Резюме
Лійкоподібна деформація грудної клітки є однією з найпоширеніших деформацій грудної клітки, яка призводить не тільки до косметичних проблем у підлітків, але й до серцево-легеневих ускладнень. Основним методом хірургічної корекції є операція Nuss. Залишаються невизначеними питання взаємодії фіксатора і грудинно-реберного комплексу залежно від вибору довжини пластин і місця проведення тунелю для фіксатора всередину грудної клітки і виходу з неї на протилежний бік. Мета: вивчити максимальні відносні деформації і переміщення, які відбуваються в моделі грудної клітки залежно від схеми корекції лійкоподібної деформації грудини. Матеріали та методи. Моделювали 4 схеми корекції лійкоподібної деформації грудної клітки: 1) медіальне проведення фіксатора, точка входу парастернально, з використанням однієї загрудинної пластини з поперечними стабілізуючими планками (коротка пластина); 2) латеральне проведення фіксатора, точка входу і виходу з грудної клітки на рівні передньої пахвової лінії, з використанням однієї загрудинної пластини з поперечними стабілізуючими планками, відповідно загрудинна пластина довша, закінчується на рівні середньої пахвової лінії (довга пластина); 3) подвійна пластина з поперечними планками, що з’єднують пластини за допомогою гвинтів (короткий фіксатор типу «міст») з медіальним проведенням; 4) подвійна пластина з поперечними планками, що з’єднують пластини за допомогою гвинтів (довгий фіксатор типу «міст») з латеральним проведенням. Моделі навантажували розподіленою силою 100 Н, прикладеною до грудини. Результати. При корекції лійкоподібної деформації грудної клітки за допомогою короткої пластини найбільш деформованими виявляються хрящі четвертих ребер — 3,3 %. У хрящах розташованих вище ребер деформації визначаються в межах від 2,7 до 3,1 %. Використання довгої пластини веде до зниження відносних деформацій хряща практично на всіх ребрах. Схема корекції з використанням короткого фіксатора типу «міст» дозволяє значно зменшити деформації всіх реберних хрящів. Максимум спостерігається в хрящах других і перших ребер — 2,0 і 1,8 % відповідно. Заміна короткого фіксатора типу «міст» на довгий веде до того, що деформованими залишаються хрящі верхніх ребер — 1,8 %, деформація поступово знижується до 1,0 % у хрящах четвертих ребер. Максимальні переміщення при всіх схемах корекції лійкоподібної деформації грудини припадають на мечоподібний виросток. Максимальне переміщення 6,0 мм мечоподібного виростка відбувається при використанні короткої пластини. Заміна пластини на довгу веде до зменшення величини переміщення мечоподібного виростка до 5,0 мм. При використанні фіксатора типу «міст» переміщення мечоподібного виростка визначаються на позначках 4 і 3 мм для короткого і довгого фіксатора відповідно. Висновки. Усі досліджені показники свідчать про переваги подвійного фіксатора типу «міст». Медіальне проведення фіксатора (короткі пластини) дає більші коригуючі зусилля на передню грудну стінку при елевації, що варто врахувати при виборі методики корекції. Однак латеральне проведення фіксатора розподіляє коригуючий вплив за площею, що може бути важливим у запобіганні ерозіям тканин внутрішньої стінки грудної клітки, необхідності розширеної елевації западання при плоско-ввігнутих формах лійкоподібної деформації грудини, зменшенні больового синдрому в післяопераційному періоді.
