CC BY
21
I
Лкарю, що практикуе
То Оепега! Ргао1Шопег
Травма
УДК 616.728.48-001.7-053.2-07:004.94 ШИМОН В.М., ШАРМАЗАНОВА О.П., АГ1Й В.1.
Ужгородський на^ональний ун'терситет, кафедра загально!хiрургii з курсами травматологи., оперативно!хiрургii та судово! медицини 1нститут травми, м. Ужгород
Д|АГНОСТИКА РОЗТЯГНЕННЯ (РОЗРИВ1В ЗВ'ЯЗОК) ГОМШКОВОСТОПНОГО СУГЛОБА В Д1ТЕЙ ¡3 УРАХУВАННЯМ КОМП'ЮТЕРНОГО МОДЕЛЮВАННЯ
Резюме. Удан/йробот/надано результатидосл/дженнянапружено-деформованого станузв'язокгомлко-востопного суглоба. У роботI були розглянутI двI розрахунковI схеми, що описують геометричн! модель яю мстять р/зн/ зв'язки. Дане досл/дження проводилося за допомогою методу юнцевих елемент/в. Ключов слова: напружено-деформований стан, зв'язковий апарат гомлковостопного суглоба, юнцево-елементна модель, екв1валентн1 напруження.
Вступ
Пошкодження зв'язюв гомшковостопного суглоба в дггей дуже часто д1агностують 1з похибками. Тому нами розроблено новий напрямок у д1агностищ ушко-джень зв'язок гом1лковостопного суглоба за допомо-гою математичного моделювання.
При несприятливих зовшшшх навантаженнях зв'язки суглоб1в можуть розтягуватися. У життед1яль-ност1 людини даш розтягування в1дбуваються з великими та середшми суглобами: тазостегновими, плечо-вими, зап'ястними, кол1нними та ш. Але найчаст1ше дан1 розтягування спостер1гаються в гом1лковостопних суглобах.
Така частота травматичних розтягнень викликана особливостями анатом1чно! будови гомшковостопного суглоба 1 виконуваних ним функцш.
Упровадження комп'ютерно! шженер!! в медичну практику дозволяе бшьш фундаментально дослщити механ1чну повед1нку б1осистеми, а саме зв'язок гомшковостопного суглоба. Таким чином, використання ство-рених комп'ютерних моделей суглоб1в може дати оцшку р1вня напружень, що виникають в елементах бюсисте-ми, а також дати змогу отримати картину розподшу напружень 1з характерними зонами, в яких досягаються максимальш значення напружень.
Метою дано! роботи е анал1з напружено-деформо-ваного стану зв'язок гомшковостопного суглоба шляхом дослщження на основ1 застосування комп'ютерно! модел1 гом1лковостопного суглоба людини за допомогою методу юнцевих елементав [1—4].
Постановка задач!
З розвитком 1 зростанням популярност1 екстре-мальних вид1в спорту зр1с 1 р1вень дитячого травматиз-
му, оск1льки батьки з бшьш раннього в1ку залучають д1тей до спорту. За даними вггчизняних 1 заруб1жних автор1в [5—7], у травмпункт щор1чно звертаються до 10—20 % дггей 1з травмами гомшковостопного суглоба, 70—75 % постраждалих мають травми зв'язкового апарату [6, 8].
Таким чином, пошкодження зв'язкового апарату гомшковостопного суглоба в дггей е одшею з найсклад-шших 1 невир1шених проблем травматологи та ортопе-ди. На сьогодш в1дсутня едина програма з д1агностики та тактики л1кування д1тей 1з травмами зв'язок гомш-ковостопного суглоба. До того ж у лггератур1 недо-статньо роб1т, що присвячеш д1агностиц1 та л1куванню ушкоджень зв'язок гомшковостопного суглоба в дггей та шдлггыв.
Завдяки процесу штеграци комп'ютерно! шженери в медичну практику шляхом створення тривим1рних геометричних моделей стало можливим описання р1з-них дшянок 1 сегмент1в людського скелета, розумшня фундаментально! основи мехашчно! повед1нки, що, у свою чергу, дае змогу правильно д1агностувати травму та розробити методи л1кування людини.
Таким чином, 1з метою проведення даних досль джень була побудована тривим1рна геометрична модель гомшковостопного суглоба з1 зв'язками. На рис. 1 представлено геометричну тривим1рну модель гомшковостопного суглоба. Побудована модель включала: великогомшкову, малогомшкову, таранну та п'яткову ыстки, а також задню та передню таранно-малогомш-ков1, п'ятково-малогом1лков1 зв'язки, переднш 1 задн1й
© Шимон В.М., Шармазанова О.П., Агш В.1., 2015 © «Травма», 2015 © Заславський О.Ю., 2015
60 Травма, ^БЫ 1608-1706 Том 16, №4 • 2015
Рисунок 1. Геометрична модель гом'шковостопного суглоба з!зв'язками
великогомшково-таранш пучки, великогомшково-п'ятковий пучок, межкiстковi хрящь Також модель була доповнена двома додатковими елементами — верхньою та нижньою опорами, що були додаш для ко-ректного прикладання закрiплення. Геометрична модель була побудована в програмному пакетi SolidWorks
[9], далi експортувалася в комплекс Ansys Workbench
[10], в якому виконувалася побудова кшцево-елемент-них моделей призначенням вщповщних властивостей матерiалiв i додатком навантаження i зовнiшнiх обме-жень.
