Сравнительное исследование влияния глубины сверления на генерирование сжимающей силы с помощью винтов без головки без использования сверла конического и цилиндрического типа

 

Это исследование было проведено для измерения влияния разной глубины сверления на силы сжатия, создаваемые двумя обычно используемыми винтами без головки, с использованием двух разных типов сверл, Acutrak® mini (сверло конического типа) и Synthes 3.0 HCS® (цилиндрический типа сверла).

Методы

Тензодатчик был помещен между двумя блоками Sawbone толщиной 12 и 40 мм соответственно. После размещения направляющего штифта в центре блока глубина сверления винтов Acutrak® mini и Synthes HCS® составляла от 16 до 28 мм и от 22 до 28 мм соответственно. 24-миллиметровые винты были вставлены, и сила сжатия была измерена немедленно и через 30 минут после введения.

Результаты

Acutrak® mini создавал большую силу сжатия по сравнению с Synthes 3.0 HCS® при бурении на глубину менее 24 мм. Усилие сжатия Acutrak® mini показало сильную обратную зависимость от глубины сверления. Не было никакой существенной обратной корреляции между силой сжатия Synthes HCS® и глубиной сверления.

Выводы

Если длина шнека и глубина сверления одинаковы, то Synthes 3.0 HCS® (сверло цилиндрического типа) безопаснее и проще в использовании, так как не имеет изменений в силе сжатия, даже при сверлении, потому что сила сжатия двух винты похожи. Что касается Acutrak® mini (сверло конического типа), хотя оно технически требовательно из-за изменения силы сжатия в зависимости от глубины сверления, в некоторых случаях его можно использовать, поскольку оно может дать более сильное усилие сжатия за счет недостаточного сверления.

Ключевые слова: биомеханика, сила сжатия, тип сверла, глубина сверления, компрессионный винт без головки

 

Вступление

Обычно используются компрессионные винты без головки, предназначенные для поддержания силы сжатия, когда головка вставляется в кость, из-за минимального риска раздражения тканей и повреждения окружающего суставного хряща [  ,  ]. Винты сжатия без головки создают усилие сжатия через различные шаги и диаметры между ведущей и задней резьбой [  ]. Как правило, ведущая нить имеет более широкий шаг резьбы с меньшим диаметром, в то время как концевая нить имеет более узкий шаг и больший диаметр [ ]. Тип сверла может варьироваться в зависимости от разницы диаметров ведущей и хвостовой резьбы, а также от конструкции самого винта. В винтах центрального вала без резьбы, таких как Synthes 3.0 HCS® (Synthes Inc.®, Westchester, PA, USA), которые имеют резьбы на обоих концах и запасной центральный вал, используется сверло цилиндрического типа с постоянным диаметром; Эти винты имеют самонарезающий задний конец. С другой стороны, винты с полным резьбой, такие как Acutrak® Mini (Acumed®, Hillsbro, OR, США), имеют резьбу по всей длине с постепенно увеличивающимся диаметром; эти винты требуют сверло конического типа. Хотя винты центрального вала без резьбы могут создавать постоянную силу сжатия вдоль центрального вала, область без резьбы также может вызывать нестабильность из-за относительно небольшой площади контакта с окружающей тканью. В отличие от этого, винты с переменным шагом с полной резьбой могут создавать различные усилия сжатия вдоль винта, но могут достигать высокой стабильности, создавая большую общую площадь контакта [ ,  ].

Хотя во многих исследованиях сравниваются биомеханические свойства двух типов винтов без сжатия, взаимосвязь между силой сжатия и глубиной сверления не изучалась, особенно при использовании двух разных типов буровых долот [  ,  -  ]. Изменение сил сжатия, создаваемых винтами без головки, может зависеть от типа бурового долота, а также от того, сверло ли сверло или недостаточно. В клинических условиях, если операционный хирург может оценить силу сжатия, создаваемую различными глубинами сверления, можно оптимизировать межфрагментарную силу сжатия, выбрав соответствующее сверло и соответствующую глубину сверления.