Background. A funnel chest is one of the most common chest deformities, which leads not only to cosmetic problems in adolescents, but also to cardiopulmonary complications. The main method of surgical correction is the Nuss procedure. The issues of the interaction between the fixator and the sternocostal joint depending on the choice of the plate length and the location of the tunnel for the fixator inside the chest to exit it on the opposite side remain undefined. Goal: to study the maximum relative deformities and displacements that occur in the chest model depending on the correction for pectus excavatum. Materials and methods. Four schemes for the correction of a funnel chest were modeled: 1) medial delivery of the fixator, the entry point is parasternal, using one retrosternal plate with transverse stabilizing bars (a short plate); 2) lateral passage of the fixator, the point of entry and exit from the chest is at the level of the anterior axillary line, using one retrosternal plate with transverse stabilizing bars; accordingly, the sternal plate is longer, ends at the level of the midaxillary line (a long plate); 3) a double plate with transverse bars connecting the plates with the help of screws (a short bridge-type fixator) with medial delivery; 4) a double plate with transverse bars connecting the plates with the help of screws (a long bridge-type fixator) with lateral delivery. The models were loaded with a distributed force of 100 N applied to the sternum. Results. When correcting pectus excavatum with a short plate, the cartilages of the fourth ribs turn out to be the most deformed — 3.3 %. In the cartilages of the ribs located above, deformities are in the range from 2.7 to 3.1 %. The use of a long plate decreases the relative deformities of the cartilage on almost all ribs. The scheme of correction using a short bridge-type fixator allows significantly reducing the deformities of all costal cartilages. The maximum is observed in the cartilage of the second and first ribs — 2.0 and 1.8 %, respectively. Replacing a short bridge-type fixator with a long one leads to the fact that the cartilages of the upper ribs remain deformed — 1.8 %, and a deformity gradually decreases to 1.0 % in the cartilages of the fourth ribs. The maximum movements in all schemes for pectus excavatum correction fall on the xiphoid process. The maximum displacement of 6.0 mm in the xiphoid process occurs when using a short plate. Replacing the plate with a long one decreases the displacement of the xiphoid process to 5.0 mm. When using a bridge-type fixator, the displacement of the xiphoid process is determined at the marks of 4 and 3 mm for a short and long fixator, respectively. Conclusions. All the investigated indicators testify to the advantages of a double bridge-type fixator. The medial passage of the fixator (short plates) has greater corrective forces on the anterior chest wall during elevation, which should be considered when choosing a correction technique. However, the lateral application of the fixator distributes the corrective effect by area, which can be important in preventing erosion of the tissues of the inner chest wall, the need for extended elevation of the depression in flat-concave forms of pectus excavatum, and the reduction of pain syndrome in the postoperative period.
Вступ
Лійкоподібна деформація грудної клітки (ЛДГК) є однією з найпоширеніших деформацій грудної клітки. Вона призводить не тільки до косметичних проблем у підлітків, але й до серцево-легеневих ускладнень [1, 2]. На сьогодні основним методом хірургічної корекції ЛДГК є операція Nuss і її модифікації, уперше описані в 1998 р. [3]. Суть методики полягає у встановленні загрудинного фіксатора (металевої пластини), що моделюється дугоподібно для елевації запалої ділянки передньої грудної стінки [4].
Процедура Nuss, яку ще називають малоінвазивною корекцією лійкоподібної деформації грудної клітки (MIRPE), швидко набула популярності й стала методом вибору для дітей у більшості хірургічних центрів [5]. Однак, незважаючи на очевидні переваги нерезекційної методики реконструкції грудної клітки, залишались проблеми, пов’язані з нестабільністю і ротацією фіксатора [6]. Питання стабільності загрудинного фіксатора частково вирішилось із використанням латеральних поперечних стабілізуючих пластинок, що кріпляться до загрудинного фіксатора, а також варіації кріплення фіксатора до грудної клітки [5]. У 2015 році H.J. Park опублікував результати корекції ЛДГК з використанням двох загрудинних пластин, з’єднаних по боках поперечними планками, такий фіксатор автором був названий «міст» [7]. Фіксатор типу «міст» є стабільною конструкцією, що не потребує додаткової фіксації до грудинно-реберного комплексу.
Однак залишається невизначеним питання взаємодії фіксатора й грудинно-реберного комплексу залежно від вибору довжини пластин і точки входу, тобто місця проведення тунелю для фіксатора всередину грудної клітки, і виходу з неї на протилежний бік. Чи впливає точка входу на стабільність? Як змінюються коригуючі зусилля на передню грудну стінку? Саме відповідям на ці питання присвячено наше дослідження.
