Біомеханічне дослідження комбінованої системи фіксації стегнової кістки в разі вогнепального перелома

Abstract

Gunshot injuries of the femur in combat settings are associated with high-energy trauma and unstable diaphyseal fractures (81.4 %), which require fixation methods with increased demands for mechanical rigidity. Objective. To investigate the stress-strain state of a computer model of the femur with a comminuted fracture fixed with an intramedullary spacer and an external fixation device using pins of 5 mm and 6 mm in diameter. Methods. A three-dimensional model of a diaphyseal comminuted femoral fracture and two models of combined fixation («external fixator + intramedullary spacer») with four pins of 5 mm and 6 mm diameter were created. Biomechanical analysis was performed using the finite element method. The evaluated parameters included displacement, stress, and strain under a static load of 400 N. Results. Numerical analysis of the stressstrain state demonstrated that both studied constructs with 5-mm and 6-mm pins provide sufficient fixation stiffness. Increasing the pin diameter to 6 mm resulted in reduced maximal displacements and peak stresses, indicating a biomechanical advantage of the «bone – intramedullary spacer + external fixator with 6-mm pins» system. Conclusions. The conducted numerical stress-strain analysis showed that despite adequate stability provided by both fixation systems, the «bone + intramedullary spacer + external fixator with 6-mm pins» construct has a biomechanical advantage over the construct with 5-mm pins in terms of maximal displacement, stress, and strain values.Вогнепальні ушкодження стегнової кістки в умовах бойових дій характеризуються високоенергетичними травмами та нестабільними діафізарними переломами (81,4 %), які потребують методів фіксації з підвищеними вимогами до механічної жорсткості. Мета. Дослідити напружено-деформований стан комп’ютерної моделі стегнової кістки з багатоуламковим переломом, фіксованої інтрамедулярним спейсером і апаратом зовнішньої фіксації зі стрижнями діаметрами 5 та 6 мм. Методи. Створено тривимірну модель діафізарного багатоуламкового перелому стегнової кістки та дві моделі комбінованої фіксації «АЗФ + інтрамедулярний спейсер» із використанням чотирьох стрижнів діаметрами 5 та 6 мм. Біомеханічний аналіз виконано методом скінченних елементів. Оцінювали показники напруженодеформованого стану — переміщення, напруження та деформація — за умов прикладання статичної сили 400 Н. Результати. Чисельний аналіз напружено-деформованого стану показав, що обидві досліджувані конструкції зі стрижнями параметрами 5 і 6 мм забезпечують достатню жорсткість фіксації. Збільшення діаметрів стрижнів до 6 мм супроводжується зниженням максимальних переміщень і пікових напружень, що свідчить про біомеханічну перевагу системи «кістка + інтрамедулярний спейсер + АЗФ зі стрижнями діаметром 6 мм». Висновки. Проведений чисельний аналіз напружено-деформованого стану продемонстрував, що попри достатню стабільність обох систем фіксації стегнової кістки, «кістка + інтрамедулярний спейсер + АЗФ зі стрижнями діаметром 6 мм» має біомеханічну перевагу над системою «кістка + інтрамедулярний спейсер + АЗФ зі стрижнями 5 мм» за показниками максимальних переміщень, напружень і деформацій.