Поэтому мы измерили влияние глубины сверления на силу сжатия, создаваемую двумя различными типами винтов без сжатия без головки, которые часто используются для фиксации переломов лопастей и швов: винтами Synthes 3.0 HCS® и Acutrak® Mini.

 

Материал и методы

Винты

Synthes 3.0 HCS® - это титановый винт без головки, состоящий из центрального вала без резьбы и резьб с различными шагами на каждом конце. Ведущая нить имеет диаметр 3 мм и шаг резьбы 1,2 мм, а задняя нить имеет больший диаметр 3,5 мм и более узкий шаг 0,6 мм. Сверло, используемое для Synthes 3.0 HCS®, представляет собой сверло цилиндрического типа с постоянным диаметром 2,0 мм.

Acutrak® mini - это титановый канюлированный винт без головки, который имеет коническую конструкцию с непрерывной резьбой по всей длине. 24-миллиметровый винт имеет дистальный и проксимальный внешние диаметры 2,8 мм и 3,5 мм соответственно, и шаг резьбы постепенно уменьшается от дистального конца к проксимальному концу, где наконечник винта имеет самый широкий шаг резьбы. Сверло конического типа используется для Acutrak® mini; отметки глубины находятся на поверхности бурового долота. В нашем исследовании были протестированы винты с 24-мм винтом Synthes 3.0 HCS® с резьбой и 24-мм Acutrak® mini (рис.  1 ).

Внешний файл, содержащий изображение, иллюстрацию и т. Д. Имя объекта: 13018_2018_1044_Fig1_HTML.jpg

рисунок 1

Мини-сверло Acutrak® имеет конический тип, диаметр которого увеличивается от 2,0 до 3,5 мм от переднего конца к заднему концу. Сверло Synthes 3.0 HCS® имеет цилиндрический тип с постоянным диаметром 2,0 мм.

Модель синтетической кости

В предыдущих исследованиях, в которых тестировались силы сжатия, создаваемые безголовыми компрессионными винтами, образцы трупа использовались в качестве модели кости. Ограничения, связанные с использованием трупной кости, включают различную минеральную плотность внутрикостной кости и потенциальные индивидуальные различия между трупами [  ]. Таким образом, в этом исследовании для модели лопаточной кости была использована твердая полиуретановая пена (Sawbone®, класс 15 pcf, 0,24 г / см3) с постоянной плотностью, сходной с губчатой ​​костью [  ].

Экспериментальная конструкция

Тензодатчик, изготовленный на заказ (DAISOCELL, Республика Корея), был помещен между двумя блоками Sawbone (класс 15 пкф, 0,24 г / см 3 ), которые имели толщину 12 мм и 40 мм соответственно; расстояние между блоками составляло 1 мм. После размещения направляющего штифта в центре блока и сверления до заданной глубины 24-миллиметровый компрессионный винт без головки вставляли до тех пор, пока его головка не вошла в поверхность блока. Для Synthes HCS® винт был вставлен до того момента, когда исследователь решил, что винт полностью сжат с помощью гильзы. Сила сжатия измерялась тензодатчиком сразу и через 30 мин после установки винта (рис.  2).). Глубина сверления Acutrak® mini варьировалась от 16 до 28 мм с шагом 2 мм. Глубина сверления винта Synthes HCS® составляла от 22 до 28 мм с шагом 2 мм. Усилие сжатия измеряли дважды на каждой глубине, а затем рассчитывали среднее значение. Коэффициент регрессии и коэффициент детерминации были рассчитаны с использованием SPSS версии 23 (IBM, Armonk, NY, USA). Значения р <0,05 считались статистически значимыми.