Дат для дослiдження геометрична модель була ю-тотно спрощена, оскшьки було прийнято рiшення почергово навантажувати сторони ноги для почерго-вого дослщження зв'язок. Оскшьки зв'язки за своею природою працюють на розтягнення, то здшснюва-ти навантаження повно! моделi таким чином, щоб усi зв'язки працювали на розтягнення, моделюючи вивих гомшковостопного суглоба, не представляеться мож-ливим. Вщповщно, у результатi таких спрощень були отриманi двi розрахунковi схеми. Перша розрахункова схема включала в себе великогомшкову истку, а та-
кож переднш i заднiй великогомшково-таранш пучки, великогомтково-п'ятковий пучок. Друга розрахункова схема включала вс iншi зв'язки: передню та за-дню таранно-малогомiлкову, п'ятково-малогомiлкову зв'язки та малогомшкову кустку. На рис. 2 представлено геометричш моделi для дослщження зв'язок двох розрахункових схем.
Необхщшсть побудови повно! моделi була обумов-лена тим, щоб вiдповiдним чином домогтися максимально точного повторення форми самих зв'язок i профтю зони контакту з кiстками. Дал1 пiсля отриман-ня вiдповiдних форм i профiлiв, як було сказано вище, модель була максимально спрощена.
У процесi моделювання необидно зазначити таке: властивост матерiалiв людських тканин мають зна-чний дiапазон розбiжностi. У табл. 1 наведено фiзи-ко-механiчнi характеристики елементiв дослщжувано! моделi гомiлковостопного суглоба [11—18].
У побудованих инцево-елементних моделях засто-совувалися елементи двох типiв: SOLID186 (20-вуз-ловий кубiчний елемент) i SOLID187 (10-вузловий тетраедр). Звичайно кiнцево-елементна модель е ком-
Вид 1
Вид 2
2-га розрахункова схема
Вид 1
Вид 2
1-ша розрахункова схема
Рисунок2. Геометрична модель гомлковостопного суглоба з!зв'язками (спрощен дослщжуван1 геометричн! модел!)
Том 16, №4 • 2015
www.mif-ua.com
61
Таблиця 1. Ф1зико-механ!чн1 характеристики Таблиця 2. Прикладене навантаження
матер/ал/в
Мaтерiaл Модуль Юнга Е (МПа) Коефщент Пуассона v
Кортикальна кютка 10 000 0,3
Губчаста кютка 450 0,2
Суглобовий хрящ 10,6 0,49
Зв'язки 600 0,49
Розрахункова схема Координати
X Y Z
1-ша 100 100 0
2-га -100 100 0
бшованою, у нш використовуються елементи двох типiв, що дозволяють апроксимувати точну форму елементiв дослщжувано! моделi, а також дають високу апроксимацiю компонент напружено-деформованого стану.
Досл1дження напружено-деформованого стану зв'язок гомшковостопного суглоба людини
Як було зазначено вище, у дослiдженнi розглядали-ся двi розрахунковi схеми (рис. 2). Побудоваш кшцево-елементнi моделi натчували близько 325 тис. елементiв
для першо! розрахунково! схеми i 220 тис. елементав — для друго!. На рис. 3 представлено кшцево-елементш моделi для двох розрахункових схем.
У данш роботi як навантаження прикладалися сили таким чином, щоб змоделювати вивих гомт-ковостопного суглоба в рiзнi боки. У результат при-кладена сила розкладалася по осьовим компонентам. Величина прикладеного навантаження вибиралася вiдповiдним чином — так, щоб прикладене навантаження перевищувало вагу людини. У шдсумку отримана картина розподту напружень мае явно ви-раженi зони з максимальними значеннями. У табл. 2 наведено розкладання сили по компонентах у де-картовiй системi координат для двох розрахункових схем.
Рисунок3. К1нцево-елементн1 моделi гомлковостопного суглоба 3iзв'язками (спрощен1 дослщжуван! геометричш моделi)
Навантаження
Вид 1
Вид 2
Закртлення
Навантаження
Вид 1
Вид 2
Закртлення
1-ша розрахункова схема
2-га розрахункова схема
Рисунок 4. Прикладене навантаження та закртлення (спрощенi дослщжуваш геометричнi модел'1)
62
Травма, ISSN 1608-1706
Том 16, №4 • 2015
На рис. 4 представлен навантаження та за^плен-ня дослщжуваних моделей зв'язок гомiлковостопного суглоба для двох розрахункових схем.
