The Ilizarov external fixation technique - optimization of the configuration for various clinical scenarios

RDF 

 
This item is provided by the institution :
National Documentation Centre (EKT)
Repository :
National Archive of PhD Theses
see item page
in the web site of the repository *
share



Semantic enrichment/homogenization by EKT

2011 (EN)
Μελέτη της τεχνικής εξωτερικής οστεοσύνθεσης Ilizarov και των εξαρτημάτων της, με στόχο την αναζήτηση - τεκμηρίωση των βέλτιστων συγκροτημάτων για διάφορα κλινικά σενάρια
The Ilizarov external fixation technique - optimization of the configuration for various clinical scenarios

Μητουσούδης, Αθανάσιος

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και κατανό¬ηση της μηχανικής συμπεριφοράς της συσκευής εξωτερικής οστεοσύνθεσης και διατατικής οστεογένεσης Ilizarov καθώς και η διερεύνηση της επί¬δρα¬σης διαφόρων παραμέτρων στη μηχανική συμπεριφορά της διάταξης. Συγ¬κ嬬κριμένα διερευνήθηκε μέσα από συνδυασμένες πειραματικές και αριθ¬μητικές μελέτες η μηχανική συμπερι¬φο¬ρά τόσον απλοποιημένων συ¬σκευών Ilizarov όσον και ολοκληρωμένων συ¬στη¬μάτων. Το βαθμονο¬μη¬με¬νο μοντέ¬λο που προέκυψε με τη βοήθεια των πειραματικών δεδομέ¬νων, χρη¬σι¬μο¬ποιήθηκε για την παραμετρική μελέτη της συσκευής Ilizarov με σκο¬πό να εξαχθούν τελι¬κά συμπεράσματα συναφή με την κλινική πραγματι¬κό¬τητα 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 εξω¬τερικής οστεοσύνθεσης καθώς και κάποια ιστορικά στοιχεία για την εξέλιξή τους. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι βασικές αρχές που διέπουν την οστεο¬γένεση και την πόρωση των καταγμάτων. Επίσης αναλύονται τα συ¬γκρι¬τικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της τεχνικής Ilizarov καθώς και η εμβιομηχανική συμπεριφορά της. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια κριτική ανάλυση των εμβιομηχα¬νικών μελετών που αφορούν τη συσκευή Ilizarov. Ανασκο¬πή¬θηκαν οι δημο¬σιευμένες μελέτες (από κλινική και εμβιομηχανική σκοπιά) στις οποίες με τη χρήση πειραματικών, αριθμητικών και θεωρητικών τεχνι¬κών μελετήθηκε η μηχανική συμπεριφορά της συσκευής Ilizarov υπό διά¬φο¬ρα είδη κατά¬πονήσεων. Τα συμπεράσματα από αυτή την ανασκόπηση χρησιμοποιή¬θη¬καν κατά την εκπόνηση της διατριβής έτσι ώστε να γίνει πλέον ολοκληρω¬μέ¬νη και άρτια η μελέτη της εμβιομηχανικής συμπεριφο¬ράς 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 προέ¬ντα¬σης που επιβάλλεται στα σύρματα. Η απώλεια αυτή υποβαθμίζει σημαν¬τικά τη συνολική μηχανική συμπεριφορά της διάταξης. Συνεπώς κρίθηκε αναγκαίο στο πρώτο στάδιο της εργασίας να επιτευχθεί ο περιορισμός αυ¬τού του φαινόμενου και να μελετηθεί η συμπεριφορά μιας ιδανικής διάτα¬ξης χωρίς απώλεια προέντασης. Τούτο επετεύχθη με τη χρήση κατάλ¬ληλων τεχνικών που περιλάμβαναν ειδικής σχεδίασης περικόχ¬λια καθώς και “stoppers” μορφής ελαίας που τοποθετήθηκαν στα άκρα των συρ¬μάτων. Με τη χρήση αυτής της τεχνικής πραγματοποιήθηκαν πειρα¬ματικές δοκιμές με μια συσκευή Ilizarov αποτελούμενη από δύο δακτυλίους και δύο κάθετα τοποθετημένα σύρματα σε αυτούς. Στη διάταξη επιβλή¬θηκαν θλιπτικά και στρεπτικά φορτία. Τα αποτελέσματα της πειρα¬ματικής μελέτης αξιοποιή¬θηκαν για την σχεδίαση, βαθμονόμηση και επικύ¬ρωση ενός προσομοιώ¬ματος πεπερασμένων στοιχείων της διάταξης Ilizarov. Ιδι¬αίτερη έμφαση δόθηκε στην απόδοση των βασικών γεωμε¬τρικών χαρακτη¬ριστικών της διάταξης