Факторы прочности лучевой кости после формирования краевого дефекта
Автор: Александров Николай Михайлович, Вешуткин Владимир Дмитриевич, Жуков Александр Евгеньевич, Вешаев Иван Денисович, Купцов Дмитрий Алексеевич, Углв Олег Иванович
Журнал: Гений ортопедии @geniy-ortopedii
Рубрика: Оригинальные статьи
Статья в выпуске: 2 т.27, 2021 года.
Бесплатный доступ
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.
Кожно-костный лучевой лоскут, дефект лучевой кости, прочность лучевой кости, эксперимент, расчет, компьютерное моделирование
Короткий адрес: https://sciup.org/142230215
IDR: 142230215 | УДК: 616.717.5-089.844:004.94:612.74 | DOI: 10.18019/1028-4427-2021-27-2-187-198
Factors of radial bone strength after marginal defect formation
Purpose To determine the effect of biometrical parameters of the radial bone and due to edge defect formed on the radius strength properties using calculation methods. Materials and methods The study of bone strength affecting factors was conducted with the aid of experimental and calculation methods. Biometrical parameters were studied in 10 pairs of the human cadaveric radius as an intact bone initially and after the formation of rectangular or triangle-shaped edge cuts. To determine the stress-strain behaviour, mathematical calculations were performed based on the beam flexural theory for isotropic materials. Computation study were conducted using the finite element method with the NX Siemens software package. Based on assumed mathematical models, the actual areas of safe loads in the presence of cuts and values of destructive loads depending on the depth and shape of a cut taking into account the initial curvature of the bone as well as the criteria of a required residual strength in variation of influencing parameters were identified by means of calculations. Results It was established that an increase in bone curvature results in the reduction of longitudinal destructive loads and in increasing values of the normal strength. The 0.05 bone curvature combined with the 0.5 cut causes a decrease in the ultimate load by 20 times (up to 4.8 % for a rectangular cut and to 5.4 % for a triangular cut). A 0.5-deep cut in the bone which curvature is 0.05 enhances the normal stress by 6.9 times for a triangular cut and by 7.8 times for a rectangular one as compared to a bone without curvature. The critical values for the curvature and depth of the cut were established which permit to avoid additional bone reinforcement. Conclusion The strength of the radius with a maginal defect depends not only on the depth of a cut but on its location, shape and on the radius curvature.
Список литературы Факторы прочности лучевой кости после формирования краевого дефекта
- 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
- 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. P. 1012-1017. DOI: 10.1097/00006534-199704000-00014
- 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. P.1612-1617. DOI: 10.1002/lary.23775
- 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
- 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
- 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. Trauma Reconstr. 2011. Vol. 4, No 3. P. 129-136. DOI: 10.1055/s-0031-1279675
- 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. P. 255-260. DOI: 10.1002/micr.21950
- 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. Reconstr. Microsurg. 2017. Vol. 33, No 8. P. 544-548. DOI: 10.1055/s-0037-1602740
- Osteocutaneous radial forearm free flap: its use without significant donor site morbidity / A.H. Werle, T.T. Tsue, E.B. Toby, D.A. Girod // Otolaryngol. Head Neck Surg. 2000. Vol. 123, No 6. P. 711-717. DOI: 10.1067/mhn.2000.110865
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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.
- 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
- 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.
- 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
- Prospective biomechanical evaluation of donor site morbidity after radial forearm free flap / B. Riecke, C. Kohlmeier, A.T. Assaf, J. Wikner, A. Drabik, P. Catala-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
- 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
- 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.
- 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.
- Reduction of donor site morbidity of free radial forearm flaps: what level of evidence is available? / D.J. Loeffelbein, S. Al-Benna, L. Steinsträßer, R.M. Satanovskij, N.H. Rohleder, T. Mücke, K.D. Wolff, M.R. Kesting // Eplasty. 2012. Vol. 12. P. e9.
- Computed- tomography-based finite-element models of long bones can accurately capture strain 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
- 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.
- 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. Bujtar, J. Simonovics, T. Dezsi, K. Varadi, G.K. Sandor, J. Pan // Med. Eng. Phys. 2013. Vol. 35, No 10. P. 1421-1430. DOI: 10.1016/j.medengphy. 2013.03.014
- 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
- 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
- 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.
- 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
- Зациорский В.М., Аруин А.С., Селуянов В.Н. Биомеханика двигательного аппарата человека. М. : Физкультура и спорт, 1981. 143 с.
- 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.
- Harberkorn-Butendeich E. Die Kraft des Musculus triceps brachii: diss. Saarbrucken. 1973. P.120.
- Метод конечных элементов в расчетах стержневых систем : учеб. пособие / И.Ф. Дьяков, С.А. Чернов, А.Н. Черный. Ульяновск : УлГТУ, 2010. 133 с.
- Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / пер. с англ. под ред. Б.Е. Победря. М. : Мир, 1975. 542 с.
- 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.
- 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.
- 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