CC BY
21
Орипнальы досл1дження
Original Researches
УДК 612.76+616.727.2-001-008.63 DOI: 10.22141/1608-1706.3.18.2017.105357
Лазарев I.A., Страфун С.С., Ломко В.М., Скибан М.В. ДУ «1нститут травматологи та ортопедн НАМН Укра'ни», м. Ки'/в, Украина
Анал1з змш напружено-деформованого стану в суглобов1и губ1 лопатки в умовах р1зних тип1в
ïï пошкодження
Резюме. Актуальнсть. Пошкодження суглобовоi губи лопатки е досить поширеною проблемою плечового суглоба. Наявнсть Це1 патологи в длянц задньоi порци суглобовоi губи залежно вд типу ii пошкодження зна-чно збльшуе показники напружень на суглобовий хрящ, що призводить до розвитку та прогресування деге-неративнихзмн у плечовому суглобi, прискорення артрозу тареал'заци задньо1' нестабльност плеча. Така ситуаця нацлюе хрурга на визначення тактики оперативного втручання, спрямовано1' на розвантаження по-шкоджено1 длянки та усунення бомеханчного дисбалансу. Метадослдження — вивчення клиЫно значимих пошкоджень суглобово1' губи лопатки залежно вд типу ii пошкодження на основi бомеханчного аналзу змн напружено-деформованого стану (НДС) контактних поверхонь плечового суглоба та обрунтування тактики лкування цих пошкоджень. Матерали та методи. Розрахунки НДС елемент'в плечового суглоба методом скнченних елемент'в були проведен на основi СКТ-сканiв нтактного плечового суглоба за допомогою про-грамного пакета Mimics в автоматичному та напвавтоматичному режимах, вдтворена просторова геоме-тр'я плечового суглоба. Засобами SolidWorks створен iмiтацiйнi комп'ютерн 30-моделi нтактного плечового суглоба та з трьома типами пошкоджень суглобово1' губи. Вивчали НДС на структурах плечового суглоба при р'вних значеннях кута вдведення та ротаци плечово1'кстки (нейтральне, вдведення верхньо1' кнцвки на 0-20-40-60°, внутршня ротаця 0-20-40° та комбiнацiя цих рух'в). Критер'ями оцнки НДС були напруження за М'шсом, контактн напруження та максимальн деформаци. Результати. Уа типи пошкоджень суглобово1' губи при р'зних положеннях кнцвки в плечовому суглоб'1 призводять до значного збльшення показникв напружень та деформацй у контактн й зон. У нейтральному положенн кнцвки пошкодження суглобово1' губи I типу викликае збльшення напружень на губi у 8разв, II типу — у 30раз'в, III типу — у 3 рази пор'вняно з нтакт-ною моделлю. У положенн вдведення кнцвки до кута 60° та внутршньо1 ротаци 40° пошкодження суглобово1' губи I типу викликае збльшення напружень на губi в 5раз'в, II типу — у 18 раз'в, III типу — на 14 % пор'вняно з нтактною моделлю. Максимальн значення НДС на елементах плечового суглоба (суглобова губа, головка плечово1'кстки) спостергаються в положенн вдведення кнцвки до 60° та внутршньо1 ротаци 40°, i вони вищi, нж у нейтральному положенн кнцвки. В умовах пошкодження суглобово1' губи II типу спостергаеться екс-тремальне зростання показникв напружень в уах положеннях у плечовому суглобi, як на самй суглобовй губi (у 30 разiв), так i на головц плечово1' кстки (у 2,7 раза). з збльшенням кута вдведення та внутршньо1'ротаци в суглоб'1 значення НДС на самй суглобовй губi значно збльшуються (у 18 разв), сягаючи значень напружень 101,68 МРа та деформацй 60,77 мм у положенн вдведення кнцвки до 60° та при внутршнй ротаци 40°. Зрос-тають показники НДС i на головц плечово1' кстки (в 1,4раза). Висновки. Виявлено, що найбльший дисбаланс стаблзуючих структур плечового суглоба виникае при вдшаруванн суглобово1' губи та стае критичним при його комбнаци з розривом, тод як сам по соб'1 iзольований розрив не призводить до критичних змн напруження та деформаци на структурах плечового суглоба. Доцльно проводити фксацю вдшаровано1' длянки суглобово1' губи при виявленн це1 патологи пд час артроскопчного втручання, що дозволить збалансувати напруження та деформаци на структурах плечового суглоба при здмсненн найбльш типових рухв. Ця процедура дозволить уникнути раннього розвитку артрозу та задньо1' нестабльност плечового суглоба. Ключовi слова: плечовий суглоб; суглобова губа лопатки; задня нестабльнсть; скнченно-елементне мо-делювання; напруження i деформаци
