CC BY
22
Орипнальы досл1дження
Original Researches
УДК 616.718.4-001.5-089.2J.001.57 DOI: 10.22141/1608-1706.1.19.2018.126662
Бабалян В.О.1, Карпнський М.Ю.2, Яресько О.В.2 1Харк!всыка медична академя пслядипломно/ осв/'ти, м. Харкв, Укра/на
2ДУ «1нститут патологи хребта та суглоб1в ¡м. проф. М.1. Ситенка НАМН Укра/ни», м. Харюв, Укра/на
Анал1з напружено-деформованого стану моделей вертлюжних перелом1в стегновоТ юстки
шсля ендопротезування
Резюме. Актуальнсть. Переломи проксимального вiддiлу стегново1 юстки в людей лтнього та старечо-го вку е складною медико-со^альною проблемою. Нами розроблений та внесений у медичну практику метод лiкування перелом'/в проксимального в'/ддлу стегна. В основ'/ даного методу лiкування перелом'/в лежить цементна б'/полярна гем'юртропластика з аугментац/'ею, фиксац/'ею спицями i/або серкляжем у па^енлв похилого в'/ку. Мета дослiдження: розробити математичну модель вертлюжних перелом'/в стегна за класиф/'кац/'ею Еванса '/ за И допомогою вивчити основн напрямки навантаження в проксимальному вддл стегна при ендопротезуванн'/ з додатковою фiксацiею уламюв спицями. Матерiали та методи. Для виршення поставленого завдання нами було розроблено математичн'/ моделi стегново1 юстки з вертлюжни-ми переломами р'/зних типiв за класиф/'кац/'ею Еванса. Моделювали 4 типи вертлюжнихперелом'/в стегново1 кстки (тип 2-5 за Евансом). При кожному типi перелом'/в моделювали використання стандартного ендо-протеза з фiксацiею окремих уламюв спицями та модульного ендопротеза запропоновано1 конструкций Висновки. При моделювання варiантiв ендопротезування проксимального вддлу стегново1 кстки з верт-люжними переломами тип'/в 2-5 за класиф/'кац/'ею Еванса визначено, що модульна система при вс'/х типах перелом'/в дозволяе значно знизити напруження практично в ус'/х контрольних точках юсткових елемент'/в моделей. В елементах металевих конструк^й за рахунок значно меншо'1 жорсткост'/ у вузлi з'еднання не-сучого стрижня з нтрамедулярним у першому виникають зони п'/двищеного напруження, абсолютна величина якого значно б'/льше, нiж у моделi з ендопротезом.
Ключовi слова: переломи; ендопротезування; проксимальний в^л стегново1 кстки
Травма
Вступ
Переломи проксимального вщдту стегново! юстки (ПВСК) в людей лггнього та старечого вшу е складною медико-сощальною проблемою. Частота пере-ломiв дано! локалiзащ! е досить високою. За даними рiзних авторiв, переломи проксимального вщдту стегново! юстки становлять на даний час вщ 9 до 45 % у структурi вшх переломiв скелета у хворих старших вшових груп. За прогнозами, до 2050 року юльюсть таких переломiв може становити 6 мтьйошв 260 ти-сяч на рк: [1].
Бюмехашчш особливост кульшового суглоба ускладнюють можливост стабильно! та тривало! фшса-ци фрагмент, порушення кровопостачання головки стегново! юстки внаслщок перелому на тлi наявного
остеопорозу, складнють шсляоперацшного ведення, численш ускладнення змушують багатьох авторiв досить стримано ставитися до органозбертаючих втру-чань у пащенпв старших вшових груп, тому що жоден сучасний метод остеосинтезу не дозволяе здшснити ранне навантаження. Ендопротезування кульшового суглоба в даного контингенту дозволяе досягти функ-цюнального вщновлення. Деяю дослщники вважають, що за швидюстю досягнення ктшчного ефекту ендо-протезуванню немае альтернативи.
