CC BY
51
I
Лкарю, що практикуе
To General Practitioner
' равма
УДК 616.728.2-06-089-77:612.76
ЛАЗАРЕВ I.A., КОСТОГРИЗ О.А., СКИБАН М.В.
ДУ «Нститут травматологи та ортопедИ НАМН Украни», м. Кив
BiOMEXAHiHHE ОБГРУНТУВАННЯ РОЗВИТКУ ТА ПРОГРЕСУВАННЯ СТРУКТУРНИХ 3MiH У ТРАВМОВАНОМУ XРЯЩi КOЛiHHOГO СУГЛОБА
Резюме. Пд час х'рург'чних артроскопчнихвтручань псля травм колнного суглоба часто спостерiга-ються структура змiни суглобового хряща у виглядi длянок розм'якшення хряща з його флюктуа^ею. Це викликано швидкою втратою води матриксом колагену i вдшаруванням хряща вд субхондральноI кстки. На основi iмiтацiйного моделювання методом юнцевих елеменпв вивчен механiзми руйнування суглобового хряща колiнного суглоба в умовах гостроI травми i при подальшому функцональному навантажен^. На моделi суглобового хряща виростюв стегна сформована ослаблена дiлянка дiа-метром 10 мм, в яюй механiчнi властивост зменшенi у 2 рази для iмiтацíi длянки ушкодження. Макси-мальнi показники напружень на хрящi виникають на кордонi переходу рiзних механiчних властивос-тей i на суглобовiй поверхнi перевищують показники iнтактнихдлянокв 6,9раза, а на субхондральнiй поверхнi — в 4,2 раза. Концентращя напружень зосереджена в зонi переходу властивостей на iнтак-тн'!й длянц хряща, тодi як на пошкодженiй ^лянц з ослабленими властивостями напруження значно меншi, хоча також розташованi на кордонi рiзних властивостей. Максимальнi показники деформащй локалiзуються на длянц травмованого суглобового хряща зi змiненими механiчними властивостями. У зв'язку з цим на кордонi переходу механiчних властивостей интактного i пошкодженого хряща може з'явитися вдавлена трiщина з подальшим поширенням зони руйнування хряща. Бльш значна шкдлива дiя вiдбуваеться на переходi механiчних властивостей з боку iнтактноi зони, ^ж зони пошкодження. Мсце переходу iнтактноi хрящовоI тканини в ослаблену внаслдок травми стае концентратором напружень i мюцем подальшого прогресуючого руйнування суглобового хряща при ци^чних наванта-женнях, з поширенням зони пошкодження.
Ключов'1 слова: кол'1нний суглоб, суглобовийхрящ, зона ушкодження, напруження, деформащя.
Вступ
В умовах техшчного прогресу у процеш розвитку виробництва збшьшуеться кшьшсть травм, серед постраждалих 80 % oci6 молодого вшу [2], травма-тичш ураження колшного суглоба (КС) становлять 10—24 % вщ уах травм нижньо! кшшвки [1]. Частота ушкоджень суглобового хряща, iзольованих та поеднаних з ушкодженням шших тканинних структур колшного суглоба, дорiвнюе 48—61,5 % [4].
Шд час хiрургiчних артроскошчних втручань у хворих шсля травм колшного суглоба досить часто спостертаються змши суглобового хряща, що являють дшянки пом'якшення суглобового хряща, на яких при пальцьовому дослщженш визначаеться флюктуащя. На МРТ дшянка пом'якшення суглобового хряща виглядае як локальне вщшарування його з накопиченням (або без нього) рщини мiж шаром хряща та шдхрящовою шстковою пластинкою (рис. 1). 1снуе думка, що ш структурш змши викликаш швидкою втратою рщинно! фази тканин, насамперед рщини колагенового матриксу суглобо-вого хряща.