Травма
© «Травма», 2017 © Trauma, 2017
© Видавець Заславський О.Ю., 2017 © Publisher Zaslavsky O.Yu., 2017
Для кореспонденцп: Лазарев I.A., ДУ «1нститут травматологи та ортопедн НАМН Укра'ши», вул. Бульварно-Кудрявська, 27, м. Кш'в, 01601, Укра'ша; e-mail: [email protected]
For correspondence: I. Lazarev, State Institution "Institute of Traumatology and Orthopaedics NAMS of Ukraine", Bulvarno-Kudriavska st., 27, Kyiv, 01601, Ukraine; e-mail: [email protected]
Вступ
Пiд час apTpocKoni4Horo втручання з приводу по-шкоджень суглобово! губи плечового суглоба (ПС) до-сить часто спостерiгаeться пошкодження задньо! пор-ци губи рiзного типу. Подiбнi механiчнi пошкодження e одшею з причин розвитку задньо! нестабтьносл ПС. У такш ситуацй' хiрург повинен визначитись щодо тактики л^вання. Можливi варiанти хiрургiчних маншу-ляцiй залежать вiд багатьох факторiв, головним з яких е тип пошкодження суглобово! губи. Поеднання цих важливих факторiв обумовлюе термiни функцюнуван-ня структур ПС та його стабтьшсть в умовах повсяк-денного навантаження. Неврахування !'х призводить до досить швидкого розвитку та прогресування деге-неративних змiн у плечовому суглобi та розвитку реа-лiзовано! задньо! нестабiльностi. В умовах поеднаного пошкодження головки та губи тактика хiрурга нащле-на передусiм на усунення бiомеханiчного дисбалансу в порожниш суглоба i полягае у фшсаци пошкодже-но! частини губи та вщновленш суглобово! поверхнi плечово! истки. Так, край дефекту пошкоджено! губи становить собою мюце концентраци локальних напру-жень i деформацiй за рахунок зменшення контактно! зони та збтьшення середнього контактного зусилля.
Величини напруження на головцi плеча та суглобо-вiй губi збiльшуються залежно вiд типу дефекту губи.
Наявнють пошкоджень у суглобовiй губi глено!даль-но! западини збiльшуe напруження на структурах ПС. Залежно вщ типу пошкодження губи в умовах руив у плечовому суглобi та при навантаженш рiвень напруження на суглобовий хрящ значно збiльшуeться, що призводить до швидкого прогресування дегенератив-них змiн у ПС, артрозу та реал1заци задньо! нестабть-ност плеча. Така ситуацiя нацiлюe хирурга на визна-чення тактики оперативного втручання, спрямовано! на розвантаження пошкоджено! дтянки.
Мета дослщження — вивчення клшчно значимих пошкоджень суглобово! губи лопатки на основi бюме-хашчного аналiзу змiн напружено-деформованого стану (НДС) контактних поверхонь ПС та обГрунтування тактики лшування цих пошкоджень.
Матер1али та методи
На основi СКТ-сканiв iнтактного плечового суглоба за допомогою програмного пакета Mimics у автоматичному та натвавтоматичному режимах вщтворена просторова геометрiя ПС (рис. 1). Засобами SolidWorks створеш iмiтацiйнi комп'ютернi 3D-моделi iнтактного плечового суглоба та з рiзними типами пошкодження суглобово! губи (рис. 2).
Для розрахуныв застосовували iмiтацiйнi моделi ш-тактного ПС (рис. 2а) та з вщшаруванням дiлянки суглобово! губи в задньому вщдш ПС (I тип) (рис. 2б), iз вiдшаруванням дiлянки суглобово! губи та !"! розривом (II тип) (рис. 2в), iз розривом суглобово! губи без !"! в!д-шарування (III тип) (рис. 2г).
Фiзико-механiчни властивостi бiологiчних тканин, що застосовувались у моделях, отриманi з лггературних джерел (табл. 1).
Рисунок 1. Вщтворення просторово/ геометрп модел! ПС
При розрахунках розглянуто! бюмехашчно! систе-ми методом скiнченних елементiв були прийнят TaKi основш гiпотези i припущення:
— Bci мaтерiaли вважали однорiдними та iзотропни-ми з вщомими фiзико-мехaнiчними характеристиками (табл. 1);
— завдання статичного aнaлiзу виршувалося в фь зично i геометрично лiнiйнiй постaновцi, при цьому розглядали мaлi деформаци i перемiщення, унаслщок чого пiдтверджувaвся закон Гука для опису поведшки мaтерiaлу.
Розрахункова модель плечового суглоба подана на рис. 3. Модель закр^ювали по всш поверхш лопатки та прикладки силу 55 Н на плечову ыстку, направлену в центр суглобово! западини.