Основна щея дослщження полягае у вивченш меха-шчно! надшносп розроблено! конструкци модульного фiксатора-протеза. Одним з найчастших ускладнень iнтрамедулярного остеосинтезу переломiв проксимального вiддiлу стегна е руйнування його головки
© «Травма» / «Травма» / «Trauma» («Travma»), 2018
© Видавець Заславський О.Ю. / Издатель Заславский А.Ю. / Publisher Zaslavsky O.Yu., 2018
Для кореспонденци: Карп1нський Михайло Юр1йович, науковий сп1вроб1тник лабораторГГ б1омехан1ки, ДУ «1нститут патологи хребта та суглоб1в iMeHi професора М.1. Ситенка НацюнальноТ академи медичних наук УкраТни», вул. Пушкшська, 80, м. Харк1в, 61024, УкраТна; e-mail: korab.karpinsky9@gmail.com
For correspondence: M. Karpinsky, Research Fellow at the Department of biomechanics laboratory, State Institution "Sytenko Institute of Spine and Joint Pathology of the Academy of Medical Science of Ukraine'; Pushkinskaya st., 80, Kharkiv, 61024, Ukraine; e-mail: korab.karpinsky9@gmail.com
Рисунок 1. Модель перелому проксимального в '1дд 'лу стегново/ кстки (тип 2): а) загальний вигляд модел! з! стандартним ендопротезом; б) розр!з модел!з! стандартним ендопротезом; в) загальний вигляд моделi з ендопротезом модульно/ системи; г) розр!з модел! з ендопротезом модульно/
системи
(cut-off, cut-out), вщповщно, виникае необхщшсть в ендопротезуванш. Авторами запропонована орип-нальна конструкщя штрамедулярного фшсатора [8— 13], що дозволяе в рамках одше! системи iнструментiв, без змiни стегнового компонента (шжки) перейти вiд штрамедулярного остеосинтезу до ендопротезування. Це дозволяе знизити швазившсть втручання, скоро-тити вiрогiднiсть алерги до металу (протез i фiксатори рiзних фiрм i сплавiв).
Використанням методу синченних елеменпв, на-пружено-деформованого стану математичних моделей стегново! кустки з вертлюжними переломами рiзних типiв при !х л^ванш методом ендопротезування дае змогу створити об'емш моделi бiологiчних об'ектiв i виявити основнi тенденци змiн !х напружено-дефор-мованого стану.
Мета дослщження: розробити математичну модель вертлюжних переломiв стегна за класифшашею Еванса та за Н допомогою вивчити основн1 напрямки наванта-ження в проксимальному в1дд1л1 стегна при ендопротезуванш з додатковою фшсашею уламкiв спицями.
Матер1али та методи
У лаборатори бiомеханiки ДУ «1нститут патологи хребта та суглобiв iменi професора М.1. Ситенка НАМН Укра!ни» були проведенi аналiтичнi дослщження за допомогою математичного моделювання з використанням методу скiнченних елементав. Було розроблено матема-тичнi моделi стегново! истки з вертлюжними переломами рiзних типiв за класифшащею Еванса. Моделювали 4 типи вертлюжних переломiв стегново! истки (типи 2—5 за класифшащею Еванса). При кожному тит переломiв моделювали використання стандартного ендопротеза з фксащею окремих уламив спицями та модульного ендопротеза запропоновано! конструкци.
На рис. 1 наведено моделi стегнових исток iз вертлюжними переломами типу 2 за класифшащею Еванса при використанш ендопротезiв.
Схему розташування контрольних точок, у яких проводили контроль величини напруження, наведено на рис. 2.
На рис. 3 наведено модель перелому стегново! истки типу 3.
в
г
Рисунок 2. Схема розташування контрольних точок на модел'1 перелому проксимального в '1дд 'лу стегновоI юстки (тип 2): а) вид ззаду; б) вид спереду; в, г) розр!з
Рисунок 3. Модель перелому проксимального в'щд'шу стегновоI к!стки (тип 3): а) загальний вигляд модел! з! стандартним ендопротезом; б) розр!з модел! з! стандартним ендопротезом; в) загальний вигляд моделi з ендопротезом модульноI системи; г) розр!з модел! з ендопротезом
модульноI системи
Схему розташування контрольних точок, у яких проводили контроль величини напружень, наведено на рис. 4.
На рис. 5 наведено модель перелому стегново! истки типу 4 за Евансом.
Схему розташування контрольних точок, у яких проводили контроль величини напруження, наведено на рис. 6.
На рис. 7 наведено модель перелому стегново! истки типу 5.
Схему розташування контрольних точок, у яких проводили контроль величини напруження, наведено на рис. 8.
У нашому дослщженш матер1ал вважали однорщним та iзотропним. Як синченний елемент був обраний 10-вузловий тетраедр з квадратичною апроксимащею. Мехашчш характеристики бюлопчних [2] та штучних матер1ал1в [3] зведеш в табл. 1.
Таблиця 1. Механ!чн! характеристики матер'/ал'/в, що використовували при моделюванн!
Матерiал Модуль Юнга (Е), МПа Коефщент Пуассона, и
Кортикальна кютка 18350 0,29
Губчаста кютка 330 0,30
Хрящова тканина 10,5 0,49
Титан ВТ-16 1,1 • 105 0,2
Навантаження моделей здшснювали розподтеною силою 540 Н, що вщповщае тла людини вагою 70 кг (700 Н) при одноопорному стоянш (без урахування маси опорно! инщвки) [4], яку прикладали до крижо-вого вщдшу хребта. По суглобовш поверхнi виростив стегново! кустки моделi мали жорстке за^плення.
Схема навантаження моделей наведена на рис. 9.
