Μελέτη της τεχνικής εξωτερικής οστεοσύνθεσης Ilizarov και των εξαρτημάτων της, με στόχο την αναζήτηση - τεκμηρίωση των βέλτιστων συγκροτημάτων για διάφορα κλινικά σενάρια

Abstract

The Ilizarov external fixator is a wire circular frame device proposed by Gavriil Ilizarov in Kurgan, Siberia in 1952. The method is based on the main biomechanical principle of axial compressive loads and micromovements stimulating biological bone bridging of the fracture gap. The purpose of the present PhD Thesis was the study of the mechanical performance of the Ilizarov external fixator and the optimization of the configuration for various clinical scenarios. Mechanical tests and finite element analysis were used for the study of the mechanical performance of either simplified or complex frames. The validated and calibrated final model was used for the parametric study of the Ilizarov device. In the first chapter, a general analysis about external fixation is given. The historical background and the classification of the external fixation are presented. Also, the advantages and disadvantages of the Ilizarov external fixation are analysed. Finally, the basic principles of bone regeneration and facture healing are presented. In the second chapter, a critical review of the published studies concerning the biomechanical behaviour of the Ilizarov external fixator is attempted. The Ilizarov external fixator is being studied using mechanical tests, mathematical models and theoretical approaches. The methodology and the results of these studies are presented. Due to the complexity of the Ilizarov frame, it is useful to study the influence of each parameter independently. The study of the mechanical behaviour of a simplified Ilizarov frame is presented in the third chapter. After a series of preliminary mechanical tests it was concluded that the main limitation of the Ilizarov device is pretension loss due to wire slippage through the cannulated bolts. The result of this phenomenon is the reduction of the device rigidity. The method adopted for the elimination of this phenomenon was the combined use of special metal nuts and metal stoppers of the wire (olive-form stoppers) in order to prevent wire slippage. Using this procedure, a standard Ilizarov frame was assembled consisting of two rings and four K-wires. The wires in each ring were placed normally to each other. At the one side of the wire, the above described stopper was used to prevent slippage while at the opposite side the threaded nut was attached after pretension was applied. A numerical analysis followed based on the Finite Element Method in an effort to study parametrically the factors influencing the behaviour and effectiveness of the Ilizarov technique. The numerical model constructed simulated accurately all the geometrical details of the experimental model, the load application mode (axial and torsional) and the mechanical characteristics of the materials used to assemble the frame (stainless steel and acetal). The wire-bone interface conditions were simulated as simple contact with friction. This way the wires were free to slide within the bone, along the wire axis. From the numerical analysis it was concluded that the regions most suspectible to failure are located around the points where the wires are coming in contact with the bone. Both the wire and the bone are under extremely intense stress fields at these regions. An attempt to quantify the pretension loss due to wire slippage is presented in the fourth chapter. First, mechanical tests were performed using a simplified frame in order to measure wire slippage under quasi static loading conditions. As a next step a second series of tests were performed in order to further investigate the pretension loss due to wire slippage under cyclic loading. It is concluded that a critical threshold of the axial strain exists at which sliding occurs. This phenomenon is terminated only when the current load cycle is finished. A numerical analysis followed based on the Finite Element Method in order to create a 3D model of the Ilizarov frame with a sliding mechanism at the ring-wire interface. The numerical model designed accurately simulated all the geometrical details of the experimental set-up, the load application mode and the mechanical characteristics of the materials used to assemble the frame. The