaluation of donor site morbidity after prophylactic plating of radius. J Reconstr Microsurg. 2007;23(7):367-372. doi: 10.1055/s-2007-992342.

12. Silverman DA, Przylecki WH, Arganbright JM, et al. Evaluation of bone length and number of osteotomies utilizing the osteocutaneous radial forearm free flap for mandible reconstruction: An 8-year review of complications and flap survival. Head Neck. 2016;38(3):434-438. doi: 10.1002/hed.23919.

13. Пименов С. А. Применение NX nastran для оценки надежности металлических конструкций. Наукоемкие технологии. 2012;(5):70-76.

14. Омаров М.Д., Муслимова Ф.Н. Аналитический обзор методологии компьютерного моделирования. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015;(3-1):11-14. URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=6466.

15. Edwards WB, Troy KL. Finite element prediction of surface strain and fracture strength at the distal radius. Med Eng Phys. 2012;34(3):290-298. doi: 10.1016/j.medengphy.2011.07.016.

16. Matsuura Y, Kuniyoshi K, Suzuki T, et al, Takahashi K. Accuracy of specimen-specific nonlinear finite element analysis for evaluation of distal radius strength in cadaver material. J Orthop Sci. 2014;19(6):1012-1018. doi: 10.1007/s00776-014-0616-1.

17. Jiang H, Robinson DL, McDonald M, et al. Predicting experimentally-derived failure load at the distal radius using finite element modelling based on peripheral quantitative computed tomography cross-sections (pQCT-FE): A validation study. Bone. 2019;129:115051. doi: 10.1016/j.bone.2019.115051.

18. Feng X, Lin G, Fang CX, et al. Bone resorption triggered by high radial stress: The mechanism of screw loosening in plate fixation of long bone fractures. J Orthop Res. 2019;37(7):1498-1507. doi: 10.1002/jor.24286.

19. Liu J, Mustafa AK, Lees VC, et al. Analysis and validation of a 3D finite element model for human forearm fracture. Int J Numer Method Biomed Eng. 2022;38(9):e3617. doi: 10.1002/cnm.3617.

20. Campbell GM, Glüer CC. Skeletal assessment with finite element analysis: relevance, pitfalls and interpretation. Curr Opin Rheumatol. 2017;29(4):402-409. doi: 10.1097/BOR.0000000000000405.

21. Bowers KW, Edmonds JL, Girod DA, et al. Osteocutaneous radial forearm free flaps. The necessity of internal fixation of the donor-site defect to prevent pathological fracture. J Bone Joint Surg Am. 2000;82(5):694-704.

22. Avery CM, Bujtár P, Simonovics J, et al. A finite element analysis of bone plates available for prophylactic internal fixation of the radial osteocutaneous donor site using the sheep tibia model. Med Eng Phys. 2013;35(10):1421-1430. doi: 10.1016/j.medengphy.2013.03.014.

23. Roberts JW, Grindel SI, Rebholz B, Wang M. Biomechanical evaluation of locking plate radial shaft fixation: unicortical locking fixation versus mixed bicortical and unicortical fixation in a sawbone model. J Hand Surg Am. 2007;32(7):971-975. doi: 10.1016/j.jhsa.2007.05.019.

24. Overturf SJ, Morris RP, Gugala Z, Lindsey RW. Biomechanical comparison of bicortical locking versus unicortical far-cortexabutting locking screw-plate fixation for comminuted radial shaft fractures. J Hand Surg Am. 2014;39(10):1907-1913. doi: 10.1016/j.jhsa.2014.06.141.

25. Hosseini HS, Dünki A, Fabech J, et al. Fast estimation of Colles' fracture load of the distal section of the radius by homogenized finite element analysis based on HR-pQCT. Bone. 2017;97:65-75. doi: 10.1016/j.bone.2017.01.003.

26. Thoma A, Khadaroo R, Grigenas O, et al. Oromandibular reconstruction with the radial-forearm osteocutaneous flap: experience with 60 consecutive cases. Plast Reconstr Surg. 1999;104(2):368-378; discussion 379-80. doi: 10.1097/00006534-199908000-00007.

27. Swanson E, Boyd JB, Mulholland RS. The radial forearm flap: a biomechanical study of the osteotomized radius. Plast Reconstr Surg. 1990;85(2):267-272.

28. Avery CM, Best A, Patterson P, et al. Biomechanical study of prophylactic internal fixation of the radial osteocutaneous donor site using the sheep tibia model. Br J Oral Maxillofac Surg. 2007;45(6):441-446. doi: 10.1016/j.bjoms.2006.10.010.