Рисунок 4. Схема розташування контрольних точок на модел'1 перелому проксимального вiддiлу стегновоI кстки (тип 3): а) вид ззаду; б) вид спереду; в, г) на стрижнях та гвинтах;
Г) у кстково-мозковому канал!
Орипнальы досл1дження / Ог1д1па! РеэвагсИез |
Рисунок 5. Модель перелому проксимального в'1дд'шу стегново/ к!стки (тип 4): а) загальний вигляд
модел! з! стандартним ендопротезом; б) розр!з модел! з! стандартним ендопротезом; в) загальний вигляд моделi з ендопротезом модульно/ системи; г) розр!з модел! з ендопротезом
модульно/ системи
Г
г
Рисунок 6. Схема розташування контрольних точок на модел '1 перелому проксимального в '1дд 'шу стегново/ кстки (тип 4): а) вид ззаду; б) вид спереду; в, г) на стрижнях та гвинтах;
Г) у кстково-мозковому канал!
Рисунок 7. Модель перелому проксимального в'1дд'шу стегново/ юстки (тип 5): а) загальний вигляд
моделi з! стандартним ендопротезом; б) розр!з модел! зi стандартним ендопротезом; в) загальний вигляд моделi з ендопротезом модульно/ системи; г) розр!з модел! з ендопротезом
модульно/ системи
Рисунок 8. Схема розташування контрольних точок на модел! перелому проксимального в '!дд 'шу стегново/ к!стки (тип 5): а) вид ззаду; б) вид спереду; в, г) на стрижнях та гвинтах;
Г) у кстково-мозковому канал!
З метою компенсаци обертального моменту, ви-кликаного дieю сили ваги тта, до великого вертлюга та крила здухвинно! истки прикладали силу, що iмiту-вала дiю групи м'язiв, як! вщводять стегно, величиною 1225 Н зпдно з даними лiтератури [5].
Як критерш оцiнки напруженого стану моделей використовували напруження за Мiзесом [6]. Моде-лювання виконували за допомогою системи автома-тизованого проектування SolidWorks. Розрахунки на-пружено-деформованого стану моделей виконували за допомогою програмного комплексу CosmosM [7].
Резудьтати
На першому етат роботи ми провели аналiз напружено-деформованого стану моделей стегново! истки з переломами и проксимального вщдту титв 2—5 за класифiкацieю Еванса з використанням стандартного ендопротеза та ендопротеза модульно! конструкц!!.
Перелом типу 2
Рис. 10 вщображае напружено-деформований стан моделей проксимального вiддiлу стегново! истки з ен-допротезами при переломi типу 2.
Використання стандартного ендопротеза за на-явностi перелому проксимального вщдту стегново! кiстки типу 2 за Евансом приводить до концентраци максимальних напружень саме на ендопротез^ у його нiжцi та шийщ. Юсткова тканина навантажуеться зна-чно менше. Зони максимальних напружень спостериа-ються в диафiзарнiй частиш на кiнцi нiжки ендопротеза та в мюцях контакту з шийкою ендопротеза.
Порiвняти рiвень напружень по зовшшнш поверх-нi моделей з переломом типу 2 при ендопротезуванш можна за допомогою дiаграми, що наведена на рис. 11.
Як показали нашi дослiдження, при ендопротезуванш найбтьш високий рiвень напруження спосте-рiгаeться в шийщ ендопротеза: 100,8 МПа у Г! верхнш частиш та 90,9 МПа — у нижнш. У зош перелому вели-
Рисунок 9. Схема навантаження моделей
чини напружень незначш й не перевищують значення 10 МПа, що менше, шж у дiафiзарнiй частинi кiстки (вщ 21,5 до 28,1 МПа).
При використанш модульно! системи для ендопро-тезування зона максимальних напружень (92,4 МПа) визначаеться на латеральнш поверхнi стегново! истки навколо дистального инця несучого стрижня, а також на нижнш поверхш шийки (71,8 МПа) та в зош перелому на рiвнi !! перетину шийкою системи (71,3 МПа). На шших дтянках величини напружень можна порiв-няти з аналогiчними показниками моделi з класичним ендопротезом. Основнi вiдмiнностi м1ж моделями спо-стерiгаються у двох зонах — по верхнш поверхш шийки та по латеральш поверхш стегново! истки, що можна пояснити конструктивними особливостями модульно! системи, у яий шийка ендопротеза не е монолггною конструкщею, а являе собою «коромисло» з точкою обертання на штрамедулярному стрижнi. Це призво-дить до розвантаження шийки, але викликае пщвищен-нi напруження на дистальному кiнцi несучого стрижня.
Порiвняти рiвень напружень на елементах метале-вих конструкцiй у зонi перелому на моделях iз переломом типу 2 за Евансом при використанш ендопротезiв рiзних конструкцiй можна за допомогою дiаграми, що наведена на рис. 12.
