Παραμετρική μελέτη της μεθόδου εξωτερικής οστεοσύνθεσης ilizarov με μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ιστορική και βιβλιογραφική ανασκόπηση καθώς και η παραμετρική μελέτη της μεθόδου εξωτερικής οστεοσύνθεσης Ilizarov, για την βελτιστοποίησή της εφαρμογής της στην κλινική πράξη. Η συσκευή Ilizarov αποτελεί την βάση όλων των μετέπειτα μεθόδων οστεοσύνθεσης που εξελίσσονται μέχρι και σήμερα. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται ιστορική ανασκόπηση της ζωής και του έργου του Γαβριήλ Αμπράμοβιτς Ιλιζάροφ, καθώς και η περιγραφή της συσκευής του. Επίσης, γίνεται αναφορά στα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα χρήσης της μεθόδου, ενώ περιγράφεται και η διαδικασία της διατατικής οστεογένεσης. Τέλος, φαίνεται από την αναδρομή το πώς γνωστοποιήθηκε η μέθοδος στην δύση και ότι υπήρχε μεγάλη καθυστέρηση στην αναγνώριση και εφαρμογή της μεθόδου, ενώ στη Ρωσία ήταν ήδη διαδεδομένη από το 1950. Δεν διασώζονται αρχικά έργα και άρθρα του Ilizarov στην Αγγλική γλώσσα λόγω της μυστικότητας που επικρατούσε για την διάδοση στη δύση από τον ίδιο αλλά και από τους Ρώσους χειρούργους. Στο δεύτερο κεφάλαιο επιδιώκεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση σύγχρονων και παλαιότερων ερευνών σχετικά με την μέθοδο του Ilizarov. Αναφέρονται άρθρα που έχουν σχέση με πειραματικές μελέτες της συσκευής, έρευνες πεπερασμένων στοιχείων με προσομοιώσεις μοντέλων, αλλά και άρθρα σχετικά με κλινικές ορθοπεδικές περιπτώσεις στην πράξη. Επίσης, κάποια από τα άρθρα περιγράφουν την μέθοδο διατατικής οστεογένεσης καθώς και τις επιπλοκές της κατά την εφαρμογή της. Τέλος, περιλαμβάνονται μελέτες που εξετάζουν ολόκληρη την συσκευή, ή συγκεκριμένες παραμέτρους και τμήματα της συσκευής. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται παραμετρική ανάλυση της συσκευής Ilizarov με την μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιώντας το μοντέλο που αναπτύχθηκε από τον Δρα Μητουσούδη Αθανάσιο κατά την εκπόνηση της Διδακτορικής διατριβής του. Το μοντέλο αυτό επεξεργάστηκε έτσι ώστε να έχει δύο δακτυλίους αντί τέσσερις και αξονική φόρτιση 500Ν αντί 700Ν. Οι παράμετροι που μελετήθηκαν είναι τρείς, η διάμετρος των δακτυλίων, η διάμετρος των συρμάτων και η απόσταση των δακτυλίων. Παρουσιάζονται τα διαγράμματα φόρτισης μετατόπισης και στιβαρότητας για κάθε περίπτωση, ενώ αναγράφονται και οι πίνακες των μετατοπίσεων και των τιμών ακαμψίας για κάποιες κοινές τιμές φορτίσεων. Στο τέταρτο κεφάλαιο συνοψίζονται όλα τα τελικά αποτελέσματα από τις τρείς περιπτώσεις και γίνεται σύγκριση με τα αποτελέσματα προηγούμενης διατριβής. Η περίπτωση της διαμέτρου των δακτυλίων αποδείχθηκε και η κυριότερη παράμετρος που επηρεάζει περισσότερο από οποιαδήποτε άλλη την στιβαρότητα της διάταξης. Η διάμετρος των συρμάτων επηρεάζει σε μικρότερο βαθμό, ενώ τα αποτελέσματα από την απόσταση των δακτυλίων επιβεβαιώνουν την βιβλιογραφία. Συγκεκριμένα, όσο περισσότερο πλησιάζουν ή απομακρύνονται οι δακτύλιοι μεταξύ τους, τόσο πιο ασταθής και λιγότερο στιβαρή γίνεται η συσκευή. Τέλος, παρουσιάζονται προτάσεις για περεταίρω μελλοντική έρευνα στην τεχνική αυτή έτσι ώστε να βελτιωθεί εμβιομηχανικά και πρακτικά ως προς όφελος του ασθενή.

The purpose of this project thesis is the historical, literature review and parametric study using the method of Ilizarov’s external fixation in order to optimize its implementation in the everyday clinical use. The Ilizarov fixator is the basis for all the subsequent fixation methods which still develop over time. In the first chapter, a historical overview is given concerning the life and work of Gabriil Abramovich Ilizarov and a general description of the fixator, too. Furthermore, references are made regarding the advantages and disadvantages concerning the use of this method, while the process of distraction osteogenesis is described. Finally, it appears from how the method became known to the west that there was a big delay in the recognition and application of the method, which had already been widespread in Russia since 1950. Original works and articles written by Ilizarov are not preserved in English language because of the secrecy that prevailed between him and the Russian surgeons. The second chapter seeks a literature review of current and past research on the method of Ilizarov. Articles are given that involve experimental studies of the frame, finite element modeling and simulations, and also articles concerning clinical orthopedic cases in practice. Moreover, some of the articles describe the method of distraction osteogenesis and its implications. Finally, studies which examine the entire or some specific parts of the fixator are included. The third chapter includes a parametric analysis of the Ilizarov apparatus with a finite element model made by Dr Mitousoudis Athanasios for his PhD thesis. The model was altered so as to have two rings, instead of four, and 500N axial load, instead of 700N. The three parameters that have been studied are the diameter of the rings, the diameter of the wires and the distance between the rings. Diagrams of load-displacement and stiffness are displayed for each case, while the tables of displacement and axial stiffness are given for certain values of load. The fourth chapter summarizes all the final results of the three cases and compares them with results of the previous dissertation. The case of the diameter of rings proved to be the main factor that affects more than any other the stiffness of the device. The wires’ diameter affects less the mechanical properties of the device, while the results of the distance for the rings confirm those of the literature. Specifically, the more the distance between the rings increases or decreases, the more unstable the device becomes, while the stiffness decreases. Finally, further suggestions are made for future research on this method in order for it to improve both biomechanically and practically for the benefit of the patients.