Журнал «Травма» Том 14, №6, 2013

Вступ

Незважаючи на значні успіхи хірургії сухожилків у цілому, незадовільні результати після відновлення сухожилків згиначів становлять 3–18 % при ізольованих ушкодженнях та 38–62 % при поєднаній травмі кисті, що зумовлено стійкою тенденцією до підвищення тяжкості травми кисті, недостатнім та неякісним лікуванням [8].

Травми сухожилків згиначів у II зоні найбільш важко піддаються лікуванню й залишаються в центрі уваги як клінічних, так і інструментальних досліджень. Відновлення функції сухожилків згиначів пальців кисті в II зоні є одним із найважчих розділів реконструктивно-відновної хірургії кисті. Накопичено значний клінічний досвід лікування хворих з ушкодженнями сухожилків згиначів пальців кисті [1–3, 8, 9, 12, 15]. Наразі більшість авторів схиляються до думки, що при ізольованих ушкодженнях сухожилка глибокого згинача в критичній зоні необхідно видаляти сухожилок поверхневого згинача [2, 5, 7, 12]. Але існує й думка про доцільність його збереження [1, 6].

У наш час залишається цілий ряд невирішених проблем як тактичного, так і технологічного плану [10]. Такою проблемою є й способи шва сухожилків у критичній зоні, які не передбачають збереження сухожилка поверхневого згинача, оскільки за загальноприйнятою методикою при ізольованому пошкодженні сухожилків глибоких згиначів або при їх поєднаному пошкодженні із сухожилком поверхневих згиначів 2–5-го пальців у критичній зоні виконується сухожильна пластика сухожилка глибокого згинача з видаленням дистального кінця сухожилка поверхневого згинача [12].

Кисть є кінематичним ланцюгом, що на кожному рівні урівноважується подвійною м’язово-сухо­жил­ко­вою системою, і ушкодження однієї з його ланок призводить до дисбалансу. У зв’язку з цим сухожилок поверхневого згинача не має висікатися або залишатись ушкодженим [1, 6]. Доведено, що при ізольованому ушкодженні сухожилка поверхневого згинача порушується координація рухів у дистальному міжфаланговому суглобі [4]. При таких ушкодженнях метод двохетапної пластики сухожилків згиначів пальців кисті є найбільш ефективним для досягнення добрих функціональних результатів [1, 6].

Усе вищевикладене свідчить про необхідність подальшого вивчення комплексу згинальної системи пальців кисті та пошуків наукового обґрунтування питань тактики оперативного лікування та післяопераційної реабілітації хворих з ушкодженнями сухожилків пальців кисті, особливо в критичній зоні.

Мета дослідження: математичний розрахунок показників сил, що діють на анатомічні ділянки згинального апарату пальців кисті при стандартному навантаженні на проксимальні кінці сухожилків згиначів пальців, та аналіз напружено-деформованого стану в зазначених ділянках.

Матеріали та методи

Визначення реакцій на дію сил, які виникають в сухожильному каналі згинального апарату пальців кисті, здійснювали аналітичним методом. Для чисельних розрахунків використовували загальну схему (рис. 1).

Для розрахунків були прийняті такі спрощення:

— між сухожилками та всіма контактуючими елементами тертя відсутнє;

— міжфалангові та п’ясно-фалангові суглоби пальця відіграють роль роликового підшипника.

Для перевірки адекватності аналітичних розрахунків був проведений кінцево-елементний аналіз напружено деформованого стану структур згинального апарату пальців кисті в умовах інтактного сухожилка глибокого згинача при пошкодженні сухожилка поверхневого згинача.

За допомогою програмного пакета «Компас-3D» (V12) побудована 3D-модель сухожилка глибокого згинача пальця (рис. 2).

На наступному етапі 3D-модель імпортована в середовище ANSYS для проведення розрахунків та визначення напружено-деформованого стану. Засобами ANSYS згенерована кінцево-елементна сітка (рис. 3), що налічувала 29 361 точку та 6055 елементів.

На рис. 4 зображена розрахункова модель сухожилка глибокого згинача пальця з умовами закріплення та дії зовнішніх сил. Прикладанням сили 50 Н на проксимальний кінець сухожилка змодельовані умови компенсаторного перекладання функції згинання пальця з пошкодженого сухожилка поверхневого згинача пальця на сухожилок глибокого згинача.