Напруження на металевих елементах модульно! системи в зош перелому значно перевищують ана-логiчнi показники, що визначаються в моделi з кла-сичним ендопротезом, практично в ушх контрольних точках. При ендопротезуванш практично все наван-таження припадае саме на ендопротез, тому напру-ження в ыстковш тканиш дуже низькi. Так, у зош перелому величини напружень визначаються в межах вщ 2,2 до 5,3 МПа, а в точках входу гвинпв — у межах вщ 6,0 до 10,7 МПа. Недостатня жорстысть модульно! системи у вузлi з'еднання несучого та штрамедуляр-ного стрижшв призводить до пiдвищення напруження в мiжвертлюжнiй зонi стегново! ыстки, що сягае максимального значення 151,4 МПа на несучому стрижнi в зош перелому та на дистальному ынш несучого стрижня — 73,8 МПа.
Наявшсть нiжки ендопротеза викликае на меж! !! контакту зi стiнками кiстково-мозкового каналу шд-вищений рiвень напружень вiд 25,8 до 46,8 МПа. Ана-лопчна картина спостерiгаеться й навколо штрамеду-лярного стрижня модульно! системи, де виявляються близьы величини напружень — вщ 34,8 до 42,5 МПа. Бтьш наочно цю тенденцiю можна подати на дiаграмi (рис. 13).
За результатами проведеного дослщження можна зробити висновок про те, що при переломах типу 2 при ендопротезуванш основш навантаження приймають на себе металевi конструкци, що дозволяе розвантажи-ти ысткову тканину в мiжвертлюжнiй зош Недостатня жорстысть модульно! конструкци у вузлi з'еднання стрижшв викликае пщвищений рiвень напруження в елементах конструкци саме в цш зош
Перелом типу 3
Розподт напружень у моделях iз переломами проксимального вщдту стегново! кустки типу 3 за Евансом при ендопротезуванш наведено на рис. 14.
Результати моделювання показують, що при ендопротезуванш стегново! ыстки з переломом типу 3, як i при переломi типу 2, максимальш навантаження при-падають на ендопротез. Як наслщок, це призводить до виникнення зон максимальних напружень саме на шийщ та шжщ ендопротеза.
На дiаграмi (рис. 15) зведеш данi про величини мак-симальних напружень, що виникають у рiзних дтян-ках по зовшшнш поверхнi моделей проксимального вщдту стегново! кiстки з переломом типу 3.
Характер розподшу напружень у моделях, як i в моделях iз переломом типу 2, принципово вiдрiзня-еться тiльки в зонах шийки та латерально! поверхнi стегново! ыстки. Але рiзниця в абсолютних зна-ченнях напружень у цих точках не така значна. При використанш ендопротеза у верхнш частинi шийки напруження сягають значення 116,2 МПа, у ниж-
нш — 94,0 МПа. У зош перелому напруження не-значнi й перебувають у межах вщ 1,0 до 19,9 МПа. Напруження в дiафiзарнiй частиш спостерiгаються в межах вщ 22,3 до 24,0 МПа. При використанш модульно! системи найбтьш напруженими е дшянки шийки 74,8 МПа та латеральна частина стегново! ыстки навколо дистального ынця несучого стрижня (58,6 МПа). В шших зонах рiвень напружень визна-чаеться в тих самих межах, що й в моделi зi звичай-ним ендопротезом. Данi про величини максимальних напружень у зонах переломiв на елементах металевих конструкцш моделей з переломом типу 3 за Евансом при ендопротезуванш рiзними системами подано на дiаграмi (рис. 16).
Наведена дiаграма наочно показуе, що в модульнш системi величини напружень вищi за такi в моделi з ендопротезом тiльки в двох контрольних точках (на несучому стрижш). У моделi з ендопротезом рiвень напружень значно нижчий. Максимальш значення напружень виникають на гвинп, що фшсуе великий вертлюг, де вони сягають значень 107,1 МПа, а та-кож на фшсуючому гвинт в пiдвертлюжнiй зонi — 56,1 МПа. Ще одна зона шдвищеного рiвня напружень (85,1 МПа) — на шийш ендопротеза. Завдяки конструктивним особливостям модульно! системи при використанш и як ендопротеза зона максимального напруження (92,9 МПа) визначаеться на несучому стрижш в зош перелому, а на його дистальному ынш напруження становить 73,2 МПа. На проксимальному ынш несучого стрижня (зона шийки) величина напруження удвiчi нижча за таку в моделi з класичним ендопротезом. В шших контрольних точках дано! моделi величини напружень також нижчi за вщповщш показники в моделi зi звичайним ендо-протезом.
На дiаграмi (рис. 17) наведеш даш про величини максимальних напружень у ыстково-мозковому каналi моделей проксимального вщдту стегново! ыстки з переломом типу 3.
Як бачимо, як ендопротез, так i модульна система навантажують стшки к^стково-мозкового каналу за рахунок штрамедулярного способу крiплення, що викликае пдвищений рiвень напружень у ще! зонi з 34,1 до 51,1 МПа при ендопротезуванш та з 30,7 до 68,4 МПа — при використанш модульно! системи.