Мета: вивчити максимальні відносні деформації і переміщення, які відбуваються в моделі грудної клітки залежно від схеми корекції лійкоподібної деформації грудини.
Матеріали та методи
За основу побудови розрахункової моделі взято модель хребта, розроблену в лабораторії біомеханіки ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України» [8–10]. На підставі даних про властивості ребер, наведених у роботах R. Schwend, Z. Li [11, 12], і анатомічні особливості їхнього функціонального руху [13, 14] створено розрахункову скінченно-елементну модель у нормі (рис. 1) і з лійкоподібною деформацією (рис. 2). Розрахунки виконували методом скінченних елементів.
Моделювали 4 схеми корекції лійкоподібної деформації грудної клітки:
1. Медіальне проведення фіксатора, точка входу парастернально, з використанням однієї загрудинної пластини з поперечними стабілізуючими планками (далі — коротка пластина), схеми встановлення фіксатора наведено на рис. 3.
2. Латеральне проведення фіксатора, точка входу і виходу з грудної клітки на рівні передньої пахвової лінії, з використанням однієї загрудинної пластини з поперечними стабілізуючими планками, відповідно загрудинна пластина довша, закінчується на рівні середньої пахвової лінії (далі — довга пластина), схеми встановлення фіксатора наведено на рис. 4.
3. Подвійна пластина з поперечними планками, що з’єднують пластини за допомогою гвинтів (короткий фіксатор типу «міст») з медіальним проведенням, схеми накладення пластин наведено на рис. 5.
4. Подвійна пластина з поперечними планками, що з’єднують пластини за допомогою гвинтів (фіксатор типу «міст») з латеральним проведенням, схеми накладення пластин наведено на рис. 6.
При моделюванні матеріал вважали однорідним та ізотропним. Як скінченний елемент був обраний 10-вузловий тетраедр з квадратичною апроксимацією. Механічні властивості матеріалів відібрано з джерел літератури [15–18]. Використані характеристики (Е — модуль пружності Юнга, ν — коефіцієнт Пуассона) наведені в табл. 1.
Моделі навантажували розподіленою силою 100 Н, прикладеною до грудини. По верхній поверхні тіла хребця СІ і по нижній поверхні тіла хребця LV модель мала жорстке закріплення. Таку схему закріплення обрано, щоб модель не перекидалася при однобічному навантаженні на грудину. Схема навантаження моделей наведена на рис. 7.
Під впливом зовнішніх навантажень будь-яка конструкція деформується. У першу чергу деформації виникають у найбільш слабких елементах конструкції. У нашому випадку навантаження прикладене до грудини,
яка після корекції тисне на металеві пластини, намагаючись повернутися у вихідне положення, тому під його впливом деформуватись повинні реберні хрящі, які мають модуль пружності в 10 разів менший за губчасту кістку (табл. 1). Отже, на всіх моделях вивчали відносні деформації саме реберного хряща як найбільш м’якого і, як наслідок, найбільш сприятливого до деформації елемента моделей.
Показник «відносна деформація» характеризує зміни повздовжнього розміру об’єкта під впливом навантаження відносно його вихідної довжини і визначається рівнянням [19]:
де Δl — величина зміни довжини об’єкта під впливом навантаження; l — вихідна довжина об’єкта до навантаження.
Цей показник є критичним для визначення ймовірності руйнування матеріалу і не залежить від його реальних геометричних розмірів.
З тієї самої причини, що грудина після корекції її деформації тисне на металеві пластини, намагаючись повернутися у вихідне положення, пластини можуть прогинатися, наслідком чого є втрата корекції, досягнутої під час оперативного втручання [20]. Саме тому вивчали величини максимальних переміщень грудини і коригуючих пластин як показник збереження досягнутої корекції.