Залишення таких змш без уваги призводить до руйнування структури та формування дефекту суглобового хряща, подальшого оголення шдхрящо-во! субхондрально! шстково! пластинки та прогресуючого розвитку дегенеративно-некротичних змш хрящово! та шстково! тканин, тобто деформiвного артрозу. Вчасне кшшчне та шструментальне вияв-лення патолопчних змш з боку суглобового хряща шсля травми колшного суглоба та ранне адекватне медикаментозне та артроскошчне усунення визна-ченого ураження попереджае розвиток прогресую-чих патолопчних змш у травмованому суглобь
Мета дослщження — на основi комп'ютерного iмiтацiйного моделювання гострого травматичного ушкодження колшного суглоба визначити мехашзм руйнування та прогресування деструктивного про-цесу з боку суглобового хряща при функцюнальному навантаженш.
© Лазарев I.A., Костогриз О.А., Скибан М.В., 2014 © «Травма», 2014 © Заславський О.Ю., 2014
Рисунок 1. Локальне вдшарування суглобового хряща з накопиченням рдини м!ж шаром хряща та пдхрящовою к!стковою пластинкою
Матер1али та методи
Для пояснення мехашзму виникнення шсля травми колшного суглоба в дшянщ удару поверх-нi суглобового хряща порушення локально! струк-турно-функцюнально! оргашзацп хряща, з якого починаеться його руйнування, побудовано кшце-во-елементну модель колшного суглоба, на якш на суглобовому хрящi виростка стегна утворювали ослаблену дiлянку хряща дiаметром 10 мм, що iмi-туе дшянку ушкодження з втратою води матриксом та мехашчних властивостей. На рис. 2 наведена роз-рахункова модель КС (а) та його елементи — фемо-ральний компонент (б), суглобовий хрящ виростшв
Рисунок 3. Схема розрахунку (а) та юнцево-елементна модель (б) колшного суглоба
стегна (в), мешски (г), суглобовий хрящ тибiально-го компонента (д), тибiальний компонент (е).
На наступному еташ модель експортували в програмне середовище ЛК8У8 для подальшого розрахунку. На рис. 3а наведено умови закршлення i навантаження моделi, на рис. 3б — кшцево-еле-ментну модель, яка налiчуе 146 970 точок та 81 556 елеменпв.
Модель колшного суглоба була закршлена за дистальний вiддiл тибiального компонента. Силу 750 Н, що дорiвнювала середньостатистичнш масi тiла людини, прикладали зверху до феморального компонента колшного суглоба. На дослщжуваних дiлянках та на дшянках переходу механiчних властивостей матерiалу для збiльшення точност роз-рахункiв кiнцево-елементна сiтка зроблена бшьш густою. Для розрахунку застосовували мехашчш
Рисунок 2. Тривимрна твердотльна бюмехан/чна модель КС
Таблиця 1. Механ1чн1 властивост юстково/ та хрящово/ тканини
Тканина та и' стан Е, Па V
Кюткова тканина (норма) 1,2-108 0,3
Хрящ (норма) 1,56-106 0,25
Хрящ (ушкодження матриксу) 0,75-106 0,2
властивост суглобового хряща, яы взятi з лиера-турних джерел. Значення модуля пружност та кое-фiцieнта Пуассона наведеш у табл. 1 [3, 5].
Розрахунки проводили тшьки для суглобового хряща та субхондрально! кютково! тканини вирос-тка стегново! шстки.
Результати та Тх обговорення
За отриманими результатами розрахуншв макси-мальш показники напружень (стшах) виникають на межi переходу неушкодженого суглобового хряща в дшянку ушкодження, механiчнi властивост яких рiзнi (рис. 4а та 4б).