experimental data obtained were used for the calibration and validation of the numerical model. Comparing the predictions of the model with the respective experimental data yields an excellent agreement. In the fifth chapter, the mechanical behaviour of a complete Ilizarov frame is studied. The frame consisted of four rings and two wires placed in each ring. As a first step, mechanical tests were performed under axial and torsional cyclic loading. An interesting observation was that alternate tensioning of the wires results in unequal wire tensions, with the tension of the first tensioned wire increasing as the second wire is tensioned. The experimental results were used for the calibration and validation of a Finite Element model. The wire slippage mechanism as well as the alternative tensioning technique were taken into account for the design of this model. In the last chapter of this PhD Thesis, the previously validated model was used for the parametric analysis of various parameters factors affecting the mechanical behaviour of the Ilizarov device. The characteristics that can be modified for each case are quite a few, and that’s why the selection of the optimum configuration is not easy. The parameters which were selected (based on the experience of clinicians) to be studied are the ring diameter, the wire diameter, the initial pretension, the bone location, the distance between the rings and the angle of the wires. Interesting results were drawn from this study concerning the influence of these parameters on the mechanical behaviour of the Ilizarov frame. The final conclusions can be used as guidelines for the optimization of the configuration for various clinical scenarios.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και κατανόηση της μηχανικής συμπεριφοράς της συσκευής εξωτερικής οστεοσύνθεσης και διατατικής οστεογένεσης Ilizarov καθώς και η διερεύνηση της επίδρασης διαφόρων παραμέτρων στη μηχανική συμπεριφορά της διάταξης. Συγκεκριμένα διερευνήθηκε μέσα από συνδυασμένες πειραματικές και αριθμητικές μελέτες η μηχανική συμπεριφορά τόσον απλοποιημένων συσκευών Ilizarov όσον και ολοκληρωμένων συστημάτων. Το βαθμονομημένο μοντέλο που προέκυψε με τη βοήθεια των πειραματικών δεδομένων, χρησιμοποιήθηκε για την παραμετρική μελέτη της συσκευής Ilizarov με σκοπό να εξαχθούν τελικά συμπεράσματα συναφή με την κλινική πραγματικότητα έτσι ώστε να βελτιωθεί αυτή η τεχνική εξωτερικής οστεοσύνθεσης. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται συνοπτικά οι βασικές έννοιες που συνθέτουν το φυσικό αντικείμενο και το κίνητρο της διδακτορικής διατριβής. Συγκεκριμένα δίνονται γενικές πληροφορίες για τις τεχνικές εξωτερικής οστεοσύνθεσης καθώς και κάποια ιστορικά στοιχεία για την εξέλιξή τους. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι βασικές αρχές που διέπουν την οστεογένεση και την πόρωση των καταγμάτων. Επίσης αναλύονται τα συγκριτικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της τεχνικής Ilizarov καθώς και η εμβιομηχανική συμπεριφορά της. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια κριτική ανάλυση των εμβιομηχανικών μελετών που αφορούν τη συσκευή Ilizarov. Ανασκοπήθηκαν οι δημοσιευμένες μελέτες (από κλινική και εμβιομηχανική σκοπιά) στις οποίες με τη χρήση πειραματικών, αριθμητικών και θεωρητικών τεχνικών μελετήθηκε η μηχανική συμπεριφορά της συσκευής Ilizarov υπό διάφορα είδη καταπονήσεων. Τα συμπεράσματα από αυτή την ανασκόπηση χρησιμοποιήθηκαν κατά την εκπόνηση της διατριβής έτσι ώστε να γίνει πλέον ολοκληρωμένη και άρτια η μελέτη της εμβιομηχανικής συμπεριφοράς της διάταξης Ilizarov. Στη συνέχεια στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η πειραματική και αριθμητική διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς μιας απλοποιημένης συσκευής Ilizarov. Μετά την εκτέλεση μακράς σειράς προκαταρκτικών πειραμάτων προέκυψε ότι ο σημαντικότερος ίσως περιορισμός της τεχνικής εξωτερικής οστεοσύνθεσης Ilizarov είναι η απώλεια της αρχικής προέντασης που επιβάλλεται στα σύρματα. Η απώλεια αυτή υποβαθμίζει σημαντικά τη συνολική μηχανική συμπεριφορά της διάταξης. Συνεπώς κρίθηκε αναγκαίο στο πρώτο στάδιο της εργασίας να επιτευχθεί ο περιορισμός αυτού του φαινόμενου και να μελετηθεί η συμπεριφορά μιας ιδανικής διάταξης χωρίς απώλεια προέντασης. Τούτο επετεύχθη με τη χρήση κατάλληλων τεχνικών που περιλάμβαναν ειδικής σχεδίασης περικόχλια καθώς και “stoppers” μορφής ελαίας που τοποθετήθηκαν στα άκρα των συρμάτων. Με τη χρήση αυτής της τεχνικής πραγματοποιήθηκαν πειραματικές δοκιμές με μια συσκευή Ilizarov αποτελούμενη από δύο δακτυλίους και δύο κάθετα τοποθετημένα σύρματα σε αυτούς. Στη διάταξη επιβλήθηκαν θλιπτικά και στρεπτικά φορτία. Τα αποτελέσματα της πειραματικής μελέτης αξιοποιήθηκαν για την σχεδίαση, βαθμονόμηση και επικύρωση ενός προσομοιώματος πεπερασμένων στοιχείων της διάταξης Ilizarov. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην απόδοση των βασικών γεωμετρικών χαρακτηριστικών της διάταξης Ilizarov καθώς και στην ορθή προσομοίωση των μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών και των συνοριακών συνθηκών. Το κρισιμότερο σημείο στη μοντελοποίηση ήταν η διεπαφή σύρματος - «οστού». Για τη μοντελοποίηση της διεπιφάνειας σύρματος - «οστού» χρησιμοποιήθηκαν ειδικά στοιχεία επαφής, έτσι ώστε το σύρμα να μπορεί να ολισθαίνει κατά μήκος του άξονά του. Από το μοντέλο αυτό προέκυψαν συμπεράσματα για τη συνολική κατανομή των τάσεων σε ολόκληρη την κατασκευή και κυρίως για το τασικό πεδίο στη διεπιφάνεια σύρματος - «οστού», όπου εμφανίζονται και οι πιο υψηλές τιμές της τάσης. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια προσπάθεια για την ποσοτικοποίηση της απώλειας της αρχικής προέντασης λόγω της ολίσθησης του σύρματος διαμέσου του αυλοφόρου κοχλία. Αρχικά παρουσιάζονται κάποια προκαταρκτικά πειράματα με μια απλοποιημένη διάταξη υπό μονότονες φορτίσεις. Στη συνέχεια μελετήθηκε το φαινόμενο στην περίπτωση κυκλικών (επαναλαμβανομένων) φορτίσεων. Από τα πειράματα αυτά προέκυψε ότι υπάρχει μια κρίσιμη τιμή της αξονικής δύναμης που εφαρμόζεται στο σύρμα για την οποία άρχεται η ολίσθηση του σύρματος διαμέσου των αυλοφόρων κοχλιών που το συγκρατούν στο δακτύλιο. Με βάση τα συμπεράσματα από την πειραματική διαδικασία σχεδιάστηκε και επιλύθηκε ένα μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων στο οποίο εισήχθη κατάλληλος μηχανισμός ολίσθησης για την προσομοίωση του φαινομένου. Η κατασκευή αυτού του μοντέλου βασίστηκε στα συμπεράσματα τόσο του προηγούμενου κεφαλαίου όσο και στα πειραματικά αποτελέσματα αυτού του κεφαλαίου. Συγκρίνοντας τα πειραματικά και τα αριθμητικά αποτελέσματα προέκυψε πολύ καλή συμφωνία μεταξύ τους και συνεπώς συμπεραίνεται ότι επετεύχθη η ακριβής προσομοίωση της συσκευής Ilizarov συμπεριλαμβανομένου και του φαινομένου της απώλειας της αρχικής προέντασης. Στα πλαίσια του πέμπτου κεφαλαίου έγινε η κατασκευή και η βαθμονόμηση ενός παραμετρικού μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων μιας ολοκληρωμένης σύνθετης διάταξης Ilizarov που αποτελούνταν από τέσσερις δακτυλίους και οκτώ σύρματα τοποθετημένα ανά δύο σε κάθε δακτύλιο. Αρχικά συναρμολογήθηκε η συσκευή Ilizarov και πραγματοποιήθηκαν πειραματικές δοκιμές υπό αξονικά και στρεπτικά φορτία. Μια σημαντική παρατήρηση που προέκυψε από τις δοκιμές αυτές ήταν η διαφοροποίηση των αποτελεσμάτων συνεπεία της ταυτόχρονης ή της μη ταυτόχρονης επιβολής της προέντασης στα σύρματα του ίδιου δακτυλίου. Στη συνέχεια κατασκευάστηκε το παραμετρικό μοντέλο της ολοκληρωμένης συσκευής Ilizarov χρησιμοποιώντας τις τεχνικές που αναφέρθηκαν σε προηγούμενα κεφάλαια αλλά και τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τις πειραματικές δοκιμές αυτού του κεφαλαίου. Τέλος έγινε η βαθμονόμηση και η επικύρωση του μοντέλου αυτού με βάση τα πειραματικά δεδομένα. Στο έκτο κεφάλαιο της διατριβής χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο που προέκυψε από τη διαδικασία που προηγήθηκε, για την παραμετρική μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς της διάταξης Ilizarov. Τα χαρακτηριστικά της συσκευής Ilizarov που μπορούν να μεταβληθούν είναι πάρα πολλά και η επιλογή της κατάλληλης διάταξης για την κάθε περίπτωση δεν είναι πάντα εύκολη για τους γιατρούς στην κλινική πράξη. Οι παράμετροι που επιλέχθηκαν για να μελετηθούν είναι η διάμετρος των δακτυλίων, η διάμετρος των συρμάτων, η αρχική προένταση, η θέση του οστού, η απόσταση των δακτυλίων και η σχετική γωνία των συρμάτων. Από αυτή την παραμετρική μελέτη προέκυψαν ενδιαφέροντα συμπεράσματα για την επίδραση αυτών των παραμέτρων στη μηχανική συμπεριφορά της διάταξης Ilizarov τα οποία θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως κατευθυντήριες οδηγίες για την ορθότερη χρήση της συσκευής καθώς και για την περαιτέρω βελτιστοποίησή της.