Подготовлена засобами SolidWorks твердоттьна модель експортована в програмне середовище ANSYS, де створена сынченно-елементна модель (рис. 4), що нал1чувала 196 540 вузлiв та 94 101 елемент. При цьому переважали тетраедричш елементи з квадратичною апроксимащею функцiй. У зонах контакту та в деяких визначених мюцях з метою тдвищення точностi розрахуныв скiнченно-елементнa сiткa була ущiльненa, i середнiй розмiр скiнченного елемента становив не бтьше 1 мм. Проводили анал1з НДС. Анaлiз результaтiв розрахуныв НДС здшснювали на основних елементах моделi плечолопаткового суглоба (суглобова западина лопатки та головка плечово! истки) за показниками напружень за Мiзисом та деформацш залежно в!д типу
Рисунок 2.1м1тац1йн1 моделi iнтактного ПС (а), плечового суглоба з I типом (б), II типом (в)
та III типом (г) пошкодження суглобово/ губи
Таблиця 1. Ф'1зико-механ'1чн'1 характеристики б'юлопчних тканин плечового суглоба
Локалiзацiя Тип матерiалу Показник Значення Посилання
Плечова кютка Жорсткий Е 12 ГРа 4
Плечовий суглоб 1зотропний пружний Е 0,66 МРа 5, 7
Р 1075 кг/м3 6
и 0,08 5
Р 1225 кг/м3 6
Суглобова губа Зворотно iзотропний, С1 1,142 МРа 8
ппереластичний С3 0,05 МРа 8
С4 36 8
С5 60,5 МРа 8
X* 1,138 8
Р 1225 кг/м3 6
Сухожилля бщепса 1зотропний С1 0,138 МРа 3
гiпереластичний С3 0,002 МРа 3
С4 0,061 МРа 3
С5 0,641 МРа 3
X* 1,100 3
Глено'щальний компонент 1зотропний еластичний Е 1,7 МРа 6, 2
Р 1075 кг/м3 6
и 0,018 6
Глено'щальна западина Жорсткий Е 100 МРа 1
пошкодження суглобово! губи при рiзних значеннях кута вiдведення та ротаци плечово! юстки (нейтраль-не, вщведення верхньо! кiнцiвки вiд 0 до 60°, внутршня ротацiя 0—40° та комбшашя цих рухiв).
Для зручност сприйняття результатiв аналiзу НДС на структурах суглобово! западини лопатки щ елемен-ти моделi в подальшому розташованi в положеннi, як показано на рис. 5.
Результати
За результатами розрахунюв було встановлено, що за-лежно вщ типу пошкодження губи та при змЫ положення юнщвки розподл напружень суттево змшюеться (табл. 2). Так, максимальнi показники напружень для 1нтактного суглоба при нейтральному положенш не перевищують 1,47 МРа (суглобова губа) i зосереджеш на поверхнi западини та головки рiвномiрно. Показники максимальних де-формацiй не перевищують 0,86 мм i в основному зосереджеш на суглобовiй губi, що е бгльш еластичною (рис. 6а). Показники НДС штактно! моделi прийнятi як референтш для подальшого порiвняльного аналiзу.
У випадку пошкодження I типу при нейтральному положенш максимальш показники напружень сяга-ють значень 12,62 МРа в зош пошкодження суглобово! губи, максимальш деформаци збiльшуються до значения 7,52 мм i також зосередженi в зонi пошкодження
суглобово! губи (рис. 6б). При пошкодженнях II типу максимальнi показники напружень значно зроста-ють — до 45,36 МРа в зош пошкодження суглобово! губи, деформаци також значно збшьшуються, сягаючи значення 27,04 мм (рис. 6в).
При пошкодженш суглобово! губи III типу максимальш показники напружень менш^ шж значення при пошкодженнях I та II тишв, — 4,68 МРа, iз локалiза-цiею в дтянщ, що примикае до зони пошкодження. Спостериаеться змiщення максимальних деформацiй у передньоверхню дшянку суглобово! губи з показни-ком 1,28 мм, хоча власне в зош розриву суглобово! губи показники не перевищують значення 0,41 мм (рис. 6г).
При здшсненш найбшьш типових рухiв у плечовому суглобi (вiдведення та ротащя) показники напружень та деформацiй значно зростають. Так, при внутршнш ротаци верхньо! кшщвки до 40° напруження в штак-тному суглобi не перевищують 2,90 МРа, а деформаци — 1,28 мм (рис. 7а). При пошкодженш суглобово! губи I типу показники напружень зростають незна-чно — 4,68 МРа, а деформаци зростають у 2 рази, сягаючи значення 2,53 мм (рис. 7б). При пошкодженш II типу показники НДС зростають у бтьше шж 6 разiв i становлять 17,95 МРа та 10,67 мм вщповщно (рис. 7в), тодi як при III тиш зовшм не вiдрiзняються вщ данних, що зафшсоваш в штактному суглобi (рис. 7г).
Рисунок 5. Положення модел!