Так, на суглобовiй поверхш хряща на межi змiни мехашчних властивостей напруження перевищують показники штактних дiлянок у 6,9 раза. При цьому на субхондральнш поверхнi суглобового хряща напруження на межi переходу були майже в 4,2 раза бшьш^ шж в шших iнтактних дiлянках. Порiвню-ючи показники напруження на межi здорового суглобового хряща з показниками дшянки його ушкодження ми бачимо, що !х значення на перехщнш дшянщ бiльшi у 2,8 раза, що порiвнянно менше за аналопчш показники на iнтактних дiлянках. Як ви-
Рисунок 4. НДС суглобового хряща колнного суглоба при травмi (пояснення в тексту
Рисунок 5. НДС субхондральноï юстки стегнового компонента кульшового суглоба при травмi
Л: Static Structural
Equivaut Straiï 9 Type: Équfwtent fyon-M««) Strî ss Unit i.'Pa Time: 1
I
1.0936 M«
MIML liSlïS
о 73m
0ШШ17 №n
emax = 0,01 мм
б
дно, максимальш напруження зосередженi на межi штактного суглобового хряща з дiлянкою ушкодже-ного, тодi як на ушкодженш дiлянцi напруження значно меншi.
Максимальш показники деформацш (етах) зо-середжеш саме на дiлянцi ушкодження травмова-ного суглобового хряща iз змшеними механiчними властивостями (зона розм'якшення) (рис. 4г). Це означае, що при навантаженш масою тiла 75 кг ця дшянка зминаеться набагато бшьше, шж iнтактний суглобовий хрящ. Тому на межi переходу мехашч-них властивостей штактного хряща в дшянку ушко-дженого суглобового хряща можуть виникати вдав-лення та трщини, з подальшим поширенням зони руйнування.
Субхондральна шсткова тканина також реагуе змшою НДС у дiлянках проекцп' суглобового хряща iз змiненими механiчними властивостями (рис. 5).
Так, на дшянках змши властивостей максималь-нi напруження вдвiчi бiльшi, нiж на шших оточую-чих дiлянках. Рiвень деформацш перевищуе в 1,4 раза деформацп' в шших дшянках. Таы змiни на-пружено-деформованого стану можуть порушити зв'язок хряща iз субхондральною кiстковою тканиною та прискорити дегенеративш процеси в пбю-феморальнiй зонi.
Висновки
1. Пiдвищенi показники механiчних напружень виникають на межi переходу неушкодженого хряща в дiлянку ушкодженого внаслшок травми (удару) суглобового хряща.
2. Зосереджеш на дiлянцi ушкодження травмо-ваного суглобового хряща максимальнi показники деформацш при навантаженш масою тша можуть
викликати вдавлення та трщини з подальшим по-ширенням зони руйнування.
3. Мюце переходу iнтактноï хрящово!' тканини в дшянку ушкоджено!', викликаючи локальну кон-центрацiю напружень, стае чинником подальшого руйнування та поширення зони ушкодження суглобового хряща.
4. При динамiчних навантаженнях шд час ходи руйнуючий ефект посилюеться, що й призводить до прискорення прогресування ушкодження суглобового хряща.
Список л1тератури
1. Королев al. В. Физическая реабилитация пациентов после артроскопических операций на коленном суставе / Королев A.B., Головская В.В., Дедов С.Ю. и др. // Скорая медицинская помощь. Специальный выпуск. — Санкт-Петербург, 2003. — 48 с.
2. Маланин Д.А Экспериментальные аспекты изучения хондрогенного потенциала мезенхимальных плюрипо-тентных и малодифференцированных клеток, культивируемых in vivo/Маланин ДА., Писарев В.Б., Шилов В.Г. и др. //Гений ортопедии. — 2002. — № 1. — С. 90-98.
3. Маланчук В.О. 1мтацшне комп 'ютерне моделювання в щелепно-лицевш хiрургiï. Навчальний поабник/Маланчук В.О., Крищук М.Г., Копчак A.B. — К.: Видавни-чш дiм «Аскашя», 2013. — 231 с.
4. Angermann P. Arthroscopic chondrectomy as a treatment of cartilage lesions / Angermann P., Harager K., Tobin L.L. // Knee Surg. Sports. Traumatol. Arthrosc. — 2002. — Vol. 10(1). — P. 6-9.
5. Kubiœk M. Stress strain analysis of knee joint Engineering / Kubkek M., Florian Z. // Mechanics. — 2009. — Vol. 16(5). — P. 315-322.