Побудову моделі здійснювали в програмі SolidWorks [21]. Розрахунки напружено-деформованого стану моделей виконували з використанням програми ANSYS [22].
Результати
На першому етапі роботи вивчали відносні деформації, що виникають у моделі грудної клітки після корекції лійкоподібної деформації грудної клітки. У зв’язку з тим, що реберні хрящі мають найнижчий модуль пружності серед усіх елементів моделі грудної клітки, саме в них повинні відбуватися найбільші деформації. Розподіл відносних деформацій у моделях з різними схемами корекції лійкоподібної деформації грудної клітки наведено на рис. 8.
Проведені дослідження показали, що при корекції лійкоподібної деформації грудної клітки за допомогою короткої пластини найбільш деформованими виявляються хрящі четвертих ребер, де відносні деформації сягають позначки 3,3 %. Великі показники відносних деформацій також визначаються в хрящах розташованих вище ребер, у яких вони спостерігаються в межах від 2,7 до 3,1 %.
У нижній частині грудної клітки рівень відносних деформацій поступово знижується, досягаючи мінімуму 0,7 % у хрящах сьомих ребер. У хрящах ребер з восьмого по десяте відносні деформації визначаються практично на одному рівні — від 1,0 до 1,1 %.
Використання довгої пластини для корекції лійкоподібної деформації грудної клітки веде до зниження відносних деформацій хряща практично на всіх ребрах. Виняток становлять хрящі третіх ребер, де відносні деформації зберігаються на рівні 3,1 %, і хрящі п’ятих ребер, у яких величина відносних деформацій трохи зростає від 1,6 до 1,8 % порівняно з короткою пластиною.
Схема корекції лійкоподібної деформації грудини з використанням короткого фіксатора типу «міст» дозволяє значно зменшити деформації всіх реберних хрящів порівняно з одиночними пластинами. Так, максимум відносних деформацій спостерігається в хрящах других і перших ребер, де вони визначаються на рівні 2,0 і 1,8 % відповідно. Надалі рівень відносних деформацій поступово знижується від 1,5 % у хрящах четвертих ребер до 1,1 % у хрящах п’ятих і шостих ребер. У розташованих нижче ребрах рівень відносних деформацій не перевищує 0,1 %.
Заміна короткого фіксатора типу «міст» на довгий веде до того, що деформованими залишаються хрящі верхніх ребер, де максимум відносних деформацій — 1,8 % визначається в хрящах перших ребер і поступово знижується до 1,0 % у хрящах четвертих ребер. Усі хрящі ребер, розташованих нижче, залишаються практично не деформованими, про що свідчить рівень їх відносних деформацій 0,1 %.
Дані про величини відносних деформацій реберних хрящів при використанні різних схем корекції лійкоподібної деформації грудини наведені в табл. 2.
Діаграма, наведена на рис. 9, дає уявлення про співвідношення величин відносних деформацій реберних хрящів моделей грудної клітки залежно від схеми корекції лійкоподібної деформації грудної клітки.
Наведена діаграма наочно демонструє переваги використання довгих пластин перед короткими і схем із двома паралельними пластинами перед схемами з однією пластиною за критерієм величини відносних деформацій в елементах моделі грудної клітки.
На останньому етапі роботи вивчали максимальні переміщення грудної клітки та металевих пластин залежно від використання схеми корекції лійкоподібної деформації грудини. Картину розподілу переміщень в елементах моделей наведено на рис. 10.
