Биомеханический анализ вариантов позвоночно-тазовой фиксации при продольных переломах крестца методом конечных элементов

Цель исследования. Анализ прочности трех типов конфигураций систем позвоночно-тазовой фиксации при продольных переломах крестца методом конечных элементов.

Материал и методы. Биомеханический анализ проводили методом конечных элементов. Трехмерная модель сегмента позвоночно-
тазового комплекса, включающая тазовые кости, крестец и позвонки L₄, L₅, была создана на основе результатов КТ здорового пациента. Затем на выполненной модели крестца воспроизводили продольный перелом с левой стороны в зоне 1 по классификации Denis. Далее с помощью биомеханического компьютерного моделирования осуществляли сравнительную оценку трех вариантов систем позвоночно-тазовой фиксации: двусторонней позвоночно-тазовой конструкции L₄–S₂Alar; двусторонней позвоночно-тазовой конструкции L₄–S₂Alar с установкой поперечного коннектора; двусторонней позвоночно-тазовой конструкции L₄–S₂Alar с установкой L-образного стержня. Определяли стабильность фиксации, а также величины нагрузок, действующих на элементы фиксации и костные ткани.

Результаты. При увеличении жесткости конструкции посредством поперечного коннектора или/и L-образного стержня перераспределяется нагрузка между винтами, находящимися слева и справа от зоны перелома. Жесткость конструкции L₄–S₂Alar с параллельными, несоединенными между собой стержнями, значительно ниже, что приводит к критическому увеличению нагрузок на конструкцию и позвонки.

Заключение. При анализе методом конечных элементов трех вариантов позвоночно-тазовой фиксации фрагментов при продольных переломах крестца выявлено, что двусторонняя позвоночно-тазовая конструкция с транспедикулярными винтами, установленными в L₄, L₅ позвонки, и тазовыми винтами, установленными в подвздошные кости через боковые массы S₂ по два с каждой стороны (L₄–S₂Alar), соединенными двумя параллельными стержнями (вариант 1), является наименее прочной в сравнении с остальными вариантами. При дополнении конструкции поперечным коннектором между стержнями (вариант 2) прочность фиксации возрастает. Наиболее прочной показала себя конструкция L₄–S₂Alar с L-образным стержнем на стороне продольного перелома крестца (вариант 3).

1. Beckmann N, Cai C. CT characteristics of traumatic sacral fractures in association with pelvic ring injuries: correlation using the Young-Burgess classification system. Emerg Radiol. 2017;24:255–262. DOI: 10.1007/s10140-016-1476-0.

2. Nonne D, Capone A, Sanna F, Busnelli L, Russo AL, Marongiu G, Dessì G, Ferreli A. Suicidal jumper’s fracture – sacral fractures and spinopelvic instability: a case series. J Med Case Rep. 2018;12:186. DOI: 10.1186/s13256-018-1668-1.

3. Закиров Р.И., Ахтямов И.Ф. Хирургия нестабильных повреждений тазового кольца. Тенденции, проблемы и перспективы // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2021. Т. 28. № 4. С. 31–38. [Zakirov RI, Ahtyamov IF. Surgery of unstable pelvic ring injuries. Trends, issues and perspectives. N.N. Priorov Journal of Traumatology and Orthopedics. 2021;28(4):31–38]. DOI: 10.17816/vto34523.

4. Донченко С.В., Слиняков Л.Ю., Черняев А.В. Применение позвоночно-

5. тазовой транспедикулярной фиксации при лечении нестабильных повреждений тазового кольца // Травматология и ортопедия России. 2013. № 4 (70). С. 67–74. [Donchenko SV, Slinyakov LYu, Chernyaev AV. Treatment of unstable Pelvic ring injuries with vertebropelvi transpedicular fixation. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2013;(4):67–74]. DOI: 10.21823/2311-2905-2013-4-67-74.

6. Доль А.В., Иванов Д.В., Кажанов И.В., Кириллова И.В., Коссович Л.Ю., Микитюк С.И., Петров А.В. Биомеханическое моделирование вариантов хирургического реконструктивного лечения односторонних переломов крестца // Российский журнал биомеханики. 2019. Т. 23. № 4. С. 537–548. [Dol AV, Ivanov DV, Kazhanov IV, Kirillova IV, Kossovich LYu, Mikityuk SI, Petrov AV. Biomechanical modeling of surgical reconstructive treatment variants of unilateral sacral fractures. Russian Journal of Biomechanics. 2019;23(4):537–548]. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2019.4.04.

7. Иванов Д.В. Биомеханическая поддержка решения врача при выборе варианта лечения на основе количественных критериев оценки успешности // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2022. Т. 22. № 1. С. 62–89. [Ivanov DV. Biomechanical support for the physician’s decision when choosing a treatment option based on quantitative success criteria. Izvestiya of Saratov University. Mathematics. Mechanics. Informatics. 2022;22(1):62–89]. DOI 10.18500/1816-9791-2022-22-1-62-89.

8. Joukar A, Shah A, Kiapour A, Vosoughi AS, Duhon B, Agarwal AK, Elgafy H, Ebraheim N, Goel VK. Sex specific sacroiliac joint biomechanics during standing upright: a finite element study. Spine. 2018;43:E1053–E1060. DOI: 10.1097/BRS.0000000000002623.

9. Карлов А.В., Шахов В.П. Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики. Томск, 2001. [Karlov AV, Shakhov VP. External Fixation Systems and Regulatory Mechanisms of Optimal Biomechanics. Tomsk, 2001].

10. Goldstein SA. The mechanical properties of trabecular bone: dependence on anatomic location and function. J Biomech. 1987;20:1055–1061. DOI: 10.1016/0021-9290(87)90023-6.

11. Havaldar R, Pilli SC, Putti BB. Insights into the effects of tensile and compressive loadings on human femur bone. Adv Biomed Res. 2014;3:101. DOI: 10.4103/2277-9175.129375.

12. Misch CE, Qu Z, Bidez MW. Mechanical properties of trabecular bone in the human mandible: implications for dental implant treatment planning and surgical placement. J Oral Maxillofac Surg. 1999;57:700–706. DOI: 10.1016/s0278-2391(99)90437-8.

13. Titanium Alloys in Medical Applications [Электронный ресурс]. URL: https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=1794 (дата обращения: 26.07.2022). [Titanium Alloys in Medical Applications [Electronic resource]. URL: https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=1794 (access date 26.07.2022).]

14. ГОСТ Р 52857.1-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования. [GOST R 52857.1-2007. Vessels and apparatus. Norms and methods of strength calculation. General requirements].