Методика комп’ютерної оптимізації розташування фіксувальних елементів на корпусі накісткової пластини за умов дії ротаційних сил

Abstract

Objective: To determine the best options for placing of fixing and locking screws on the hull of the plate for fixation of transverse diaphyseal fractures to prevent rotational effects on biomechanical system «bone fragments – extramedullary fixateur». Methods: Using the finite element analysis we evaluated the stress-strain state of material of the fixateur at different options of placing for fixing and locking screws on the hull of the plate, and the value for linear displacements under rotational effects on the biomechanical system. Bust of possible options for placement of screws was conducted with using of mathematical tools of combinatorics. Results: The best options of fixation causing minimal strain in extramedullary plates if using three to five screw mount of each part of the fixateur to the bone fragments were selected. A comparative analysis of calculations in the case of tensile strain-compressing extramedullary fixateur under conditions of osteosynthesis of diaphyseal fractures and use the same amount of screws. General lows for location of the fixing and locking elements of a biomechanical system for strain tensile-compression and torsion allowing to improve the stability and quality of osteosynthesis for the treatment of transverse diaphyseal fractures of long bones have been established. Conclusion: the proposed method of computer simulation for estimation of the parameters of stress-strain state of the plates’ material under conditions of varying number and location of fixing elements for torsion. There were determined the most rational and the least successful versions for placing of fixing components inthe case of a preset number of them.Цель: определить оптимальные варианты размещения фиксирующих и блокирующих винтов на корпусе накостной пластины при фиксации поперечных диафизарных переломов с целью предотвращения ротационных воздействий на биомеханическую систему «костные отломки – накостный фиксатор». Методы: с помощью метода конечных элементов оценивали напряженно-деформированное состояние материала фиксатора при различных вариантах размещения фиксирующих и блокирующих винтов на корпусе пластины, а также величину линейных перемещений при ротационных воздействиях на биомеханическую систему. Перебор возможных вариантов размещения винтов проведен с помощью математического аппарата комбинаторики. Результаты: отобраны наиболее оптимальные варианты крепления, при которых возникают минимальные напряжения в материале накостных пластин в случаях использования трех-пятивинтового крепления каждой части фиксатора к отломкам кости. Проведен сравнительный анализ результатов расчетов при деформации растяжения-сжатия для накостного фиксатора в случае остеосинтеза диафизарных переломов и использования такого же количества винтов. Установлены общие закономерности расположения фиксирующих и блокирующих элементов биомеханической системы для деформаций растяжения-сжатия и кручения, что позволяет повысить стабильность и качество остеосинтеза при лечении поперечных диафизарных переломов длинных костей. Выводы: предложена методика компьютерного моделирования для оценки параметров напряженно-деформированного состояния материала накостных фиксаторов при разном числе и расположении фиксирующих элементов для деформации кручения. Определены наиболее рациональные и наименее удачные варианты расположения фиксирующих элементов при заранее заданном их количестве.Мета: визначити оптимальні варіанти розміщення фіксувальних і блокувальних гвинтів на корпусі накісткової пластини за умов фіксації поперечних діафізарних переломів для попередження ротаційних впливів на біомеханічну систему «кісткові відламки – накістковий фіксатор». Методи: за допомогою методу кінцевих елементів оцінювали напружено-деформований стан матеріалу фіксатора за різних варіантів розміщення фіксувальних і блокувальних гвинтів на корпусі пластини, а також величину лінійних переміщень за ротаційних впливів на біомеханічну систему. Перебір можливих варіантів розміщення гвинтів проведено за допомогою математичного апарату комбінаторики. Результати: відібрано найоптимальніші варіанти кріплення, за яких виникають мінімальні напруження в матеріалі накісткових пластин у випадках використання трьох-п’ятигвинтового кріплення кожної частини фіксатора до кісткових відламків. Проведено порівняльний аналіз результатів розрахунків у разі деформацій розтягнення-стискання для накісткового фіксатора за умов остеосинтезу діафізарних переломів і використання такої самої кількості гвинтів. Встановлено загальні закономірності розташування фіксувальних і блокувальних елементів біомеханічної системи для деформацій розтягнення-стискання і кручення, дає змогу підвищити стабільність і якість остеосинтезу для лікування поперечних діафізарних переломів довгих кісток. Висновки: запропонована методика комп’ютерного моделювання для оцінювання параметрів напружено-деформованого стану матеріалу накісткових фіксаторів за умов різної кількості і розташування фіксувальних елементів для деформації кручення. Визначено найраціональніші та найменш вдалі варіанти розташування фіксувальних компонентів у разі заздалегідь заданої їх кількості.