Як бачимо на рис. 10, максимальні переміщення при всіх схемах корекції лійкоподібної деформації грудини припадають на мечоподібний виросток. Так, максимальне переміщення мечоподібного виростка відбувається при використанні короткої пластини і становить 6,0 мм. Заміна пластини на довгу веде до зменшення величини переміщення мечоподібного виростка до 5,0 мм. При використанні фіксатора типу «міст» переміщення мечоподібного виростка визначаються на позначках 4 і 3 мм для короткого і довгого фіксатора відповідно. Переміщення самих пластин у зоні контакту з грудиною трохи нижчі й дорівнюють 5,1 мм для короткої пластини і 4,2 мм для довгої. При використанні схеми з фіксатором типу «міст» найбільші переміщення визначаються на верхніх пластинах і становлять 3,1 і 2,5 мм для короткого і довгого фіксатора відповідно. Нижні пластини прогинаються трохи менше, про що свідчать величини їх переміщень 2,7 мм для короткої пластини і 2,2 мм для довгої.
Наочне уявлення про співвідношення величин переміщень мечоподібного виростка і металевих пластин можна одержати за допомогою діаграми, яка наведена на рис. 11.
З точки зору коригуючої відстані при елевації лійкоподібного западання передньої грудної стінки й прогину фіксатора визначається сильніший вплив на найбільш запалу частину грудної клітки, що припадає на тіло грудини й мечоподібний відросток при застосуванні методу проведення фіксатора медіальніше (парастернально) та відповідно до довжини фіксатора, що закінчується на рівні передньої пахвової лінії (короткі пластини). Також є наочні переваги в розподілі коригуючого впливу на грудну клітку при використанні подвійного фіксатора (типу «міст»).
Висновки
Усі досліджені показники свідчать про переваги подвійного фіксатора типу «міст». Медіальне проведення фіксатора (короткі пластини) дає більші коригуючі зусилля на передню грудну стінку при елевації, що варто врахувати при виборі методики корекції. Однак латеральне проведення фіксатора розподіляє коригуючий вплив за площею, що може бути важливим у запобіганні ерозіям тканин внутрішньої стінки грудної клітки, необхідності розширеної елевації западання при плоско-ввігнутих формах ЛДГК, зменшенні больового синдрому в післяопераційному періоді.
При моделюванні загрудинної пластини перед встановленням, як показує дане дослідження, для запобігання гіперкорекції варто враховувати ступінь вигину центральної частини фіксатора, беручи до уваги, що прогин пластини при медіальному проведенні менший, а коригуючі зусилля більші.
Конфлікт інтересів. Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів і власної фінансової зацікавленості при підготовці даної статті.
Отримано/Received 05.04.2023
Рецензовано/Revised 16.04.2023
Прийнято до друку/Accepted 24.04.2023
Список литературы
1. Liu C., Wen Y. Research progress in the effects of pectus excavatum on cardiac functions. World Journal of Pediatric Surgery. 2020. 3. e000142. doi: 10.1136/wjps-2020-000142.
2. Zens T.J., Casar Berazaluce A.M., Jenkins T.M., Hardie W., Alsaied T., Tretter J.T. et al. The Severity of Pectus Excavatum Defect is Associated with Impaired Cardiopulmonary Function. The Annals of Thoracic Surgery. 2022. 114(3). 1015-1021. https://doi.org/10.1016/j.athoracsur.2021.07.051.
3. Nuss D., Kelly R.E. Jr, Croitoru D.P., Katz M.E. A 10-year review of a minimally invasive technique for the correction of pectus excavatum. Journal of Pediatric Surgery. 1998. 33(4). 545-552.
4. Nuss D., Obermeyer R.J., Kelly R.E. Nuss bar procedure: past, present and future. Annals of Cardiothoracic Surgery. 2016. 5(5). 422-433. https://doi.org/10.21037/acs.2016.08.05.
5. Park H.J., Lee S.Y., Lee C.S., Youm W., Lee K.R. The Nuss procedure for pectus excavatum: Evolution of techniques and early results on 322 patients Ann. Thorac. Surg. 2004. 77. 289-295. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14726081.
6. Hebra A., Swoveland B., Egbert M., Tagge E.P., Georgeson K., Othersen H.B., Nuss D. Outcome analysis of minimally invasive repair of pectus excavatum: review of 251 cases. Journal of Pediatric Surgery. 2000. 35(2). 252-258.
