Компьютерное моделирование биомеханических систем "бедренная кость - эндопротез / трансплантат - большеберцовая кость" при различных способах пластики передней крестообразной связки коленного сустава

Автор: Шорманов A.M., Иванов Д.В., Норкин А.И., Ульянов В.Ю., Бахтеева Н.Х., Климов С.С., Чибрикова Ю.А.

Журнал: Саратовский научно-медицинский журнал @ssmj

Рубрика: Дерматовенерология

Статья в выпуске: 3 т.13, 2017 года.

Бесплатный доступ

Цель: определить показатели перемещения (смещения) и эффективного напряжения в биомеханических системах «бедренная кость — эндопротез /трансплантат — большеберцовая кость» при различных способах пластики передней крестообразной связки путем компьютерного моделирования коленного сустава, характеризующегося геометрическим и физико-механическим подобием человеку. Материал и методы. Численно с помощью метода конечных элементов, реализованного в системе конечно-элементного анализа ANSYS, решались стационарные задачи о нагружении коленного сустава после пластики передней крестообразной связки различными способами. Результаты. Максимальные перемещения составили 3,45 мм для способа однопуч-ковой пластики передней крестообразной связки, 0,35 мм для способа двухпучковой пластики и 0,93 мм для способа пластики с использованием сухожилия полусухожильной и нежной мышц. Максимальные напряжения составили 1190 МПа для способа однопучковой пластики передней крестообразной связки, 141 МПа для способа двухпучковой пластики и 150 МПа для способа пластики с использованием сухожилия полусухожильной и нежной мышц. Заключение. Конечно-элементное моделирование различных видов пластики передней крестообразной связки коленного сустава свидетельствует о большей устойчивости к нарастающим нагрузкам синтетического эндопротеза в условиях моделирования двухпучковой пластики и трансплантата из сухожилий полусухожильной и нежной мышц по сравнению с однопучковой пластикой.

Еще

Биомеханика, коленный сустав, компьютерное моделирование, пластика передней крестообразной связки, система "бедренная кость - эндопротез / трансплантат - большеберцовая кость"

Короткий адрес: https://sciup.org/14918545

IDR: 14918545

Текст научной статьи Компьютерное моделирование биомеханических систем "бедренная кость - эндопротез / трансплантат - большеберцовая кость" при различных способах пластики передней крестообразной связки коленного сустава

ническая адаптация в новых условиях функционирования занимает длительное время [6]. Применение синтетических материалов, в свою очередь, позволяет повысить прочность фиксации, однако в ряде случаев сопровождается «выскальзыванием» эндопротеза и возникновением нестабильности коленного сустава в послеоперационном периоде [7, 8].

До настоящего времени при пластике передней крестообразной связки у пациентов с травмами коленного сустава для специалистов практического здравоохранения остаются дискутабельными два вопроса: какой трансплантат использовать в зависимости от конкретной клинической ситуации и каким способом его фиксировать с точки зрения оптимальной биомеханики?

Цель: определить показатели перемещения (смещения) и эффективного напряжения в биомеханических системах «бедренная кость — эндопротез / трансплантат — большеберцовая кость» при различных способах пластики передней крестообразной связки путем компьютерного моделирования коленного сустава, характеризующегося геометрическим и физико-механическим подобием человеку.

Материал и методы . Численно с помощью метода конечных элементов, реализованного в системе

ANSYS, решали стационарные задачи о нагружении коленного сустава человека после пластики передней крестообразной связки различными способами (рис. 1). 2D-модели коленного сустава вместе с трансплантатом были воссозданы в системе автоматизированного проектирования SolidWorks, затем их импортировали в расчетный модуль Static Structural и разбивали на четырехугольную вычислительную сетку (рис. 2). Проводили анализ сеточной сходимости, определяли размер элемента сетки, при котором ее дальнейшее измельчение не вносило каких-либо изменений в численные результаты расчетов. Размер ребра четырехугольного элемента вычислительной сетки был определен в 1 мм. Рассматривали нагружение каждой из моделей осевой силой, направленной вертикально вверх и равной 100 Н (рис. 3). Считали, что материалы костной ткани, винтовых фиксаторов и трансплантата были изотропными, идеально упругими. При моделировании учитывали большие (конечные) деформации моделей.