= 1,47 МРа
= 12,62 МРа
= 45,36 МРа
= 4,68 МРа
е = 0,86 мм
тах '
е = 7,52 мм
тах '
е = 27,04 мм
тах '
е = 1,28 мм
тах
б
Рисунок 6. НДС ¡нтактного плечового суглоба (а), iз I типом (б), II типом (в), III типом (г) пошкодження суглобовоУ губи (нейтральне положення)
i 1240
С i.9989 S 2,104
„ 2,0(63
— MS93S
— 0,4794
— 0.3!7Ш
- о,29«т \
о.mi 1 Ч
— 0, №9« ~
- №017573 Min
At Static Structural
Equivalent Stress 10 Type Equivalent (uon-l Units MPs Time: 1 CulWrt
A: Static Structural Equivalent Stress 10 Type: Equivalent (von-Mises) Stress UnrfcMPa
= 2,90 МРа
, = 4,69 МРа
a = 17,95 МРа
тах '
= 2,89 МРа
A: Static Structural Equri/alent Elastic Strain 2 Type: Equri/alent " Unit: mrn/i Timef L
Cujtem _
0,84831
1,2787
1,0097 0,7406
0,471^0,56476
0,29967 0,1278 I 0,095853 0,063904 0,031954 4624еб Min
A: Static Structural
Equivalent Elastic Strain 2 Type: Equivalent Elastic Strain Unit: mm/mm" Tim« 1 > Custom
1,28 мм а
- 2,53 мм б
10,67 мм в
1,28 мм г
Рисунок 7. НДС ¡нтактного плечового суглоба (а), ¡з I типом (б), II типом (в), III типом (г) пошкодження суглобовоУ губи (положення внутрiшньоí ротацИ — 40°)
a
a
a
a
е
е
е
е
тах
тах
тах
тах
a = 3,97 МРа
max '
a = 24,03 МРа
max '
a = 82,57 МРа
max '
-- 4,39 МРа
£ = 1,89 мм
тах '
£ = 14,3 мм
тах '
£ = 49,1 мм
тах '
£ = 1,89 мм
тах '
б
Рисунок 8. НДС iнтaктного плечового суглоба (а), iз I типом (б), II типом (в), III типом (г) пошкодження суглобовоï губи (положення вдведення — 60°)
a = 5,62 МРа
тах '
a = 29,87 МРа
тах '
a = 101,68 МРа
тах '
a = 6,43 МРа
тах '
= 3,31 мм
£ = 17,87 мм
тах '
£ = 60,77мм
тах
£ = 3,31
тах
мм
б
Рисунок 9. НДС iHTaKTHoro плечового суглоба (а), iз I типом (б), II типом (в), III типом (г) пошкодження суглобовоi губи при вiдведеннi до 60° та внутрiшнiй ротаци 40° в плечовому суглобi
a
тах
£
120
100
80
60
40
20
in
1нтатна модель | I тип ушкодження | II тип ушкодження
I Нейтральне положения ■ 20° внутршньоТ ротаци I Вщведення 60°, внутршня ротацт 20°
Вщведення 40°, внутршня ротацт 40° Вщведення 60°, внутршня ротацга 40°
Рисунок 10. Порiвняльний анал!з показник!в НДС суглобовоi губи лопатки
о = 2,39 МРа
max '
■ 4,22 мм
о = 5,24 МРа
max '
10,14 мм
б
Рисунок 11. НДС головки плечовоi к1стки ¡нтактного плечового суглоба в положены! вщведення 20° (а) та при Ill тип пошкодження суглобовоiгуби при вiдведеннi до 20° (б)
Рисунок 12. Длянки концентрацП напружень на поверxнi суглобового хряща головки плечовоi кстки
I Нейтральна положення ■ 20° внутр1шньоТ ротаци Вщведення 40°, внутршня ротацт 40° I Вщведення 60°, внутршня ротацт 20° Вщведення 60°, внутршня ротацт 40°
Рисунок 13. Порiвняльний анал!з показниюв НДС головки плечовоi кстки
Е
Е
тах
тах
Таблиця 2. Змши напружено-деформованого стану суглобово/ губи лопатки в ¡нтактному суглоб'1 та при 3 типах пошкодження губи
в р1зних положениях плечового суглоба
О тз
х'
О >
в-
X >
о
о >
* ф
X X а
О
сд и" О
70 Ф
СО
Ф О
О 17 Ф
Положения к1нц1вки 1нтактна модель 1 тип пошкодження II тип пошкодження III тип пошкодження
Напруження (о, МРа) Деформацм (е, мм) Напруження (о, МРа) Деформацм (е, мм) Напруження (о, МРа) Деформацм (е, мм) Напруження (о, МРа) Деформацм (е, мм)
Губа Головка Губа Головка Губа Головка Губа Головка Губа Головка Губа Головка Губа Головка Губа Головка
Нейтральне положения 1,47 1,51 0,86 2,61 12,62 1,84 7,52 2,98 45,36 4,0 27,04 8.24 4,68 2,28 1,28 3,6
20° внутршньо! ротацЛ 3,76 2,39 1,28 4,22 5,11 3,44 2,72 5,93 13,96 5,34 8,35 10,40 3,76 5,24 1,28 10,14
Вщведення 40°, внутр1шня рота-ц1я 40° 5,03 2,23 2,96 3,61 27,76 3,24 16,63 5,46 94,82 4,03 56,73 6,77 5,89 2,99 3,17 4,75
Вщведення 60°, внутр1шня рота-ц1я 20° 5,22 2,83 3.07 6,32 27,93 3,52 16,98 7,87 95,31 4,12 56,91 9,22 5.86 3,09 3,07 6,91
Вщведення 60°, внутр1шня рота-ц1я 40° 5,62 3,92 3,31 6,31 29,87 4,83 17,87 7,83 101,68 5,61 60,77 9,15 6,43 4,21 3,31 6,86
~о о
р
"О
К)
о
л о м
о <->
о о
о
£ Н
О!
