Сравнительный биомеханический анализ способов артродезирования голеностопного сустава: экспериментальное исследование

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Актуальность. Несмотря на значительное количество разнообразных методик, применяемых для артродеза голеностопного сустава, ряд авторов указывают на определенные технические сложности указанных операций, потерю коррекции заданного положения таранной и большеберцовой костей в процессе анкилозирования, несращения. Проблема совершенствования методики фиксации при артродезе голеностопного сустава требует новых решений.

Цель — сравнить методом конечных элементов стабильность различных вариантов систем фиксации при артродезе голеностопного сустава.

Материал и методы. Методом конечных элементов выполнена оценка биомеханических характеристик трех вариантов систем фиксации голеностопного сустава при артродезе: три спонгиозных винта, разработанная пластина, комбинируемая с двумя спонгиозными винтами, проксимальный винт в пластине кортикальный, а также разработанная пластина, комбинируемая с двумя спонгиозными винтами, проксимальный винт в пластине с угловой стабильностью. Изучены напряжения и деформации при приложении различных видов нагрузок.

Результаты. В модели фиксации голеностопного сустава передней пластиной, комбинируемой с двумя спонгиозными винтами и проксимальным кортикальным винтом, имплантаты и таранная кость испытывали наименьшие напряжения по сравнению с двумя другими моделями. Так, максимальное эквивалентное напряжение в имплантатах при втором варианте составило 68–124 МПа, при первом варианте — 92–147 МПа, при третьем — 130–331 МПа. Эквивалентное напряжение в таранной кости во втором варианте фиксации составило от 20 до 46 МПа, в первом и третьем вариантах — 28–58 МПа и 47–65 МПа соответственно. Показатели максимального контактного давления на границе большеберцовой и таранной костей оказались наибольшими в первом варианте по сравнению с двумя другими моделями (34 МПа, 31 МПа и 31 МПа соответственно).

Заключение. Среди изученных систем фиксации голеностопного сустава при артродезе применение передней пластины, комбинируемой с двумя спонгиозными винтами и проксимальным кортикальным винтом, является наиболее предпочтительным с точки зрения биомеханики.

Об авторах

Владимир Васильевич Хоминец

ФГБВОУ ВО «Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова» Минобороны России

Автор, ответственный за переписку.
Email: khominets_62@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9391-3316

д-р мед. наук, профессор

Россия, г. Санкт-Петербург

Сергей Владимирович Михайлов

ФГБВОУ ВО «Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова» Минобороны России

Email: msv06@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0098-8085

канд. мед. наук

Россия, г. Санкт-Петербург

Саян Елемесьевич Жумагазиев

ФГБВОУ ВО «Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова» Минобороны России

Email: shumagasiev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5169-2022
Россия, г. Санкт-Петербург

Алексей Вячеславович Щукин

ФГБВОУ ВО «Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова» Минобороны России