На завершальному етапі вірогідність розрахунків, отриманих кінцево-елементним моделюванням, перевірена аналітичними розрахунками.

Результати та їх обговорення

Аналіз реакцій на дію сили скорочення м’язів поверхневого та глибокого згиначів пальця залежно від кута згинання в міжфалангових та п’ясно-фаланговому суглобах здійснювали за умов, поданих на рис. 5.

На проксимальні ділянки сухожилків поверхневого та глибокого згиначів пальця прикладали силу F₁ = 25 H та F₂ = 25 H відповідно. У випадках пошкодження одного із сухожилків для виконання тієї ж роботи на інтактний сухожилок мають прикладатися більші зусилля. У нашому випадку прикладали компенсуючу силу — 50 Н. Стрілками показано вектори дії сил на сухожилки згиначів пальця. Для розрахунку сили дії на анулярні зв’язки напрямок вектора сили змінюється на протилежний зі знаком «мінус» відповідно до третього закону Ньютона — сили, що виникають при взаємодії двох тіл, є рівними за модулем і протилежними за напрямом.

Визначали реакції в шарнірних опорах залежно від сили натягу кожного сухожилка в точках А₁, А₂, А₃, А₄ і А₅ та В₁, В₂ відповідно для варіанта інтактних сухожилків (рис. 5а). Для цього будували відносно кожної точки власну систему координат X0Y (рис. 6). Вісь Х відповідає напрямку реакції, що діє у відповідній точці.

Відповідно до схеми (рис. 6), величини кутів кривини сухожилкового каналу основної та середньої фаланг залишаються незмінними, незважаючи на об’єм міжфалангових рухів.

Значення реакцій для точок А₁, А₂, А₃ підсумовуються і дорівнюють:

R_А1 = F₁ cos (a₁ /2) + F2 cos (a₂ /2),

R_А2 = F₁ cos (_b1 /2) + F2 cos (_b2 /2),

R_А3 = F₁ cos (y₁ /2) + F2 cos (_y2 /2).

Для варіанта інтактних сухожилків при дії сил F₁ = 25 H та F₂ = 25 H значення, отримані залежно від кутів згинання у міжфалангових та п’ясно-фаланговому суглобах, наведені в табл. 1.

На рис. 7 подано графік залежності величини напруження в анатомічних зонах анулярних зв’язок та місцях кріплення сухожилків поверхневого та глибокого згиначів пальця від кутів згинання в міжфалангових суглобах (модель № 1).

Згідно з графіком (рис. 7), при згинанні до кута 10° зусилля на всі зв’язки, крім А₃, знижуються практично до нульових значень. При подальшому збільшенні кута згинання зусилля наростають для зв’язки А₁ і меншою мірою — для А₅. На зв’язці А₂ зусилля не наростали. Зусилля на зв’язці А₃ зменшувались до кута згинання 45°, а при збільшенні кута згинання знову збільшувались.

Визначали реакції на дії сили від натягу інтакт­ного сухожилка глибокого згинача в точках А₁, А₂, А₃, А₄ і А₅ та В₁ відповідно для варіанта ушкодженого сухожилка поверхневого згинача (рис. 5б). Для цього будували відносно кожної точки власну систему координат X0Y (рис. 8). Вісь Х відповідає напрямку реакції, що діє у відповідній точці.

Значення реакцій для точок А₁, А₂, А₃, А₄, А₅ дорівнюють:

Для варіанта дії сил F₁ = 50 H та F₂ = 0 H значення, отримані залежно від кутів згинання в міжфалангових та п’ясно-фаланговому суглобах, наведені в табл. 2.

На рис. 9 подано графік залежності величини напруження в анатомічних зонах анулярних зв’язок та місцях кріплення сухожилків поверхневого та глибокого згиначів пальця від кутів згинання в міжфалангових суглобах (модель № 2).

Згідно з графіком (рис. 9), при згинанні до кута 10° зусилля на зв’язки А₁, А₂, А₄ знижуються практично до нульових значень. При подальшому збільшенні кута згинання зусилля наростають для зв’язок А₁, А₂, А₃: найбільше для А₃, найменше для А₅. На зв’язках А₂, А₄ зусилля не наростали.