и
о
¡2 О! _ й й
рз К
о" й «с я
►1 О!
й л
о ГО
О! К О и м ¡4 О!
о к
^ О;
о
й го
о Й
м 2
И 2
О! О
к
3 *
Й О! о X Л ч
° 5
м й
о ГО
м к
а
Е
I
3-
о.
тз
о н
О! С М С:
гу И
1-4 го
я
о
■сн.
I
рз
я тз
I
о
к №
к
О!
я
о тз
М О!
Я §м
0
1 I
X
О И § 0=
2: СЛ ч °
21 н Я 0!
■с
I
» й и я' я 5' и
5
О
3
О ч
^ й
о 2
и §с
О! №
я Я
ьч О
а
§
м й
Я О
о о
е-
о тз
I
рз
я
Яс Ч >< °
и о я н рз
я
и> тз
рз
03 Е.
2» я 5 В
^ м и я
я
о
Е
о
я
я »
Я И
¡в И
я 2
•с я
£ 8
8 я
я я
№ ¡4
о
_ м
Яс я
я
• о *
рз
03
I Я
В.
м
I
рз Я ТЗ
I
о
я №
О О!
о м о
о
О)
о 00 О
ТЗ ф
о
О! 21
й я
§ к
м тз
2 С
й я
Н я
№ X
Ч 3 И
Я и О
о о я
О! д
I— О [ч_> И
о ч о
X
тз
¡4
Е
рз
ч
о ^
о
м *
я
я
^
о .
л тз
о •<
м N
О о
я
И №
о' Я Н оз
Я я
Я м
о л
й д
рз X
Я Я
О №
я <<
Й ° * я и »
и 3
Е ^
® й о
Е ^
о м
ь ®
о Кс
N Е
я я л о
тз ° о N
0 Го
н я рз щ сп Я.
2 2
Ю Ё' »
^ й
<< 2 ю Я л
1Л . .
„ ю»
» ° е.
рз д Й ^^ ТЗ ^
Я * * Р йи
ЬН о
1 1 н И
Й И • я
й Я Я тз
г Я Л л
Я •<
и 2. я х
я
с:
го Я Я и
ю Е
Яс и О! О
5' А
Р § к я
ГО I
о а
«с вз
3 ^
о ®
О! О
О О)
М РЗ
2 тз
2 рз
й Я
тз Я
к ™
Й о;
тз
X
я
►1
о ^
о я
N-1 И
-I
и! м ~ И я
а
° Е'
. = м
ьч Го ЬЧ Й
к Й
►1
О
О „
Й ГО
н Я
Я^
о
И
Рз ^
я
я
^
го
л о
се го
0 Я
н
И О
я тз
• 2
И Й
р у—I
» ас
р ^
я я
1 РЗ
К Ш
-Г^ нЦ
Й я О
се
я х о ^ Е е и Й
о Й N
го Я
я
м з -Я-о м
се Я
ь 3
О! тз
«С д-
м Е
2 ю Я сл Я о
X н 6в 0=
я
о ^
о
И я
я
^
го
л о м о.
>< о О! н
« 3 я
Я
ГО 'У
в«
^ ьч
^ о
рз У:
ТЗ ТЗ
рз рз
Я я
о
я о Я о
^ Й го
м тз
сл ^
РЗ
и> Яс
2 ^ ^ я
рз 8
РЗ Й
^ Й тз
и>
я Я
я
о и
рз ы Я
я
Е 5'
К
Й О
я
рз О
3
о
О!
о о
Н о;
рз рз
ь- е-
^ и'
ос о -Л
2
й
й рз Я
я
х
я' н
рз
я
о <->
о о
3
о
О!
рз
н н
рз рз О Е
н й
Я о
О о
Э «с
5 Я
I— ^
о о °
ОС &
рз й
о
сл 2! Я я тз -а к
2 Я 2 о
О! ^
Я
я §
го Я
чо го ^ Я
а н
§ §
О! Й-
рз
н £
3 й
Яс
Я
го сл ТЗ о Го
Я И
й. и
и 03
-Ы ¡л й
я
. . я 2 § 5. я
Й я
ал ><
н Я рз р
Й -Я 00 Я
яс 2 я ьй
О РЗ
Й
Ё' 'о* я тз
Яс ^ рз
тз Я ? Яс-
м
н № о Я
6в
)= й 5' я
я о о
о
оо ><
Я
о
Е Я
и й
О Я
й тз
^ ^
го «
Я го
Я Й
М ¡4 тз * й я
03 ТЗ
й Я
3 н № ГО о тз л
го
. н
Й ю я
Я Й
сл 2 рз
тз я
РЗ
ы
Я' ы
-с, 01
- 5' 5 Е
Й «с
о м ё Ё'
3 н №
О »
Яс
я
I ^ 1 я
рз Я
Я и
М м
N Я
8 тз
я я я
» Э
н я
я
><
я
о *
рз ы Я я И
О! я
н *
Я ё
РЗ д Яс щ
5' а
№ о Ё.