Email: ossa.76@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7754-8478

канд. мед. наук

Россия, г. Санкт-Петербург

Дмитрий Валерьевич Иванов

ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского» Минобрнауки России

Email: ivanovdv.84@ya.ru
ORCID iD: 0000-0003-1640-6091

канд. физ.-мат. наук

Россия, г. Саратов

Список литературы

  1. Morash J., Walton D.M., Glazebrook M. Ankle Arthrodesis Versus Total Ankle Arthroplasty. Foot Ankle Clin. 2017;22(2):251-266. doi: 10.1016/j.fcl.2017.01.013.
  2. Prissel M.A., Simpson G.A., Sutphen S.A., Hyer C.F., Berlet G.C. Ankle Arthrodesis: A Retrospective Analysis Comparing Single Column, Locked Anterior Plating to Crossed Lag Screw Technique. J Foot Ankle Surg. 2017;56(3):453-456. doi: 10.1053/j.jfas.2017.01.007.
  3. Suo H., Fu L., Liang H., Wang Z., Men J., Feng W. End-stage Ankle Arthritis Treated by Ankle Arthrodesis with Screw Fixation Through the Transfibular Approach: A Retrospective Analysis. Orthop Surg. 2020;12(4):1108-1119. doi: 10.1111/os.12707.
  4. DeHeer P.A., Catoire S.M., Taulman J., Borer B. Ankle arthrodesis: a literature review. Clin Podiatr Med Surg. 2012;29(4):509-527. doi: 10.1016/j.cpm.2012.07.001.
  5. Somberg A.M., Whiteside W.K., Nilssen E., Murawski D., Liu W. Biomechanical evaluation of a second generation headless compression screw for ankle arthrodesis in a cadaver model. Foot Ankle Surg. 2016;22(1):50-54. doi: 10.1016/j.fas.2015.04.010.
  6. Михайлов К.С., Емельянов В.Г., Тихилов Р.М., Кочиш А.Ю., Сорокин Е.П. Обоснование выбора операций артродезирования или эндопротезирования у пациентов с артрозом голеностопного сустава. Травматология и ортопедия России. 2016;(1): 21-32. doi: 10.21823/2311-2905-2016-0-1-21-32.
  7. Хоминец В.В., Михайлов С.В., Шакун Д.А., Жумагазиев С.Е., Комаров А.В. Артродезирование голеностопного сустава с использованием трех спонгиозных винтов. Травматология и ортопедия России. 2018;24(2):117-126. doi: 10.21823/2311-2905-2018-24-2-117-126.
  8. Onodera T., Majima T., Kasahara Y., Takahashi D., Yamazaki S., Ando R. et al. Outcome of transfibular ankle arthrodesis with Ilizarov apparatus. Foot Ankle Int. 2012;33:964-968.
  9. Teramoto A. Nozaka K., Kamiya T., Kashiwagura T., Shoji H., Watanabe K. et al. Screw Internal Fixation and Ilizarov External Fixation: A Comparison of Outcomes in Ankle Arthrodesis. J Foot Ankle Surg. 2020;59(2):343-346. doi: 10.1053/j.jfas.2019.09.012.
  10. Heuvel S.B.M., Doorgakant A., Birnie M.F.N., Blundell C.M., Schepers T. Open Ankle Arthrodesis: a Systematic Review of Approaches and Fixation Methods. Foot Ankle Surg. 2021;27(3):339-347. doi: 10.1016/j.fas.2020.12.011.
  11. Steginsky B.D., Suhling M.L., Vora A.M. Ankle Arthrodesis With Anterior Plate Fixation in Patients at High Risk for Nonunion. Foot Ankle Spec. 2020;13(3):211-218. doi: 10.1177/1938640019846968.
  12. van den Heuvel S.B.M., Penning D., Schepers T. Open Ankle Arthrodesis: A Retrospective Analysis Comparing Different Fixation Methods. J Foot Ankle Surg. 2022;61(2):233-238. doi: 10.1053/j.jfas.2021.07.012.
  13. Ross B.J., Savage-Elliott I., Wu V.J., Rodriguez R.F. Complications Following Total Ankle Arthroplasty Versus Ankle Arthrodesis for Primary Ankle Osteoarthritis. Foot Ankle Spec. 2021:1938640020987741. doi: 10.1177/1938640020987741.
  14. Zwipp H., Rammelt S., Endres T., Heineck J. High union rates and function scores at midterm followup with ankle arthrodesis using a four screw technique. Clin Orthop Relat Res. 2010;468(4):958-968. doi: 10.1007/s11999-009-1074-5.
  15. Clifford C., Berg S., McCann K., Hutchinson B. A biomechanical comparison of internal fixation techniques for ankle arthrodesis. J Foot Ankle Surg. 2015;54(2):188-191. doi: 10.1053/j.jfas.2014.06.002.
  16. Gutteck N., Martin H., Hanke T., Matthies J.B., Heilmann A., Kielstein H. et al. Posterolateral plate fixation with Talarlock® is more stable than screw fixation in ankle arthrodesis in a biomechanical cadaver study. Foot Ankle Surg. 2018;24(3):208-212.
  17. Дубров В.Э., Зюзин Д.А., Кузькин И.А., Щербаков И.М., Донченко С.В., Сапрыкина К.А. Применение метода конечных элементов при моделировании биологических систем в травматологии и ортопедии. Российский журнал биомеханики. 2019; 23(1):140-152. doi: 10.15593/RZhBiomeh/2019.1.12.
  18. Wang S., Yu J., Ma X., Zhao D., Geng X., Huang J., Wang X. Finite element analysis of the initial stability of arthroscopic ankle arthrodesis with three-screw fixation: posteromedial versus posterolateral home-run screw. J Orthop Surg Res. 2020;15(1):252. doi: 10.1186/s13018-020-01767-7.
  19. Zhu M., Yuan C.S., Jin Z.M., Wang Y.J., Shi Y.X., Yang Z.J. et al. Initial stability and stress distribution of ankle arthroscopic arthrodesis with three kinds of 2-screw configuration fixation: a finite element analysis. J Orthop Surg Res. 2018;13(1):263. doi: 10.1186/s13018-018-0972-1.
  20. Доль А.В., Доль Е.С., Иванов Д.В. Биомеханическое моделирование вариантов хирургического реконструктивного лечения спондилолистеза позвоночника на уровне L4-L5. Российский журнал биомеханики. 2018;22(1):31-44. doi: 10.15593/RZhBiomeh/2018.1.03.
  21. Wehner T., Claes L., Simon U. Internal loads in the human tibia during gait. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2009;24(3):299-302. doi: 10.1016/j.clinbiomech.2008.12.007.
  22. López-Campos J.A., Segade A., Casarejos E., Fernández J.R., Vilán J.A., Izquierdo P. Finite Element Study of a Threaded Fastening: The Case of Surgical Screws in Bone. Symmetry. 2018;10(8):335. doi: 10.3390/sym10080335.
  23. Иванов Д.В., Доль А.В. Биомеханическое моделирование. Саратов: Амирит, 2021. 250 с.
  24. Zherebtsov S., Salishchev G., Galeyev R., Maekawa K. Mechanical Properties of Ti–6Al–4V Titanium Alloy with Submicrocrystalline Structure Produced by Severe Plastic Deformation. Materials Transactions. 2005;46(9):2020-2025. doi: 10.2320/matertrans.46.2020.
  25. Nasson S., Shuff C., Palmer D., Owen J., Wayne J., Carr J. et al. Biomechanical comparison of ankle arthrodesis techniques: crossed screws vs. blade plate. Foot Ankle Int. 2001;22(7):575-580. doi: 10.1177/107110070102200708.
  26. Friedman R.L., Glisson R.R., Nunley J.A. A biomechanical comparative analysis of two techniques for tibiotalar arthrodesis. Foot Ankle Int. 1994;15(6):301-305. doi: 10.1177/107110079401500604.
  27. Miller R.A., Firoozbakhsh K., Veitch A.J. A biomechanical evaluation of internal fixation for ankle arthrodesis comparing two methods of joint surface preparation. Orthopedics. 2000;23(5):457-460. doi: 10.3928/0147-7447-20000501-14.
  28. Erdemir A., Guess T.M., Halloran J., Tadepalli S.C., Morrison T.M. Considerations for reporting finite element analysis studies in biomechanics. J Biomech. 2012;45(4):625-633. doi: 10.1016/j.jbiomech.2011.11.038.
  29. Kluess D., Wieding J., Souffrant R., Mittelmeier W., Bader R. Finite element analysis in orthopaedic biomechanics. In: Moratal D., ed. Finite Element Analysis. València; 2010. p. 151-170.
  30. Vázquez A.A., Lauge-Pedersen H., Lidgren L., Taylor M. Finite element analysis of the initial stability of ankle arthrodesis with internal fixation: flat cut versus intact joint contours. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2003;18(3):244-253. doi: 10.1016/s0268-0033(02)00207-3.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Передняя пластина для артродеза голеностопного сустава