Отже, при використанш ендопротеза рiвень напружень в моделi значно знижуеться. Максимальш напруження виникають в шийш ендопротеза, та спицях, що фшсують кiстковi уламки, в мюцях перетину лшш переломiв. При використанш модульно! системи для ендопротезування зони пщвищених напружень визначаються в несучому стрижш в зош перелому та на його дистальному ынщ.
Перелом типу 4
На рис. 18 наведено картину розподшу напружень у моделях проксимального вщдшу стегново! ыстки з переломом типу 4 за Евансом при використанш ендопро-тезiв рiзних конструкцш.
Рисунок 10. Картина розпод'шу напружень у модел! стегново/ к!стки з переломом типу 2 при ендопротезуванш: а) стандартний ендопротез, розр!з по серединi д!аф!за; б) стандартний ендопротез, зона перелому; в) модульна система, розрiз по серединi д!аф!за; г) модульна
система, зона перелому
Рисунок 11. Напруження на зовн'шнш поверхн моделей з переломом типу 2 при ендопротезуваннI
Рисунок 12. Напруження на елементах металевих конструкцй у зон! перелому моделей
iз переломом типу 2
Рисунок 13. Напруження в юстково-мозковому канал! моделей!з переломом типу 2
Рисунок 14. Картина розподлу напружень у модел! стегново/ к!стки з переломом типу 3 при ендопротезуванш: а) стандартний ендопротез, розр!з по серединi д!аф!за; б) стандартний ендопротез, зона перелому; в) модульна система, розрiз по серединi д!аф!за; г) модульна
система, зона перелому
Рисунок 15. Напруження на зовн'шнй поверхн! моделей iз переломом типу 3
Рисунок 16. Напруження в зонах перелому на елементах металевих конструкций моделей
iз переломом типу 3
Рисунок 17. Напруження в кстково-мозковому каналI моделей iз переломом типу 3
Рисунок 18. Картина розподлу напружень у модел! стегново/ к!стки з переломом типу 4 при ендопротезуванш: а) стандартний ендопротез, розр!з по серединi д!аф!за; б) стандартний ендопротез, зона перелому; в) модульна система, розрiз по серединi д!аф!за; г) модульна
система, зона перелому
Рисунок 19. Напруження на зовшшнй поверхн моделей '¡з переломом типу 4
Рисунок 20. Напруження в зонах перелому на елементах металевих конструкц!й моделей
iз переломом типу 4
Рисунок 21. Напруження в к!стково-мозковому каналI моделей Iз переломом типу 4
Рисунок 22. Картина розподлу напружень у модел! стегново/ к!стки з переломом типу 5 при ендопротезуванш: а) стандартний ендопротез, розр!з по серединi д!аф!за; б) стандартний ендопротез, зона перелому; в) модульна система, розрiз по серединi д!аф!за; г) модульна
система, зона перелому
Рисунок 23. Напруження на зовшшнй поверхн моделей '¡з переломом типу 5
Рисунок 24. Напруження в зонах перелому на елементах металевих конструкций моделей
iз переломом типу 5
Рисунок 25. Напруження в кстково-мозковому канал! моделей ¡з переломом типу 5
Рисунок 26. Максимальне напруження в моделях стегново/ кстки з переломами проксимального
в'1дд'шу при ендопротезуваннi р!зними системами
Традицшно у моделi з ендопротезом спостериаемо зони пщвищених навантажень на шийцi та шжщ ен-допротеза. Доцiльно звернути увагу на досить низький рiвень напружень на гвинтах, що фiксують уламки на-вколо ендопротеза. Зони тдвищених напружень у мо-делi з модульною системою розташованi на несучому та iнтрамедулярному стрижнях.
Порiвняти рiвень напружень у моделях проксимального вщдшу стегново! кустки з переломом типу 4 за Евансом при використанш ендопротезiв можна на дiаграмi (рис. 19).
Рiвнi напружень на вшх контрольних точках моделей майже не вiдрiзняються один вщ одного. Ви-няток становить зона шийки, де рiвень напружень у моделi з модульною системою значно нижчий за такий у моделi з ендопротезом. При використанш ендопротеза найбтьш навантаженою е шийка ендопротеза, де величина напруження сягае значень вщ 94,8 до 122,2 МПа. Найменш навантаженим виявив-ся уламок малого вертлюга — максимальний рiвень напруження вщ 1,0 до 3,2 МПа. У зош великого вертлюга та вздовж лшп перелому спостертаються вели-чини напружень вщ 10,8 до 17,5 МПа. У дiафiзарнiй частинi стегново! истки вiдзначалось напруження вiд 21,1 до 28,9 МПа. У моделi з модульною системою зона максимального напруження (61,3 МПа) була на шийщ. Величини напружень у дiафiзарнiй частиш практично не вiдрiзняються вiд таких у моделi з кла-сичним ендопротезом i перебувають у межах вщ 21,6 до 25,8 МПа.