Аналогічним чином визначали реакції дії сили від натягу інтактного сухожилка поверхневого згинача в точках А₁, А₂, А₃ та В₂ відповідно для варіанта ушкодженого сухожилка глибокого згинача (рис. 5в). Для цього будували відносно кожної точки власну систему координат X0Y. Вісь Х відповідає напрямку реакції, що діє у відповідній точці. Значення реакцій для точок А₁, А₂, А₃ та В₂ (рис. 10) дорівнюють:

Для варіанта дії сил F₁ = 0 H та F₂ = 50 H значення, отримані залежно від кутів згинання в міжфалангових та п’ясно-фаланговому суглобах, наведені в табл. 3.

На рис. 11 подано графік залежності величини напруження в анатомічних зонах анулярних зв’язок та місцях кріплення сухожилків поверхневого та глибокого згиначів пальця від кутів згинання в міжфалангових суглобах (модель № 3).

Згідно з графіком (рис. 11), при згинанні до кута 10° зусилля на всі зв’язки, крім А₃, знижуються практично до нульових значень. При подальшому збільшенні кута згинання зусилля наростають для зв’язки А₁. На зв’язці А₂ зусилля не наростали. Зусилля на зв’язці А₃ різко зменшувались до кута згинання 45°, а потім продовжували плавно зменшуватися до кута згинання 70°.

Із табл. 1–3 та графіків (рис. 7, 9, 11) видно, що при згинанні фаланг пальця зусилля в точках А₁, А₃ і А₅ зростають. Це пояснюється тим, що кути в міжфалангових суглобах зменшуються, а косинуси цих кутів, навпаки, зростають. Навантаження на сухожилки відрізняється залежно від кута згинання в міжфалангових та п’ясно-фалангових суглобах. Ці значення навантажень можуть змінюватись у декілька разів.

При пошкодженні одного із сухожилків інший компенсаторно сприймає додаткове навантаження. У цих умовах локальні навантаження в ділянках сухожилкового каналу зростають у 1,5–2 рази, що може привести до перевищення межі міцності анулярної зв’язки, сухожилка або ділянки його кріплення та викликати їх пошкодження. Так, у випрямленому положенні пальця (міжсегментарні кути дорівнюють 0°) реакції на дію сили в центрі анулярної зв’язки ділянки п’ясно-фалангового суглоба (А₁) та в центрі анулярної зв’язки основної фаланги (А₂) залишаються незмінними при інтактних сухожилках (4,36 Н та 6,53 Н відповідно) та пошкодженні одного з них. При пошкодженні сухожилка поверхневого згинача пальців реакція в центрі анулярної зв’язки проксимального міжфалангового суглоба (А₃) знижується порівняно з інтактними сухожилками (13,59 Н) на 84 % — до значень 2,18 Н. При пошкодженні сухожилка глибокого згинача реакція на дію сили відповідно збільшується на 84 %, що може привести до перенавантаження структур анулярної зв’язки в ділянці А₃.

Реакція на дію сили в центрі анулярної зв’язки дистальної фаланги (А₄) зростає на 100 % щодо норми (1,09 Н) при пошкодженні поверхневого згинача та спадає до 0 при пошкодженні глибокого згинача. Така ж ситуація спостерігається й у центрі анулярної зв’язки дистального міжфалангового суглоба (А₅). Там реакція на дію сили також зростає на 100 % при пошкодженні поверхневого згинача та спадає до 0 при пошкодженні глибокого згинача. У зв’язку з цим випадає функція згинання дистальної фаланги пальця.

В умовах згинання пальця у міжфалангових суглобах на 10° (міжсегментарні кути дорівнюють 10°) ситуація значно змінюється. У ділянках перегину сухожильного каналу над міжфаланговими та п’ясно-фаланговим суглобами реакції на дію сил будуть максимальними. Так, у ділянці А₁ реакція на дію сили підвищується на 100 % порівняно з випрямленим положенням пальця (міжсегментарні кути дорівнюють 0°) та залишається незмінною в умовах як інтактних, так і пошкоджених сухожилків.

У ділянці А₂ значення реакції на дію сили наближується до 0 та зберігається незмінним в умовах як інтактних, так і пошкоджених сухожилків.

У ділянці А₃ реакція на дію сили зменшується на 63 % при пошкодженні сухожилка поверхневого згинача та збільшується на 63 % при пошкодженні сухожилка глибокого згинача.

У ділянці А₄ ситуація аналогічна ділянці А₂: значення реакції на дію сили наближується до 0 та зберігається незмінним в умовах як інтактних, так і пошкоджених сухожилків.