Ilizarov καθώς και στην ορθή προσο¬μοίωση των μηχανικών ιδιο¬τή¬των των υλικών και των συνοριακών συνθη¬κών. Το κρισι¬μότερο σημείο στη μοντελοποίηση ήταν η διεπαφή σύρματος – «οστού». Για τη μοντε¬λοποί¬ηση της διεπιφάνειας σύρματος – «οστού» χρησι¬μο¬ποιήθηκαν ειδικά στοιχεία επαφής, έτσι ώστε το σύρμα να μπορεί να ολισθαίνει κατά μήκος του άξονά του. Από το μοντέλο αυτό προέκυψαν συ¬μπε¬ράσματα για τη συνολική κατανομή των τάσεων σε ολόκληρη την κατασκευή και κυρίως για το τασικό πεδίο στη διεπιφάνεια σύρματος - «οστού», όπου εμφανί¬ζονται και οι πιο υψηλές τιμές της τάσης. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια προσπάθεια για την ποσοτικο¬ποίηση 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 κυκλι¬κών (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 αυλοφό¬ρων κοχλιών που το συγκρατούν στο δακτύλιο. Με βάση τα συμπε¬ράσματα από την πειραματική διαδικασία σχεδιάστηκε και επιλύθηκε ένα μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων στο οποίο εισήχθη κατάλληλος μηχανι¬σμός ολί¬σθη¬σης για την προσομοίωση του φαινομένου. Η κατασκευή αυτού του μοντέλου βασίστηκε στα συμπεράσματα τόσο του προηγούμενου κεφαλαί¬ου όσο και στα πειραματικά αποτελέσματα αυτού του κεφαλαίου. Συγκρί¬νοντας τα πειραματικά και τα αριθμητικά αποτελέσματα προέκυψε πολύ καλή συμφωνία μεταξύ τους και συνεπώς συμπεραίνεται ότι επε¬τεύχθη η ακριβής προσομοί¬ωση της συσκευής Ilizarov συμπεριλαμβα¬νο¬μέ¬νου 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 τέσ¬σερις δακτυλίους και οκτώ σύρματα τοποθετημένα ανά δύο σε κάθε δακτύ¬λιο. Αρχικά συναρμολογήθηκε η συσκευή Ilizarov και πραγματοποιή¬θηκαν πειραματικές δοκιμές υπό αξονικά και στρεπτικά φορτία. Μια σημα¬ντική παρατήρηση που προέκυψε από τις δοκιμές αυτές ήταν η διαφορο¬ποίηση των αποτελεσμάτων συνεπεία της ταυτόχρονης ή της μη ταυτό¬χρονης επι¬βο¬λής της προέντασης στα σύρματα του ίδιου δακτυλίου. Στη συνέχεια κα¬τά¬¬σκευάστηκε το παραμετρικό μοντέλο της ολοκληρωμένης συσκευής Iliza¬rov 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 επικύ¬ρωση 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 επιλέχ¬θηκαν για να μελετηθούν είναι η διάμετρος των δακτυλίων, η διάμετρος των συρμάτων, η αρχική προένταση, η θέση του οστού, η απόσταση των δακτυ¬λίων και η σχετική γωνία των συρμάτων. Από αυτή την παραμετρική μελέ¬τη προέκυ¬ψαν 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 ορθότε¬ρη χρήση της συσκευής καθώς και για την περαιτέρω βελτιστοποίησή της
The Ilizarov external xator 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 micro-movements 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 fixaror 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, mathe¬ma¬tical 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 parametricaly 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 experi¬mental 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 rst 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.

Biomechanics
Εξωτερική οστεοσύνθεση
Finite elements
External fixator
Ilizarov
Εμβιομηχανική
Πεπερασμένα στοιχεία

Εθνικό Κέντρο Τεκμηρίωσης (ΕΚΤ) (EL)
National Documentation Centre (EKT) (EN)

2011


Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο (ΕΜΠ)
National Technical University of Athens (NTUA)



*Institutions are responsible for keeping their URLs functional (digital file, item page in repository site)