Отримано 26.08.14 ■
Лазарев И.А., Костогрыз О.А., Скибан М.В.
ГУ «Институт травматологии и ортопедии НАМН Украины»,
г. Киев
БИОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗВИТИЯ И ПРОГРЕССИРОВАНИЯ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В СУСТАВНОМ ХРЯЩЕ КОЛЕННОГО СУСТАВА
Резюме. Во время хирургических артроскопических вмешательств после травм коленного сустава часто наблюдаются структурные изменения суставного хряща в виде участков размягчения хряща с его флюктуацией. Это вызвано быстрой потерей воды матриксом коллагена и отслоением хряща от суб-хондральной кости. На основе имитационного моделирования методом конечных элементов изучены механизмы разрушения суставного хряща коленного сустава в условиях острой травмы и при дальнейшей функциональной нагрузке. На модели суставного хряща мыщелка бедра сформирован ослабленный участок диаметром 10 мм, на котором механические свойства уменьшены в 2 раза для имитации участка повреждения. Максимальные показатели напряжений на хряще возникают на границе перехода разных механических свойств и на суставной поверхности превышают показатели интактных участков в 6,9 раза, а на субхондральной поверхности — в 4,2 раза. Концентрация напряжений сосредоточена в зоне перехода свойств на интактном участке хряща, тогда как на поврежденном участке с ослабленными свойствами напряжения значительно меньшие, хотя также расположены на границе разных свойств. Максимальные показатели деформаций локализуются на участке травмированного суставного хряща с измененными механическими свойствами. В связи с этим на границе перехода механических свойств интактного и поврежденного хряща может появиться вдавленная трещина с дальнейшим распространением зоны разрушения хряща. Более значительное повреждающее воздействие происходит на переходе механических свойств со стороны интактной зоны, чем зоны повреждения. Место перехода интактной хрящевой ткани в ослабленную вследствие травмы становится концентратором напряжений и местом дальнейшего прогрессирующего разрушения суставного хряща при циклических нагрузках, с распространением зоны повреждения.
Ключевые слова: коленный сустав, суставной хрящ, зона повреждения, напряжение, деформация.
Lazarev I.A., Kostohryz O.A., Skiban M.V.
SI «Institute of Traumatology and Orthopedics of NAMS of
Ukraine», Kyiv, Ukraine
BIOMECHANICAL SUBSTANTIATION OF DEVELOPMENT AND PROGRESSION OF STRUCTURAL CHANGES IN KNEE JOINT
Summary. During kneehole surgeries after knee injury there are often determined structural changes of articular cartilage as areas of cartilage softening with its fluctuation. It is resulted by rapid water loss by collagen matrix and cartilage abruption from subchondrial bone. On the basis of imitating modeling by the finite elements method the mechanisms of destruction of a knee articulate cartilage in acute trauma and at further functional loading were studied. On a model of an articulate cartilage of the hip condyle the weakened site with a diameter of10 mm with twice reduced mechanical properties, imitating a damage site, has been created. The maximum stress on a cartilage arise on the border of transition of different mechanical properties and on an articulate surface exceed levels in intact sites by 6.9 times, and on a subchondrial surface by 4.2 times. Stress concentrated in a zone of transition of properties on an intact site of a cartilage, whereas on a damaged site with the weakened properties the stress considerably lower though they are also located on the border of different properties. The maximum strain localized on the injured articulate cartilage with the changed mechanical properties. Because of it, on border of mechanical properties transition of the intact and injured cartilage there can be a pressed crack with further distribution of a zone of cartilage destructions. More considerable damaging influence occurs on mechanical properties transition area from an intact zone rather than a damage zone. The place of transition of intact cartillage to weakened one because of trauma becomes the concentrator of stress and a place of further destruction progressing of an articulate cartilage at cyclic loadings, with wide distribution of damaged area.
Key words: knee, articulate cartilage, zone of damage, stress, strain.