У ділянці А₅ реакція на дію сили зростає на 100 % при пошкодженні сухожилка поверхневого згинача та відсутня (дорівнює 0) при пошкодженні сухожилка глибокого згинача (відсутня функція згинання).

За допомогою вищенаведених обчислень можна вирахувати зусилля в потрібних точках для будь-якого міжсегментарного кута.

У результаті кінцево-елементного моделювання отримано розрахунки напружено-деформованого стану структур згинального апарату пальців кисті (рис. 12–14).

За даними розрахунків, при прикладанні зусилля 50 Н на проксимальний кінець сухожилка глибокого згинача максимальні напруження 15,23 МРа спостерігаються в ділянці прикріплення сухожилка до дистальної фаланги пальця. З урахуванням обмеженої площі контакту дистального кінця сухожилка з кісткою такий рівень напружень в умовах прикладання більших зусиль може перевищувати міцність цієї ділянки та призводити до пошкодження з відривом сухожилка від місця прикріплення. На протязі сухожилкового каналу піки напружень та деформацій з’являються в ділянках проекції міжфалангових суглобів (рис. 12–13). Переміщення закономірно збільшуються у міру віддалення від ділянки прикріплення сухожилка у проксимальному напрямку (рис. 14).

Вірогідність кінцево-елементних розрахунків напружень перевірено аналітично за допомогою розрахункової схеми (рис. 15):

H_B1 = F₁;

H_A5 = H_B1 · cos a;

H_A4 = H_А5  /cos b;

H_A3 = H_А4 · cos y;

H_A2 = H_А3  /cos q;

H_A1 = H_А2 · cos z.

Напруження вираховується за формулою:

                                             Р

                                    Q = ------

                                            F      

де Р — сила, що діє в даній точці; F — площа попереч­ного перерізу сухожилка.

Площа вираховується за спрощеною формулою:

F = a х b,

де a — поздовжній, b — поперечний розміри перерізу сухожилка.

У результаті аналітичного розрахунку отримали показники напруження R_B1, що дорівнюють   50/3 = 16,7 МРа.

Порівнюючи результати розрахунків напруження кінцево-елементним методом — R_B1 = 15,21 МРа (рис. 9) із результатами аналітичних розрахунків (табл. 4) — R_B1 = 16,7 МРа, відзначаємо, що були отримані майже аналогічні дані, які відрізняються на 8,8 %. Із цього можна зробити висновок, що проведені разрахунки є вірогідними та відповідають дійсності.

Висновки

1. Встановлено, що напруження на анулярних зв’язках А₁ та А₂ при обох функціонуючих сухожилках поверхневого й глибокого згиначів, а також у випадку функціонування лише сухожилка глибокого згинача в амплітуді від 0 до 70° згинання змінюється від 4,36 до 15,03 Н та від 6,53 до 0 Н відповідно, а в моделі з функціонуючим сухожилком поверхневого згинача зменшується в 2 рази.

2. Напруження на анулярну зв’язку А₃ при межсегментарних кутах 0° найбільші у випадку цілісності обох сухожилків (13,60 Н), а при зміні межсегментарних кутів до 70° збільшуються на 41 % при функціонуванні лише сухожилка глибокого згинача.

3. Напруження на анулярну зв’язку А₄ при збереженні цілісності лише сухожилка глибокого згинача збільшується в 2 рази порівняно з моделлю з неушкодженими сухожилками (при кутах згинання 0°), але залишається незмінним при кутах 70°.

4. Напруження на зв’язку А₅ при ушкодженні сухожилка поверхневого згинача в діапазоні кутів згинання від 0 до 70° збільшується в 2 рази порівняно з моделлю з неушкодженими сухожилками.

5. Проведені розрахунки показують закономірності розподілу зусиль на згинальний апарат пальців кисті й свідчать про те, що у випадках ізольованого пошкодження сухожилля поверхневого згинача збільшується напруга в дистальних точках фіксації сухожилка глибокого згинача й зв’язкового апарату пальця, що призводить до перенавантаження зони шва при відновленні сухожилка глибокого згинача та анулярних зв’язок.

6. За допомогою біомеханічного експерименту доведено, що при збільшенні навантаження на палець більше допустимих норм за умови функціонуючого сухожилка глибокого згинача підвищується ризик його ушкодження.