Результати численних досл1джень напружено-деформованого стану зв'язок гомшковостопного суглоба людини
У результатi проведених дослщжень були отриманi поля розподiлу е^валентних напружень у зв'язках гомшковостопного суглоба. До того ж проводився аналiз отриманих полiв, що полягав у визначенш та розгля-да зон iз максимальними значеннями та визначеннi ix мiсцезнаxодження по довжиш зв'язки.
Список л1тератури
1. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L., Zhu J.Z. The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals. — Amsterdam; Heidelberg: Butterworth-Heinemann. — 2006. — 631 p.
2. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. — М.: Мир, 1975. —382 с.
3. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. — М.: Мир, 1979. —388 с.
4. Морозов Е.М., Никишков Т.П. Метод конечных элементов в механике разрушения. — М.: Наука, 1980. — 256 с.
5. Головня Д. В. Переломы костей, образующих голеностопный сустав у детей: Дис... канд. мед. наук. — 14.00.35. — М, 2002. — 168с.
6. Baert A., Reiser M. Sports Injuries in Children and Adolescents. — Heidelberg: Springer, 2011. — 219-230.
7. Marsh J.S., Daigneault J.P. Ankle injuries in the pediatric population // Current. Opinion in Pediatrics. — 2000. — № 12. — С. 52-60.
8. Pommering T.L., Kluchurosky L., Hall S.L. Ankle and foot injuries in pediatric and adult athletes // Primary care. — 2005. — № 32. — С. 133-161.
Шимон В.М., Шармазанова О.П., Агий В.И. Ужгородский национальный университет, кафедра общей хирургии с курсами травматологии, оперативной хирургии и судебной медицины Институт травмы, г. Ужгород
ДИАГНОСТИКА РАСТЯЖЕНИЯ (РАЗРЫВОВ СВЯЗОК)
ГОЛЕНОСТОПНОГО СУСТАВА У ДЕТЕЙ С УЧЕТОМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Резюме. В данной работе представлены результаты исследования напряженно-деформированного состояния связок голеностопного сустава. В работе были рассмотрены две расчетные схемы, описывающие геометрические модели, которые содержат различные связки. Данное исследование проводилось с помощью метода конечных элементов.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, связочный аппарат голеностопного сустава, конечно-элементная модель, эквивалентные напряжения.
9. Solidworks // http://www.solidworks.com/
10. ANSYS Workbench // http://www.ansys.com/
11. Natarajan R.N., Chen B.H., An H.S., Andersson G.B.J. Anterior cervical fusion: a finite element model study on motion segment stability including effect of osteoporosis // Spine. - 2000. - Vol. 25, № 8. - P. 955-961.
12. Веретельник Ю.В., Веретельник О.В., Тимченко И.Б., Дынник А.А., Соснина Ю.К. К вопросу о построении параметрических моделей шейного отдела позвоночника // Вестник НТУХПИ. Тем. вып. «Машиноведение и САПР». - 2007. - № 29. - С. 16-20.
13. Nolan J.P., Sherk H.H. Biomechanical evaluation of the extensor musculature of the cervical // Spine. — 1988. — Vol. 13. - P. 9-11.
14. Panjabi M.M., Durenceau J., Goel V. еt al. Cervical human verterbrae: quantitative three-dimensional anatomy of the middle and lower regions // Spine. — 1991. — Vol. 16, № 8. - P. 861-869.
15. Веретельник О.В. Моделирование напряжений в шейном отделе позвоночника с ортезом // Вестник НТУ ХПИ. Тем. вып. «Машиноведение и САПР». — 2008. — № 9. - C. 22-29.
16. Веретельник О.В. Обзор конструктивных схем и решений по моделированию ШОП и ортезов // Вестник НТУ ХПИ. Тем. вып. «Машиноведение и САПР». — 2008. - № 42. - C. 3-8.
17. Heitplatz P., Hartle S.L. and Gentle C.R.. A 3-dimensional large deformation FEA of a ligamentous C4-C7 spine unit// Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. — Gordon and Breach Science, UK, 1998. — 2. — Р. 387-394.
18. Веретельник О.В. Моделирование реакций на силовое воздействие элемента шейного отдела позвоночника // Вестник НТУ ХПИ. Тем. вып. «Машиноведение и САПР». - 2008. - № 2. - С. 14-26.
Отримано 09.08.15 ■
Shymon V.M., Sharmazanova O.P., Ahii V.I. Higher State Educational Institution «Uzhhorod National University», Department of General Surgery with the Courses of Traumatology, Operative Surgery and Forensic Medicine, Uzhhorod
Trauma Institute, Uzhhorod, Ukraine
DIAGNOSIS OF STRAIN (RUPTURE OF LIGAMENTS) OF ANKLE JOINT IN CHILDREN WITH THE HELP OF COMPUTER SIMULATION
Summary. This article presents the results of the study on stressstrain state of ankle ligaments. Two analytical diagrams that describe geometric models containing various ligaments have been considered in the paper. This study was conducted using the finite element method.
Key words: stress-strain state, ankle ligaments, finite element model, equivalent stresses.
TOM 16, №4 • 2015
www.mif-ua.com
63