29. Meland NB, Maki S, Chao EY, Rademaker B. The radial forearm flap: a biomechanical study of donor-site morbidity utilizing sheep tibia. Plast Reconstr Surg. 1992;90(5):763-773.

30. Bujtar P, Simonovics J, Váradi K, et al. Refinements in osteotomy design to improve structural integrity: a finite element analysis study. Br J Oral Maxillofac Surg. 2013;51(6):479-485. doi: 10.1016/j.bjoms.2012.09.015.

31. Александров Н.М., Вешуткин В.Д., Жуков А.Е. и др. Изучение прочностных свойств донорской лучевой кости расчетно-экспериментальным методом. Российский журнал биомеханики. 2017;21(2):147-165. doi: 10.15593/RZhBiomeh/2017.2.03.

32. Hirashima T, Matsuura Y, Suzuki T, et al. Long-term Evaluation Using Finite Element Analysis of Bone Atrophy Changes after Locking Plate Fixation of Forearm Diaphyseal Fracture. J Hand Surg Glob Online. 2021;3(5):240-244. doi: 10.1016/j.jhsg.2021.05.013.

33. Wahbeh JM, Kelley BV, Shokoohi C, et al. Comparison of a 2.7-mm and 3.5-mm locking compression plate for ulnar fractures: a biomechanical evaluation. OTA Int. 2023;6(3):e278. doi: 10.1097/OI9.0000000000000278.

34. Zhao X, Jing W, Yun Z, et al. An experimental study on stress-shielding effects of locked compression plates in fixing intact dog femur. J Orthop Surg Res. 2021;16(1):97. doi: 10.1186/s13018-021-02238-3.

35. Shanmugam R, Jian CYCCS, Haseeb A, Aik S. Comparing biomechanical strength of unicortical locking plate versus bicortical compression plate for transverse midshaft metacarpal fracture. J Orthop Surg (Hong Kong). 2018;26(3):2309499018802511. doi: 10.1177/2309499018802511.

36. Bronsnick D, Harold RE, Youderian A, et al. Can high-friction intraannular material increase screw pullout strength in osteoporotic bone? Clin Orthop Relat Res. 2015;473(3):1150-1154. doi: 10.1007/s11999-014-3975-1.

37. Wang T, Boone C, Behn AW, et al. Cancellous Screws Are Biomechanically Superior to Cortical Screws in Metaphyseal Bone. Orthopedics. 2016;39(5):e828-e832. doi: 10.3928/01477447-20160509-01.

38. Jazini E, Petraglia C, Moldavsky M, et al. Finding the right fit: studying the biomechanics of under-tapping with varying thread depths and pitches. Spine J. 2017;17(4):574-578. doi: 10.1016/j.spinee.2016.11.019.

39. Varghese V, Saravana Kumar G, Krishnan V. Effect of various factors on pull out strength of pedicle screw in normal and osteoporotic cancellous bone models. Med Eng Phys. 2017;40:28-38. doi: 10.1016/j.medengphy.2016.11.012.

40. Wu LC, Hsieh YY, Tsuang FY, et al. Pullout strength of different pedicle screws after primary and revision insertion: an in vitro study on polyurethane foam. BMC Musculoskelet Disord. 2023;24(1):863. doi: 10.1186/s12891-023-07015-3.

41. Geng JP, Ma QS, Xu W, et al. Finite element analysis of four thread-form configurations in a stepped screw implant. J Oral Rehabil. 2004;31(3):233-239. doi: 10.1046/j.0305-182X.2003.01213.x.

42. Eraslan O, Inan O. The effect of thread design on stress distribution in a solid screw implant: a 3D finite element analysis. Clin Oral Investig. 2010;14(4):411-416. doi: 10.1007/s00784-009-0305-1.

43. Oswal MM, Amasi UN, Oswal MS, Bhagat AS. Influence of three different implant thread designs on stress distribution: A threedimensional finite element analysis. J Indian Prosthodont Soc. 2016;16(4):359-365. doi: 10.4103/0972-4052.191283.

44. Feng X, Qi W, Zhang T, et al. Lateral migration resistance of screw is essential in evaluating bone screw stability of plate fixation. Sci Rep. 2021;11(1):12510. doi: 10.1038/s41598-021-91952-3.

45. Feng X, Luo Z, Li Y, et al. Fixation stability comparison of bone screws based on thread design: buttress thread, triangle thread, and square thread. BMC Musculoskelet Disord. 2022;23(1):820. doi: 10.1186/s12891-022-05751-6.