Рiвень напруження в зонах перелому на елемен-тах металевих конструкцiй моделей проксимального вщдшу стегново! кiстки з переломом типу 4 за Евансом при ендопротезуванш вщображено на дiа-грамi (рис. 20).
На дiаграмi чггко видно, що рiвень напруження в несучому стрижш модульно! конструкц!! в деилька разiв перевищуе такий у вщповщних контрольних точках моделi з ендопротезом. При використан-нi ендопротеза зона максимального напруження (34,6 МПа) визначаеться на гвинп, що фшсуе уламок великого вертлюга, а також у дiафiзi стегново!
истки на рiвнi дистального кiнця шжки ендопротеза (28,3 МПа). Величини напруження в зош перелому виявляються дуже незначними, практично на вшх дшянках перебувають на рiвнi вiд 4,5 до 19,0 МПа. У моделi з модульною системою зони шдвищених напружень припадають на несучий стрижень — 92,0 МПа в зош шийки, 73,0 МПа — в зош його перетину з штрамедулярним стрижнем, 70,3 МПа — на дистальному инщ. В шших контрольних точках по-казники величин напружень можуть бути порiвнян-ними з показниками в аналопчних контрольних точках моделi з ендопротезом.
На дiаграмi (рис. 21) наведеш даш про величини максимальних напружень у истково-мозковому каналi моделей з переломом типу 4.
Як i в попередшх моделях з переломами типу 2 i 3, нiжка ендопротеза та штрамедулярний стрижень модульно! системи навантажують стiнки истково-моз-кового каналу, що викликае пiдвищений рiвень напруження в кiстковiй тканиш — вiд 27,6 МПа до 40,5 МПа при ендопротезуванш звичайною конструкщею ендопротеза, вщ 28,8 до 47,1 МПа — при використанш мо-дульно! системи.
Отже, при ендопротезуванш кульшового суглоба з переломом типу 4 за Евансом величини напружень як у моделi з класичним ендопротезом, так i в моделi з модульною системою можуть бути порiвнянними практично в ушх контрольних точках. Виняток становить несучий стрижень модульно! системи, де показники напружень значно вищ^ шж в аналогiчних зонах зви-чайного ендопротеза.
Переломтипу 5
На рис. 22 наведена картина розподiлу напружень у моделi проксимального вiддiлу стегново! истки з переломом типу 5 за Евансом при використанш ендопро-тезування.
Проведеш дослщження показали, що при використанш звичайного ендопротеза в моделi проксимального вщдщу стегново! истки з переломом типу 5 максимальш напруження спостериаються в елементах ендопротеза, а саме в його шжщ та шийщ. 1нтенсив-
нiсть напруження в елементах истково! тканини мае значно нижчий рiвень.
Даш про максимальш напруження на зовшшнш по-верхнi моделей з переломом типу 5 наведено на дiагра-мi на рис. 23.
Велика рiзниця у величинах напружень спостериа-еться тiльки в дiлянцi шийки ендопротеза: у класично-го ендопротеза вони значно перевищують вiдповiднi показники в контрольних точках моделi з модульною системою. При використаннi стандартного ендопроте-за зона максимальних напружень припадае на шийку ендопротеза й становить 97,6 МПа на и верхнiй поверх-нi та 118,4 МПа — на нижнш. Найменш навантаженою зоною е дтянка малого вертлюга, де напруження становить лише 1,0 МПа, та зони, що прилягають до не!, де напруження не перевищуе 10,0 МПа. У дiафiзарнiй частиш стегново! истки спостериаються напруження вщ 21,1 до 23,8 МПа. При використанш модульно! сис-теми найбтьший рiвень напруження (88,2 МПа) спо-стерiгаеться у верхнiй частиш шийки. В шших контрольних точках напруження розподтяеться рiвномiрно i за абсолютними значеннями не перевищуе величини 25,4 МПа в дiафiзi стегново! кiстки та 17,3 МПа — у зош перелому.
Розрахунковi данi про значення величин макси-мальних напружень у зонах переломiв на металевих конструкцiях моделей проксимального вщдщу стегново! кустки з переломом типу 5 за класифшащею Еванса наведеш на дiаграмi (рис. 24).
При ендопротезуванш кульшового суглоба з верт-люжними переломами стегново! истки типу 5 при використанш звичайного ендопротеза максимальш значення напружень припадають на зону вздовж лшш переломiв — вщ 36,1 до 60,3 МПа. Також висоий рiвень напруження визначаеться на гвинтi, що фшсуе великий вертлюг, там цей показник сягае значення 37,8 МПа. У моделi з модульною системою максимальний рь вень напружень визначаеться на несучому стрижнi: 87,0 МПа — на його дистальному инщ, 70,2 МПа — на проксимальному та 84,7 МПа — у зош контакту з штра-медулярним стрижнем. В iнших контрольних точках рiвень напружень можна порiвняти з моделлю, у яий використовуеться ендопротез.