Характеристики напряженно-деформированного состояния костной ткани, винтовых фиксаторов и трансплантата задавались в соответствии с литературными данными и данными натурных экспериментов, проводившихся ранее в образовательно-научном институте наноструктур и биосистем Саратовского национального исследовательского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского.

Результаты . В геометрической модели однопучковой пластики передней крестообразной связки коленного сустава с использованием синтетических эндопротезов максимальные перемещения составили 3,45 мм; двухпучковой пластики с использованием синтетических эндопротезов 0,35 мм и пластики с использованием трансплантата из мышц сухожилия полусухожильной и нежной мышц 0,93 мм. Отношение величин максимальных смещений для способов одно- и двухпучковой пластики передней крестообразной связки синтетическими эндопротезами составило порядка 10 единиц, что вполне соответствовало тенденции, отмеченной при проведении натурных экспериментов на разрывной машине. Для способов двухпучковой пластики передней крестообразной связки синтетическим эндопротезом и пластики с использованием трансплантата из сухожилий полусухожильной и нежной мышц максимальные смещения были сопоставимы по величине и не превышали 1 мм (рис. 4).

Расчет эффективных напряжений (по Мизесу) показал, что в модели однопучковой пластики передней крестообразной связки коленного сустава с использованием синтетических эндопротезов их максимальные величины составили 1190 МПа, двухпучковой пластики с использованием синтетических эндопротезов 141 МПа и пластики трансплантатом из сухожилий полусухожильной и нежной мышц 150 МПа. Отношение величин максимальных эффективных напряжений для способов одно- и двухпучковой пластики передней крестообразной связки синтетическими эндопротезами также составило приблизительно 8,5 единицы, что также не отличалось от данных натурных экспериментов на разрывной машине. Для способов двухпучковой пластики передней крестообразной связки синтетическим эндопротезом и пластики с использованием трансплантата из сухожилий полусухожильной и нежной мышц эффективные напряжения не превышали 1 единицы (рис. 5, 6).

Обсуждение . Полученные нами данные численного эксперимента свидетельствуют о том, что в

Рис. 1. Модель коленного сустава после пластики передней крестообразной связки ( слева — однопучковая пластика синтетическим эндопротезом; посередине — двухпучковая синтетическим эндопротезом; справа — трансплантатом из сухожилий полусухожильной и нежной мышц)

Рис. 2. Вычислительная четырехугольная сетка для моделей коленного сустава ( слева — однопучковая пластика синтетическим эндопротезом; посередине — двухпучковая синтетическим эндопротезом; справа — трансплантатом из сухожилий полусухожильной и нежной мышц)

Рис. 3. Граничные условия: закрепление и нагружение ( слева — однопучковая пластика синтетическим эндопротезом; посередине — двухпучковая синтетическим эндопротезом; справа — трансплантатом из сухожилий полусухожильной и нежной мышц)

условиях придания осевой нагрузки, направленной вертикально вверх и равной 100 Н на модели коленного сустава в условиях различных видов пластики передней крестообразной связки, последние будут работать без механического разрушения. Полученные нами данные сопоставимы с существующими литературными сведениями о показателях напря-

Рис. 4. Максимальные перемещения (смещения) в рассчитанных моделях при нагрузке 100 Н ( слева — однопучковая пластика синтетическим эндопротезом; посередине — двухпучковая синтетическим эндопротезом; справа — трансплантатом из сухожилий полусухожильной и нежной мышц)

Рис. 5. Эффективные напряжения в моделях коленного сустава при нагрузке 100 Н ( слева — однопучковая пластика синтетическим эндопротезом; посередине — двухпучковая синтетическим эндопротезом; справа — трансплантатом из сухожилий полусухожильной и нежной мышц)

Рис. 6. Эффективные напряжения в моделях трансплантатов при нагрузке 100 Н ( слева — однопучковая пластика синтетическим эндопротезом; посередине — двухпучковая синтетическим эндопротезом; справа — трансплантатом из сухожилий полусухожильной и нежной мышц)

женно-деформированного состояния костной ткани, винтовых фиксаторов и трансплантатов [9, 10].