5' я ^
оз Я Я Е тз я
го Я Я X
я
рз о
3
о
О!
о м
я
X
3
2
рз Яс
N
го Н
я §
го -я
о
3 ю
О Я О! о о о сл ^ о
я
►1 о И
О! 03 ® Й Й я
2 И
& К
§ Й
о ° ^
ТЗ О ТЗ
оо
о н «С рз
3
о
я
тз
5 №
я
о
№ Е
го
тз
Кс И
я 2
Ё м «
рз о
я я я я
¡4 ¡4
2 .
рз
я
Яс ><
со О
Й.
я
о =
го
О! в* й
о
О ТЗ
н рз Я
о ^
№
Я
рз
Й
У о чо й
^ я'
Рз Й
н ё'
рз (Ч
Я
^ Я
ос
чо |—1 ><
О! Я
№ О.
и' я' я 5' и я
й о сл о
я
рз
я
тз
кiстки) спостерiгаються в положеннi вiдведення кшщвки до 60° та внутрiшнiй ротаци 40°, та вони вищi, шж у нейтральному положеннi кiнцiвки. В умовах пошкодження суглобово! губи II типу вщ-мiчаеться екстремальне зростання показнишв на-пружень в уах положеннях у плечовому суглобi, як на самш суглобовiй губi (у 30 разiв), так i на го-ловцi плечово! кiстки (у 2,7 раза). 1з збiльшенням кута вщведення та внутрiшньо! ротаци в сугло-бi значення НДС на самш суглобовш губi значно збшьшуються (у 18 разiв), сягаючи значень на-пружень 101,68 МРа та деформацш 60,77 мм у по-ложеннi вiдведення кiнцiвки до 60° та внутршнш ротацi! 40°. Зростають показники НДС i на головш плечово! кiстки (у 1,4 раза).
Найменше зростання НДС на елементах плечового суглоба спостерiгаеться в умовах пошкодження суглобово! губи III типу.
З огляду на результати дослщження потрiбно проводити фшсацш вiдшаровано! дшянки суглобово! губи при виявленш цiе! патологi! пiд час артроскошчного втручання, що дозволить збалан-сувати напруження та деформаци на структурах плечового суглоба при здшсненш найбшьш типо-вих рухiв.
Висновки
1. Показники НДС на суглобовш губi лопатки при I тит пошкодження в 5 разiв перевищують показники штактного суглоба (29,87 МРа та 17,87 мм проти 5,62 МРа та 3,31 мм), що призводить до подальшого руйнування статичних стабiлiзаторiв суглоба з розви-тком пошкодження II типу.
2. При II тиш пошкодження показники напру-жень та деформацш на суглобовш губi лопатки шд час типових р^в кшшвки зростають у десятки разiв, що призводить до прогресуючого руйнування структур плечового суглоба та реалiзацi! задньо! нестабшь-ност плеча.
3. При пошкодженнях суглобово! губи III типу показники НДС порiвняно з штактним суглобом хоча й дещо вищi при деяких положеннях инщвки, але майже не змшюються.
4. Рухи в плечовому суглоб^ а також збшьшення на-вантаження на верхню кшщвку в умовах пошкодження суглобово! губи призводять до зростання показникiв НДС у зош контакту, що прискорюе процеси руйнаци елементiв суглобово! губи та поверхш хряща з розви-тком явищ артрозу.
5. Зростання навантаження на передньомедiальну поверхню головки плечово! истки з концентрашею напружень на суглобовому хрящi при реалiзацi! задньо! нестабiльностi може призводити до утворення оберне-ного дефекту Хтл — Сакса.
6. Установлено, що найбшьший дисбаланс стабь лiзуючих структур плечового суглоба виникае при вщшаруванш суглобово! губи та стае критичним при його комбшаци з розривом, тодi як сам по собi iзольований розрив не призводить до критичних
змш напружень та деформацш на структурах плечового суглоба.
7. Доцтьно проводити фшсацш вщшаровано! да-лянки суглобово! губи при виявленш ще! патологи шд час артроскопiчного втручання. Це дозволить лшвщу-вати джерело концентраци напружень та деформацiй на структурах плечового суглоба при виконанш найбшьш типових рухiв, а також дозволить уникнути ран-нього розвитку артрозу та задньо! нестабтьносп плечового суглоба.