Внешний файл, содержащий изображение, иллюстрацию и т. Д. Имя объекта: 13018_2018_1044_Fig2_HTML.jpg

Рис. 2

Тензодатчик был помещен между блоками Sawbone толщиной 12 и 20 мм (класс 15 пкф, [0,24 г / см3]), что обеспечивало расстояние между блоками 1 мм. После размещения направляющего штифта в центре блока сверление было выполнено на заданной глубине, и винты были вставлены

Результаты

Пиковое усилие сжатия Acutrak® mini составило 65,66 Н / м 2 сразу после введения и 62,92 Н / м 2через 30 минут при глубине сверления 16 мм. Значение сжатия постепенно уменьшалось до 17,35 Н / м 2 и 15,48 Н / м 2 , соответственно, при глубине бурения 28 мм. Усилие сжатия Acutrak® mini показало сильную обратную корреляцию с глубиной сверления ( r  = - 0,998, р  <0,001 сразу после введения и r  = - 0,999, р  <0,001 через 30 мин; рис.  3 ). И наоборот, пиковая сила сжатия Synthes HCS® составила 42,04 Н / м 2 сразу после введения и 33,03 Н / м.2 через 30 мин при глубине сверления 26 мм, которая впоследствии снизилась до 41,16 Н / м 2 и до 31,56 Н / м 2 при глубине сверления 28 мм. Там не было никакого существенного обратная зависимость между силой сжатия Synthes HCS® и глубины сверления ( г  = - 0,532, р  = 0,468 сразу после вставки и г  = - 0,366, р  = 0,634 после 30 мин;. Рис Рис.3) ,3 ) Acutrak® mini обеспечивает большую силу сжатия при бурении на меньшую глубину, тогда как Synthes 3.0 HCS® демонстрирует минимальные изменения силы сжатия независимо от глубины сверления.

Внешний файл, содержащий изображение, иллюстрацию и т. Д. Имя объекта 13018_2018_1044_Fig3_HTML.jpg

Рис. 3

Acutrak® mini показал сильную обратную корреляцию с глубиной бурения, в то время как для Synthes HCS® (R2, коэффициент детерминации) значимой обратной корреляции не наблюдалось.

 

обсуждение

В нескольких исследованиях сравнивалось усилие сжатия, создаваемое винтами сжатия без головки; однако, несколько исследований исследовали точный метод винтовой вставки [  ,  ,  ]. Основываясь на наших выводах, глубина сверления важна для полнопроходного винта Acutrak® с коническим сверлом, и необходимо полное описание метода вставки, поскольку глубина сверления может быть решающим фактором для определения результатов исследования. ,

Наше исследование показало, что при глубине сверления от 16 до 28 мм 24-мм Acutrak® mini продемонстрировал снижение силы сжатия на 3,88 Н / м 2 на каждый 1 мм увеличения глубины сверления, что было подтверждено сильной отрицательной корреляцией между глубина сверления и сила сжатия ( r  = - 0,998, р  <0,001). Для сравнения: усилие сжатия, создаваемое 24-мм винтом Synthes 3.0 HCS®, уменьшалось на 0,077 Н / м 2 при каждом увеличении глубины сверления на 1 мм ( r  = - 0,532, p = 0,468). Хотя Acutrak® mini создавал большую силу сжатия по сравнению с Synthes 3.0 HCS®, сила сжатия, создаваемая Acutrak® mini, значительно уменьшалась с увеличением глубины сверления. Непосредственное усилие сжатия, создаваемое Acutrak® mini, в конечном итоге уменьшилось до того же усилия сжатия, которое было создано Synthes 3.0 HCS® при бурении на глубину 21,9 мм, но достигло того же усилия сжатия через 30 минут, что и Synthes 3.0 HCS® при бурении на глубину 23,6 мм. Таким образом, наши результаты показали, что Acutrak® mini создавал большую силу сжатия по сравнению с Synthes 3.0 HCS® при бурении на глубину менее 24 мм.

Кроме того, различия в силе сжатия, измеренные сразу после установки винта и через 30 минут после введения, были меньше для Acutrak® mini, чем для Synthes 3.0 HCS®. Поскольку Acutrak® mini имеет непрерывную резьбу по всей длине винта, большая площадь общей резьбы в конечном итоге приводит к большей несущей способности губчатой ​​кости. Результат также показал, что, хотя сила сжатия, создаваемая Acutrak® mini, создавалась конструкцией самого винта, сила сжатия, создаваемая втулкой, не полностью поддерживалась винтом в случае Synthes 3.0 HCS®.