С точки зрения конечно-элементного анализа предложенный нами оригинальный способ двухпучковой пластики передней крестообразной связки коленного сустава синтетическим эндопротезом по сравнению с однопучковой пластикой с использованием аналогичного пластического материала является более предпочтительным с точки зрения биомеханики ввиду достижения более высокой стабильности коленного сустава в послеоперационном периоде. Наряду с этим, возникающие меньшие напряжения в синтетическом эндопротезе при двухпучковой пластике передней крестообразной связки свидетельствуют о более высоких его прочностных характеристиках и, возможно, более высоком сроке амортизации. В модели пластики передней крестообразной связки с использованием трансплантата из сухожилий полусухожильной и нежной мышц величины максимальных перемещений и эффективных напряжений сопоставимы со способом двухпучковой пластики синтетическим эндопротезом, что свидетельствует об одинаковой жесткости фиксации и прочности.

Заключение . Конечно-элементное моделирование различных видов пластики передней крестообразной связки коленного сустава свидетельствует о большей устойчивости к нарастающим нагрузкам синтетического эндопротеза в условиях моделирования двухпучковой пластики и трансплантата из сухожилий полусухожильной и нежной мышц по сравнению с однопучковой пластикой.

Список литературы Компьютерное моделирование биомеханических систем "бедренная кость - эндопротез / трансплантат - большеберцовая кость" при различных способах пластики передней крестообразной связки коленного сустава

  • Шорманов A.M., Богатое В. Б., Садыков Р.Ш. Способ пластики передней крестообразной связки коленного сустава у взрослых: патент RU 2506057 С1. Опубл. 10.02.2014. Бюл. 4
  • Шорманов A.M., Садчиков Д.Д., Бахтеева Н.Х., Ульянов В.Ю. Клинико-экспериментальное обоснование оригинального способа пластики передней крестообразной связки коленного сустава. В сб.: Технологические инновации в травматологии, ортопедии и нейрохирургии: интеграция науки и практики. 2017; с. 342-344
  • Шорманов A.M., Бахте-ева H.X., Норкин А. И. и др. Результаты применения синтетических имплантатов в лечении повреждений передней крестообразной связки. Современные проблемы науки и образования 2015; (5): 345
  • Шорманов A.M., Бахтеева H.X., Садыков P.111. и др. Результаты применения двухпучковой пластики передней крестообразной связки синтетическим имплантатом при ее полном разрыве. Саратовский научно-медицинский журнал 2015; 11 (4): 566-569
  • Билич ГЛ., Крыжановский В.А., Николен-ко В.Н. Анатомия человека: в 3 т. Т. 1: Атлас. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013; 696 с.
  • Капанджи А.И. Нижняя конечность: Функциональная. M.: Эксмо, 2014. Т. 2; 368 с.
  • Воронов А. В. Имитационное биомеханическое моделирование как метод изучения двигательных действий человека. Теория и практика физической культуры 2004; (2): 48-49
  • Джонсон Г.Д., Амендола А., Барбер Ф.А. и др. Оперативная артроскопия. М.: Изд-во Панфилова, 2015; 560 с.
  • Larsen MW, Garrett WEJr, Delee JC, et al. Surgical management of anterior cruciate ligament injuries in patients with open physes. J Am Acad Orthop Surg 2006; 14(13): 736-744
  • Steckel H, Starman JS, Baums MH, et al. Anatomy of the anterior cruciate ligament double bundle structure: a macroscopic evaluation. Scand J Med Sci Sports 2007; (17): 387-392.
Еще
Статья научная