Конфлжт штереив. Автори заявляють про вщ-сутнiсть конфлшту iнтересiв при пiдготовцi дано! статть
Список л1тератури
1. Anglin C, Tolhurst P., Wyss U.P., Oichora D.R. Glenoid cancellous bone strength and modulus // Journal of Bio-emechanics. - 1999. - 32. - P. 1091-1097.
2. Carey J., Small C.F., Pichora D.R. In situ compressive properties of the glenoid labrum // Journal of Biomedical Materials Research. - 2000. - 51. -P. 711-716.
3. Carpenter J.E., Wening J.D., Mell A.G, Langen-derfer J.E., Kuhn J.E., Hughes R.E. Changes in the long head of the biceps tendon in rotator cuff tear shoulders // Clinical Biomechanics (Bristol, Avon). — 2005. — 20. — P. 162-165.
4. Clavert P., Zerah M, Krier J., Mille P., Kempf J.F., Kahn J.L. Finite element analysis of the strain distribution in the humeral head tubercles during abduction: comparison of young and osteoporotic bone // Surgical and Radiologic Anatomy. -2006. - 28. - Р. 581-587.
5. Ellis B.J, Debski R.E., Moore S.M., McMahon P.J, Weiss J.A. Methodology and sensitivity studies for finite element modeling of the inferior glenohumeral ligament complex// Journal of Biomechanics. - 2007. - 40. - Р. 603-612.
6. Gatti C.J., Maratt J.D., Palmer M.L., Hughes R.E., Carpenter J.E. Development and validation of a finite element model of the superior glenoid labrum // Annals of Biomedical Engineering. - 2010. - 38. - Р. 3766-3776.
7. Huang C.Y., Stankiewicz A., Ateshian G.A., Mow V.C. Anisotropy, inhomogeneity, and tension-compression non-linearity of human glenohumeral cartilage in finite deformation // Journal of Biomechanics. - 2005. - 38. -P. 799-809.
8. Smith C.D., Masouros S.D., Hill A.M., Wallace A.L., Amis A.A., Bull A.M. Tensile properties of the human glenoid labrum // Journal of Anatomy. — 2008. — 212. — P. 49-54.
9. Kim S.H., Ha K.I., Yoo J.C., Noh K.C. Kim's lesion: an incomplete and concealed avulsion of theposteroinferior labrum in posterior or multidirectional posteroinferior instability of the shoulder// Arthroscopy. - 2004. - 20. - P. 712-720.
10. Yu J.S., Ashman C.J., Jones G. The POLPSA lesion: MR imaging findings with arthroscopic correlation in patients with posterior instability // Skeletal Radiol. — 2002. — 31. — Р. 396-399.
Отримано 28.04.2017 ■
Лазарев И.А., Страфун С.С., Ломко В.М., Скибан М.В.
ГУ «Институт травматологии и ортопедии НАМН Украины», г. Киев, Украина
Анализ изменения напряженно-деформированного состояния в суставной губе лопатки
в условиях разных типов ее повреждения
Резюме. Актуальность. Повреждение суставной губы лопатки является достаточно распространенной проблемой плечевого сустава. Наличие этой патологии в области задней порции суставной губы в зависимости от типа ее повреждения значительно увеличивает показатели напряжений на суставной хрящ, что ведет к развитию и прогрессированию дегенеративных изменений в плечевом суставе, ускорению артроза и реализации задней нестабильности плеча. Такая ситуация нацеливает хирурга на определение тактики оперативного вмешательства, направленной на разгрузку поврежденного участка и устранение биомеханического дисбаланса. Цель исследования — изучение клинически значимых повреждений суставной губы лопатки в зависимости от типа ее повреждения на основе биомеханического анализа изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) контактных поверхностей плечевого сустава и обоснование тактики лечения этих повреждений. Материалы и методы. Расчеты НДС элементов плечевого сустава методом конечных элементов были проведены на основе СКТ-сканов интактного плечевого сустава с помощью программного пакета Mimics в автоматическом и полуавтоматическом режимах, воспроизведена пространственная геометрия плечевого сустава. Средствами SolidWorks созданы имитационные компьютерные SD-модели интактного плечевого сустава и с тремя типами повреждения суставной губы. Изучали НДС на структурах плечевого сустава при различных значениях угла отведения и ротации плечевой кости (нейтральное, отведение верхней конечности на 0—20—40—60°, внутренняя ротация 0—20—40° и комбинация этих движений). Критериями оценки НДС были напряжение по Мизису, контактные напряжения и максимальные деформации. Результаты. Все типы повреждения суставной губы при различных положениях конечности в плечевом суставе приводят к значительному увеличению показателей напряжений и деформаций в контактной зоне. В нейтральном положении конечности повреждение суставной
губы I типа вызывает увеличение напряжений на губе в 8 раз, II типа — в 30 раз, III типа — в 3 раза по сравнению с интактной моделью. В положении отведения конечности до угла 60° и внутренней ротации 40° повреждение суставной губы I типа вызывает увеличение напряжений на губе в 5 раз, II типа — в 18 раз, III типа — на 14 % по сравнению с интактной моделью. Максимальные значения НДС на элементах плечевого сустава (суставная губа, головка плечевой кости) наблюдаются в положении отведения конечности до 60° и внутренней ротации 40°, и они выше, чем в нейтральном положении конечности. В условиях повреждения суставной губы II типа наблюдается экстремальное увеличение показателей напряжений во всех положениях в плечевом суставе, как на самой суставной губе (в 30 раз), так и на головки плечевой кости (в 2,7 раза). С увеличением угла отвода и внутренней ротации в суставе