Взятые вместе, наши результаты показали, что сверло цилиндрического типа может поддерживать постоянную степень сжатия независимо от глубины сверления, в то время как сверло конического типа может контролировать силу сжатия в соответствии с любой глубиной сверления. Хотя эта характеристика бурового долота конического типа является преимуществом, она также является недостатком из-за значительного снижения силы сжатия при чрезмерном сверлении.

Поэтому, когда требуется сильная сила сжатия, винт с коническим сверлом может использоваться с недостаточным сверлением. Однако, когда подкорковая кость присутствует в направлении движения винта, винт может протолкнуть область разрыва по мере его продвижения и привести к расширению пространства разрыва, несмотря на глубину сверления (рис.  4)). Кроме того, если размер целевого фрагмента кости невелик, кость может растрескиваться, будучи неспособной переносить увеличивающийся диаметр вставляющего винта. Кость небольшого размера, такая как лопаточная кость, также может иметь непредсказуемую подкорковую кость в направлении движения винта в зависимости от угла установки винта. Следовательно, при использовании сверла конического типа требуется точная и аккуратная установка направляющей проволоки, и должна быть определена точная глубина сверления. Когда используется сверло цилиндрического типа, создаваемое усилие сжатия может быть меньше, но действие сверления относительно проще. И наоборот, когда внутрисуставной перелом суставов большого размера, таких как коленный сустав или плечевой сустав, нуждается в уменьшении, сверло конического типа может иметь преимущество в создании большей силы сжатия при недостаточном сверлении,

Внешний файл, содержащий изображение, иллюстрацию и т. Д. Имя объекта 13018_2018_1044_Fig4_HTML.jpg

Рис. 4

При недостаточном сверлении, если подкорковая кость присутствует в ведущем направлении винта, продвигающийся винт может протолкнуть область перелома, расширяя разрыв перелома

Ограничением нашего исследования было то, что сверла конического и цилиндрического типа использовались специально для Acutrak® mini и Synthes 3.0 HCS® соответственно, и влияние сверла на создаваемую силу сжатия не могло быть оценено независимо от винта дизайн. Во-вторых, модель с полиуретановой пилой не может идеально имитировать фактическую структуру кости, что является важным фактором, когда губчатая кость окружена кортикальной костью и субкортикальная кость присутствует в фактическом переломе. Кроме того, фактическая кость имеет очень изменчивую минеральную плотность кости в зависимости от ее местоположения; Таким образом, наши результаты не могут быть легко переведены в клиническую практику, когда они применяются к реальной кости.

 

Заключение

Если длина шнека и глубина сверления одинаковы, то Synthes 3.0 HCS® (сверло цилиндрического типа) безопаснее и проще в использовании, так как не имеет изменений в силе сжатия, даже при сверлении, потому что сила сжатия двух винты похожи. Что касается Acutrak® mini (сверло конического типа), хотя оно технически требовательно из-за изменения силы сжатия в зависимости от глубины сверления, в некоторых случаях его можно использовать, поскольку оно может дать более сильное усилие сжатия за счет недостаточного сверления.

 

Подтверждения

Авторы благодарят MID (Medical Illustration & Design) за помощь в разработке рисунков.

 

финансирование

Финансирование не было получено.

 

Доступность данных и материалов

Пожалуйста, свяжитесь с автором для запросов данных.

 

Сокращения

р Коэффициент корреляции
2 Коэффициент детерминации

 

Вклад авторов

IHK разработал исследование. HSK участвовал в сборе данных. ВТО провела анализ и интерпретацию данных. HJK и YRC внесли свой вклад в рецензирование и редактирование рукописи и критический пересмотр статьи для важного интеллектуального контента. Все авторы были вовлечены в написание рукописи. Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант представленной рукописи.

 

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов.