7. Park H.J., Kim K.S., Moon Y.K., Lee S. The bridge technique for pectus bar fixation: a method to make the bar un-rotatable. Journal of Pediatric Surgery. 2015. 50(8). 1320-1322.
8. Радченко В.О., Попсуйшапка К.О., Яресько О.В. Дослідження напружено-деформованого стану моделі хребта за різноманітних методик хірургічного лікування вибухових переломів грудопоперекового відділу (частина перша). Ортопедия, травматология и протезирование. 2017. (1). 27-33. DOI: 10.15674/0030-59872017127-33.
9. Головаха М.Л., Тяжелов А.А., Летучая Н.П., Суббота И.А., Карпинский М.Ю. Биомеханические аспекты экспериментального исследования функционального лечения S-образной сколиотической деформации позвоночника. Травма. 2018. 19(1). 58-68. DOI: 10.22141/1608-1706.1.19.2018.126661.
10. Головаха M.Л., Тяжелов А.A., Летучая Н.П., Суббота И.A., Карпинский M.Ю. Биомеханические аспекты экспериментального исследования функционального лечения С-образной сколиотической деформации позвоночника. Травма. 2019. 20(3). 32-41. DOI: 10.22141/1608-1706.3.20.2019.172091.
11. Schwend R.M., Schmidt J.A., Reigrut J.L. et al. Patterns of rib growth in the human child. Spine Deformity. 2015. 3(4). 297-302. DOI: 10.1016/j. jspd.2015.01.007.
12. Li Z., Kindig M.W., Subit D., Kent R.W. Influence of mesh density, cortical thickness and material properties on human rib fracture prediction. Medical Engineering & Physics. 2010. 32(9). 998-1008. DOI: 10.1016/j. medengphy.2010.06.
13. Dworzak J., Lamecker H., von Berg J. et al. 3D reconstruction of the human rib cage from 2D projection images using a statistical shape model. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. 2010. 5(2). 111-124. DOI: 10.1007/s11548-009- 0390-2.
14. Mohr M., Abrams E., Engel C. et al. Geometry of human ribs pertinent to orthopedic chest-wall reconstruction. Journal of Biomechanics. 2007. 40. 1310-1317. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2006.05.017.
15. Awrejcewicz J., Luczak B. Dynamics of human thorax with Lorenz pectus bar. Proceeding XXII symposium “Vibrations in physical systems”. Poznan: Bеdlewo, 2006.
16. Yoganandan N., Kumaresan S.C., Voo L. et al. Finite element modeling of C4-C6 cervical spine unit. Medical Engineering & Physics. 1996. 18(7). 569-574. DOI: 10.1016/1350-4533(96)00013-6.
17. Кнетс И.В., Пфафрод Г.О., Саулгозис Ю.Ж. Деформирование и разрушение твердых биологических тканей. Рига: Зинатне, 1980. 320 с.
18. Березовский В.А., Колотилов Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека: Справочник. Киев: Наукова думка, 1990. 224 с.
19. Писаренко Г.С., Квітка О.Л., Уманський Е.С. Опір матеріалів: Підручник. За ред. Г.С. Писаренко. Київ: Вища школа, 2004. 655 с.
20. Пилипко В.М., Левицький А.Ф., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д. Експериментальні дослідження величини прогину пластини для корекції лійкоподібної деформації грудної клітки під впливом згинаючого навантаження. Paediatric Surgery (Ukraine). 2023. 1(78). 35-41. doi: 10.15574/PS.2023.78.35.
21. Kumar K., Zindani D., Davim J.P. Mastering SolidWorks. Practical Examples. Springer Cham, 2020. 316. doi: 10.1007/978-3-030-38901-7.
22. Rao S.S. The Finite Element Method in Engineering: Fifth Edition. Elsevier Science, 2010. 726.
/55.jpg)
/56.jpg)
/54.jpg)
/57_2.jpg)
/57.jpg)
/57_3.jpg)
/58.jpg)
/59.jpg)