Скачать (12KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Виртуальные модели артродеза голеностопного сустава в прямой и боковой проекциях:а — тремя спонгиозными винтами;b — разработанной пластиной и двумя спонгиозными винтами, проксимальный винт кортикальный;c — разработанной пластиной и двумя спонгиозными винтами, проксимальный винт с угловой стабильностью;1 — спонгиозный винт; 2 — кортикальный винт; 3 — винт с угловой стабильностью

Скачать (62KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Оси системы координат модели, относительно которых задавались внешние нагрузки:а — вид сбоку; b — вид сверху

Скачать (34KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Максимальные эквивалентные напряжения при различных видах нагрузок на голеностопный сустав, МПа:a — в исследуемых имплантатах;b — в таранной кости;c — в большеберцовой кости

Скачать (55KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Контактное давление на границе большеберцовой и таранной костей при использовании различных вариантов фиксации и нагрузок на голеностопный сустав, МПа

Скачать (22KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Поля полных перемещений для трех моделей фиксации при тыльном сгибании, мм: а — три спонгиозных винта; b — пластина и два спонгиозных винта, проксимальный винт кортикальный; c — пластина и два спонгиозных винта, проксимальный винт с угловой стабильностью

Скачать (26KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Поля эквивалентных напряжений для моделей при тыльном сгибании, МПа: а — три спонгиозных винта; b — пластина и два спонгиозных винта, проксимальный винт кортикальный; c — пластина и два спонгиозных винта, проксимальный винт с угловой стабильностью

Скачать (50KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Эквивалентные напряжения в таранной кости во время нагрузки, имитирующей тыльное сгибание стопы: а — три спонгиозных винта; b — пластина и два спонгиозных винта, проксимальный винт кортикальный, МПа; c — пластина и два спонгиозных винта, проксимальный винт с угловой стабильностью

Скачать (59KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Эквивалентные напряжения в большеберцовой кости во время нагрузки, имитирующей тыльное сгибание стопы, МПа: а — второй вариант; b — третий вариант

Скачать (31KB)
Метаданные

© Эко-Вектор, 2022

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).