Наочно порiвняти рiвень напруження в истково -мозковому каналi моделей стегново! истки з переломами проксимального инця типу 5 за Евансом при ендопротезуванш дозволяе дiаграма (рис. 25).
Традицшно, як i для вшх дослiджених моделей, при використанш класичного ендопротеза в умовах пере-ломiв проксимального вiддiлу стегново! истки типу 5 рiвень напруження в истково-мозковому каналi визначаеться в межах вщ 25,8 до 45,8 МПа, використання модульно! системи призводить до аналопчного результату — вщ 31,0 до 52,3 МПа.
Отже, за результатами моделювання можна ствер-джувати, що при наявност переломiв проксимального вщдшу стегново! истки типу 5 за Евансом використання звичайного ендопротеза й модульно! системи призводять до появи зон шдвищених наван-
тажень саме в елементах металевих конструкцш, це пов'язано виключно з !х конструктивними особли-востями.
На завершення ми порiвняли величини максималь-них напружень, що виникають в елементах моделей стегново! истки з переломами проксимального вщдщу тишв 2—5 при використанш ендопротеза та модульно! системи (рис. 26).
Як показав проведений аналiз, використання модульно! конструкцп для ендопротезування стегново! истки при вах типах переломiв Г! проксимального вщщлу викликае в елементах моделей напруження, яи за максимальними показниками дещо нижчi за такi в моделi зi стандартними ендопротезами. Отже, в елементах металевих конструкцш, навпаки, мо-дульна система виявляеться бшьш напруженою. Рiв-нi напружень у истково-мозковому каналi е майже однаковим.
Висновки
При моделювання варiантiв ендопротезування проксимального вщдшу стегново! кiстки з вертлюж-ними переломами типiв 2—5 за класифшашею Еванса визначено, що модульна система при вшх типах пе-реломiв дозволяе значно знизити напруження практично в уах контрольних точках исткових елемен-тiв моделей. В елементах металевих конструкцш за рахунок значно меншо! жорсткост у вузлi з'еднання несучого стрижня з штрамедулярним в першому виникають зони пщвищеного напруження, абсолютна величина якого значно бшьша за показники моделi зi ендопротезом.
Конфлiкт штереяв. Автори заявляють про вщсут-нiсть конфлiкту iнтересiв при пiдготовцi дано! статп.
Список л1тератури
1. Little E.Al. A systematic review of the effectiveness of interventions to improve post-fracture investigation and management of patients at risk of osteoporosis / E.A. Little, M.P. Eccles // Implementation Science. — 2010. — Vol. 5. — P. 5-80.
2. Березовский B.Al., Колотилов Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека: Справочник. — К.: На-укова думка, 1990. — 224 с.
3. Образцов И.Ф., Адамович И.С., Барер И.С. и др. Проблема прочности в биомеханике: Уч. пособие для технич. и биол. спец. вузов. — М. : Высш. школа, 1988. — 311 с.
4. Gere J.M., Timoshenko S.P. Mechanics of Material. — 1997. — P. 912.
5. Янсон Х.А. Биомеханика нижней конечности человека. — Рига: Зинатне, 1975. — 324 с.
6. Зенкевич О.К. Метод конечных элементов в технике — М.: Мир, 1978. — 519 с.
7. Алямовский А.А. SolidWorks/COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов / А.А. Алямовский. — М.: ДМКПресс, 2004. — 432 с.
8. Спосб лжування уламкових переломiв, хибних суглобiв та переломв проксимального вiддiлу стегна тсля металоос-теосинтезу:Пат. № 101594 UA. МПКА61В 17/56(2006.01)/
Мазняков С.М., Гурбанова Т.С., Чеверда В.М., Хвисюк О.М., БабалянВ.О., Кальченко А.В., ЧереповД.В. №u20150209;за-явл. 10.03.2015;опубл. 25.09.2015, Бюл. № 18.
9. Бабалян В.О., Лук'янченко В.В., Кальченко А.В. Мо-дульний ендопротез шийки i голiвки стегновог шстки: Пат. № 108371 UA. МПК: A61F2/32, A61B17/74. № u201600892; заявл. 04.02.2016; опубл. 11.07.2016, Бюл. № 13.
10. Модульний ендопротез проксимального вiддiлу стегновог шстки: Пат. № 109846 UA. МПК: A61F 2/36/ Чеверда В.М., Лук'янченко В.В., Кальченко А.В., Хвисюк О.М., Бабалян В.О., Черепов Д.В. № u201602558; заявл. 16.03.2016; опубл. 12.09.2016, Бюл. № 17.