значение НДС на самой суставной губе значительно увеличиваются (в 18 раз), достигая значений напряжений 101,68 МПа и деформаций 60,77 мм в положении отведения конечности до 60° и внутренней ротации 40°. Увеличиваются показатели НДС и на головке плечевой кости (в 1,4 раза). Выводы. Выявлено, что наибольший дисбаланс стабилизирующих структур плечевого сустава возникает при отслоение суставной губы и становится критическим при его комбинации с разрывом, тогда как сам по себе разрыв не приводит к критическим изменениям напряжения и деформации на структурах плечевого сустава. Целесообразно проводить фиксацию отслоившегося участка суставной губы при выявлении этой патологии во время артроскопического вмешательства, что позволит сбалансировать напряжение и деформации на структурах плечевого сустава при осуществлении наиболее типичных движений. Эта процедура позволит избежать раннего развития артроза и задней нестабильности плечевого сустава. Ключевые слова: плечевой сустав; суставная губа лопатки; задняя нестабильность; конечно-элементное моделирование; напряжение и деформации
I.A. Lazarev, S.S. Strafun, V.M. Lomko, M.V. Skiban
State Institution "Institute of Traumatology and Orthopaedics NAMS of Ukraine", Kyiv, Ukraine
Analysis of changes of stress-strain state in scapula labrum in different types of its damage
Abstract. Background. Damage to the glenoid labrum is a fairly common problem in the humeral cartilage. The presence of this pathology in posterior glenoid labrum and the type of its damage significantly increases the stress indices on the articular cartilage, which leads to the development and progression of degenerative changes of the humeral cartilage, acceleration of arthrosis and the realization of posterior humerus instability. This situation focuses the surgeon on determining the surgery strategy, aimed
at unloading the damaged area and eliminating biomechanical imbalance. The purpose was to study the clinically significant damage of the scapula labrum, depending on the type of its damage, based on the biomechanical analysis of the change in the stress-strain state of the contact surfaces of the humeral cartilage and the rationale for the tactics of treating these injuries. Materials and methods. Calculations of the stress-strain state of the humeral cartilage elements by the finite element method were
carried out on the basis of SCT scans of the intact humeral cartilage using the Mimics software package in automatic and semiautomatic modes, spatial geometry of the humeral cartilage. Imitative computer 3D-models of intact humeral cartilage and three types of scapula labrum damage were created using SolidWorks tools. We studied the stress-strain state of the structures of the humeral cartilage for different values of the angle with humerus abduction and rotation (neutral, abduction of the upper limb 0°—20°—40°—60°, internal rotation 0°—20°—40° and a combination of these movements). Criteria for assessing the stress-strain state were the stress by Mimics, contact stresses and maximum deformations. Results. All types of damage of labrum at various positions of the limb in the humeral cartilage lead to a significant increase in stress and strain in the contact zone. In the limb neutral position labrum damage causes an 8-fold increase in stress of the labrum, 30-fold in type II damage, 3-fold in type III, in comparison with the intact model. In the position of the limb retraction to 60° and an internal rotation of 40°, type I damage of the labrum causes an 5-fold increase in stress of labrum, 18-fold increase in type II damage, and 14 % in type III, as compared with the intact model. The maximum values of stress-strain state on the elements of the humeral cartilage (labrum, humerus head) are observed in the position of the limb retraction to 60° and in-
ternal rotation of 40°, higher than in the neutral position of the limb. In the conditions of type II damage of the labrum, extreme growth of stress indices is observed in all positions in the humeral cartilage, both on the joint itself (30-fold) and on the head of the humerus (2.7-fold). With the increase in the angle of retraction and internal rotation of the joint, the value of stress-strain state on the joint itself increases significantly (18-fold), reaching values of stresses of 101.68 MPa and deformations of 60.77 mm in the limb retraction position to 60° and internal rotation of 40°. The stress-strain state indices also increase on the humerus head (1.4-fold). Conclusions. It was revealed that the greatest imbalance of the stabilizing structures of the humeral cartilage arises when the joint is detached and becomes critical when combined with a rupture, while the rupture itself does not lead to critical changes in stress and deformation on the structures of the humeral cartilage. It is rational to fix the labrum exfoliated part when this pathology is detected during arthroscopic intervention, this will allow balancing tension and strain of the humeral structures during the most typical movements. This procedure will avoid the early development of arthrosis and posterior instability of the humeral cartilage.
Keywords: humeral cartilage; glenoid labrum; posterior instability; finite element modeling; stresses and strain