 

Примечание издателя

Springer Nature остается нейтральным в отношении юрисдикционных претензий на опубликованных картах и ​​институциональных принадлежностей.

 

Информация для авторов

Хён Сик Ким, электронная почта: ca.shuy@111SOSY .

Хо-Чун Кан, электронная почта: ca.shuy@65OHGNAK .

Юн-Рак Чой, электронная почта: ca.shuy@IOHCRY .

Вон Тэк О, электронная почта: ca.shuy@TNOWO .

Il-Hyun Koh, Телефон: 82-2-2228-2180, Электронная почта: ca.shuy@orhik .

 

Рекомендации

1. Фаулер Д.Р., Ильяс А.М. Безголовая компрессионная винтовая фиксация переломов лопаточной кости. Hand Clin. 2010; 26 : 351–361. doi: 10.1016 / j.hcl.2010.04.005. PubMed ] [ CrossRef ]

2. Гарднер А.В., Тис Ю.Т., Нео П.Ю., Лау С.С., Тай С.С. Межфрагментарный компрессионный профиль 4-х винтов без головки: анализ компрессии, потерянной при повторной установке. J Hand Surg Am. 2012; 37 : 1845–1851. doi: 10.1016 / j.jhsa.2012.05.044. PubMed ] [ CrossRef ]

3. Кроуфорд Л.А., Пауэлл Е.С., Трейл И.А. Прочность крепежных винтов костной ткани: исследование in vitro с использованием пенополиуретана. J Hand Surg Am. 2012; 37 : 255–260. doi: 10.1016 / j.jhsa.2011.10.021. PubMed ] [ CrossRef ]

4. Gruszka D, Herr R, Hely H, Hofmann P, Klitscher D, Hofmann A, et al. Влияние различных винтовых конструкций на долговечность фиксации перелома: исследование in vitro с циклическим нагружением костной ткани. УТВЕРЖДАЕТ. 2016; 11 : e0145949. doi: 10.1371 / journal.pone.0145949. PMC бесплатная статья ] [ PubMed ] [ CrossRef ]

5. Ко IH, Кан HJ, Ким JS, Парк SJ, Чой YR. Центральный винт без резьбового вала лучше, чем полностью резьбовой винт с переменным шагом для нестабильного соединения зубчатого венца: биомеханическое исследование. Травма. 2015; 46 : 638–642. doi: 10.1016 / j.injury.2015.01.018. PubMed ] [ CrossRef ]

6. Сугатан Х.К., Килпатрик М., Джойс Т.Дж., Харрисон Дж.В. Биомеханическое исследование изменения силы сжатия вдоль винта Acutrak 2. Травма. 2012; 43 : 205–208. doi: 10.1016 / j.injury.2011.07.011. PubMed ] [ CrossRef ]

7. Ассари С, Дарвиш К, Ильяс А.М. Биомеханический анализ винтов без сжатия второго поколения. Травма. 2012; 43 : 1159–1165. doi: 10.1016 / j.injury.2012.03.015. PubMed ] [ CrossRef ]

8. Гревал Р., Ассини Дж., Саудер Д., Феррейра Л., Джонсон Дж., Фабер К. Сравнение двух компрессионных винтов без головки для оперативного лечения переломов лопаточной кости. J Ортоп Сург Рез. 2011; 6 : 27. doi: 10.1186 / 1749-799X-6-27. PMC бесплатная статья ] [ PubMed ] [ CrossRef ]

9. Харт А., Харви Э.Дж., Рабией Р., Бартелат Ф., Мартино П.А. Прочность фиксации четырех винтов без головки. Med Eng Phys. 2016; 38 : 1037–1043. doi: 10.1016 / j.medengphy.2016.06.025. PubMed ] [ CrossRef ]

10. Робке А.Я., Робке Л.Дж., Гоял К.С. Уменьшение разрыва трещины с помощью винтов без головки с переменным шагом. J Hand Surg Am. 2018; 43 : 385 e1–385 e8. doi: 10.1016 / j.jhsa.2017.10.018. PubMed ] [ CrossRef ]