11. Модульний ендопротез шийки i головки стегновог кстки: Пат. № 109803 UA. МПК: A61B 17/56, A61F 2/32, A61F 2/36, A61B 17/72, A61B 17/74/Лук 'янченко В.В., Чеверда В.М., Черепов Д.В., Хвисюк О.М., Кальченко А.В.,
Бабалян В. О. № и201601835; заявл. 26.02.2016; опубл.
12.09.2016, Бюл. № 17.
12. Бабалян В.О., Лук'янченко В.В., Гурбанова Т.С. Споаб ттрамедулярного остеосинтезу переломiв проксимального вiддiлу стегновоИ шстки: Пат. № 113792. МПК А61В 17/56 (2006.01), А61В 17/74 (2006.01), А61Б 2/32 (2006.01). № и201609184; заявл. 01.09.2016; опубл.
10.02.2017, Бюл. № 3.
13. Модульна система для ттрамедулярного остеосинтезу переломiв проксимального вiддiлу стегновоИ шстки: Пат. № 114072 Ш. МПК А61В 17/56 (2006.01), А61В 17/74 (2006.01), А61Б 2/32 (2006.01) / Бабалян В.О, Во-лодькова Н.В., Лук'янченко В.В., Хвисюк О.М., Черепов Д.В. № и201609424; заявл. 12.09.2016; опубл. 27.02.2017, Бюл. № 4.
Отримано 11.02.2018 ■
Бабалян В.А.1, Карпинский М.Ю.2, Яресько А.В.2
1Харьковская медицинская академия последипломного образования, г. Харьков, Украина 2ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко НАМН Украины», г. Харьков, Украина
Анализ напряженно-деформированного состояния моделей вертельных переломов бедренной кости после эндопротезирования
Резюме. Актуальность. Переломы проксимального отдела бедренной кости у людей пожилого и старческого возраста являются сложной медико-социальною проблемою. Нами разработан и внедрен в медицинскую практику метод лечения переломов проксимального отдела бедренной кости. В основе данного метода лежит цементная биполярная гемиартропластика с аугментацией, фиксацией спицами и/или серкляжем у пожилых пациентов. Цель: разработать математическую модель вертельных переломов бедра по классификации Эванса и с ее помощью изучить основные зоны напряжений в проксимальном отделе бедра при эндопротезировании с дополнительной фиксацией отломков спицами. Материалы и методы. Для решения поставленной задачи были разработаны математические модели бедренной кости с вертельными переломами разных типов по классификации Эванса. Моделировали 4 типа переломов бедренной кости (типы
2—5 по Эвансу). При каждом типе переломов моделировали использование стандартного эндопротеза с фиксацией отдельных отломков спицами и модульного эндопротеза предложенной конструкции. Выводы. При моделировании вариантов эндопротезирования проксимального отдела бедренной кости с вертельными переломами типов 2—5 по классификации Эванса определено, что модульная система при всех типах переломов позволяет значительно снизить напряжение практически во всех контрольных точках костных элементов моделей. В элементах металлических конструкций за счет значительно меньшей жесткости в узле соединения несущего стержня с интрамедулярным в первом возникают зоны повышенного напряжения, абсолютная величина которого значительно больше, чем в модели с эндопротезом. Ключевые слова: переломы; эндопротезирование; проксимальный отдел бедренной кости
V.A. Babalian1, M.Yu. Karpinsky2, A.V. Jaresko2
1 Kharkiv Medical Academy of Postgraduate Education, Kharkiv, Ukraine
2State Institution "Sytenko Institute of Spine and Joint Pathology of the Academy of Medical Science of Ukraine", Kharkiv, Ukraine
Analysis of stress-strain state of trochanteric femoral fracture models after joint endoprosthesis
Abstract. Background. Recrowbars proximal femur in people of elderly and senile age are complex medical and social problem we developed and introduced into medical practice method for treatment of fractures of the proximal part of the femur at the core. This method is the bipolar gemiartroplastic with augmentation cement, detent spokes in elderly patients. The purpose was to develop a mathematical model of trochanteric hip fractures on the classification of Evans and using it to explore the main areas of tension in the thighs in the proximal section endoprotesis with extra fixation of fragments spokes. Materials and methods. For the task were developed mathematical models of femur fractures of spits different types of classification Evans. 4 types of Simulated fractures
of the femur (2-5 types on Evans). Each type of fracture simulated using a standard implant with fixing individual fragments knitting and modular Endoprosthesis of the proposed design. Conclusions. When modeling options for treating femoral proximal femur fractures spits 2-5 types for classification of Evans, it is determined that the modular system in all types of fractures, can significantly reduce the voltage, virtually all control points of bone modeling elements. In the elements of metal structures, at the expense of significantly lesser rigidity connection node bearing rod with intramedular, the first elevated stress zones occur where an absolute they are usually much higher than in the model with the prosthesis. Keywords: fractures; arthroplasty; proximal femoral bone
