CC BY
10УДК 616.718.55/.65 - 001.5 - 089.22 - 74 : 615.464 DOI http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.3773142
1В. М. Шимон, Ю. Ю. Меклеш, 2М. А. Ткачук, 2О. В. Веретельник, 2М. М. Ткачук
НАПРУЖЕНО - ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН ЕЛЕМЕНТ1В Б1ОМЕХАН1ЧНИХ СИСТЕМ ПРИ ОСКОЛКОВИХ ТРАВМАХ ТА 1НШИХ УШКОДЖЕННЯХ Д1АФ1ЗАРНО1 ЧАСТИНИ ВЕЛИКОГОМ1ЛКОВО1 К1СТКИ
^жгородський нацюнальний унiверситет;
2Нацiональний технiчний унiверситет «Харшвський полiтехнiчний шститут»
Summary. Shimon V. M., Meklesh Yu. Yu., Tkachuk M. A., Veretelnick O. V., Tkachuk M. M. TENSILE-DEFORMED CONDITION OF THE BIOMECHANICAL SYSTEMS AT FRAGMENTAL TRAUMA AND OTHER DAMAGES OF TIBIA. - Uzhgorod National University; National Technical University "Kharkov Polytechnical Institution; e-mail: [email protected]. When modeling the different types of destruction of the diaphyseal part of the tibia, the redistribution of emerging stresses occurs because the trauma loses the integrity of the entire biological system. In this case, there is a redistribution of the load and the most loaded areas are found healthy areas of the bone or additional fixation systems, while there is a reduction of stresses on the affected area of the bone. The stresses obtained for the spongy tissues for the two stages of the studies for some design schemes have higher values, these values correspond to porous hydroxyapatite. Studies of the first stage have shown that with the redistribution of stresses in healthy areas of the bone, with injuries increase the flexibility of the entire tibia, the use of porous hydroxyapatite contributes to the reduction of complete displacements. The studies of the second stage showed that complete displacements obtained during the simulation of bone damage, as well as surgical treatment by replacing the damaged tissue with porous hydroxyapatite in the diaphyseal part of the tibia, have a variation of values less than 1%. In the analysis of the obtained maximum values of equivalent stresses for tibia elements it is established that they do not exceed the tensile strengths, which for cortical bone is 160 MPa, for spongy - 16 - 22 MPa, for porous hydroxyapatite is more than 50 MPa, and also for 600 tons -1000 MPa. The use of porous hydroxyapatite in the surgical treatment of shrapnel injuries and other bone tissue damage is an effective tool for restoring the complete structure of bone.
Key words: stress-strain state, tibia, fixing system, porous hydroxyapatite, finite element method, equivalent stresses, complete displacements.
Реферат. Шимон В. М., Меклеш Ю. Ю., Ткачук М. А., Веретельник О. В., Ткачук М. М. НАПРЯЖЕННО - ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ ОСКОЛОЧНЫХ ТРАВМАХ И ДРУГИХ ПОВРЕЖДЕНИЯХ ДИАФИЗАРНОЙ ЧАСТИ БОЛЬШЕБЕРЦОВОЙ КОСТИ. При
моделировании разных типов разрушения диафизарной части большой берцовой костки человека имеет место перераспределение возникающих напряжений, поскольку при травмах нарушается целостность всей биосистемы. Наибольшая нагрузка возникает в области здорового участка кости или дополнительных систем фиксации, а на пораженном участке кости она уменьшается. Исследование проводили в два этапа. Исследования первого этапа показали, что при перераспределении напряжения на здоровых участках кости податливость увеличивается по всей ее поверхности, при этом использование пористого гидроксиапатита способствует уменьшению полных перемещений. Исследования, проведенные на втором этапе, показали, что полные перемещения, полученные в ходе моделирования повреждений костной ткани, а также оперативного лечения путем замещения поврежденных тканей пористым гидроксиапатитом в диафизарной части большой берцовой кости, имеют расхожение значений менее 1%.
© Шимон В. М., Меклеш Ю. Ю., Ткачук М. А., Веретельник О. В., Ткачук М. М.
При анализе полученных максимальных значений эквивалентных напряжений для элементов большой берцовой кости установлено, что они не превышают границ мощности, установленной для кортикальной кости - 160 МПа, для губчатой - 16 - 22 МПа, для пористого гидроксиапатита - более 50 МПа, а для титана - 600-1000 МПа. Применение пористого гидроксиапатита при оперативном лечении осколочных травм и других повреждений костной ткани представляет собой эффективное средсво для восстановления целостности структуры кости.
Ключевые слова: стресс-напряженное состояние, большая берцовая кость, фиксирующая система, пористый гидроксиапатит, метод конечных элементов, полное замещение.
Реферат. Шимон В. М., Меклеш Ю. Ю., Ткачук М. А., Веретельник О. В., Ткачук М. М. НАПРУЖЕНО - ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН ЕЛЕМЕНТ1В Б1ОМЕХАН1ЧНИХ СИСТЕМ ПРИ ОСКОЛКОВИХ ТРАВМАХ ТА 1НШИХ УШКОДЖЕННЯХ ДIАФIЗАРНОÏ ЧАСТИНИ ВЕЛИКОГОМIЛКОВОÏ К1СТКИ. При
моделюванш рiзних характерiв руйнування диафизарной частини великогомшково1 к1стки людини вiдбуваeться перерозподiл виникаючих напружень, тому що при травмах втрачуеться цiлiснiсть всieï бiологiчноï системи. При цьому спостерiгаeться перерозподiл навантаження i найбiльш навантаженими областями виявляються здоровi дiлянки к1стки або додатковi системи фiксацiï, при цьому мае мюце зменшення напружень на ураженш дiлянцi к1стки. Напруження, отриманi для губчастих тканин для двох етатв дослiджень для деяких розрахункових схем, мають бiльш висок1 показники, даш значения вiдповiдають пористому гiдроксиапатиту. Дослщження першого етапу показали, що при перерозпод^ напружень на здоровi дмнки к1стки, при травмах спостерiгаються збшьшення пiддатливостi всiй великогомшково1' к1стки, застосування пористого пдроксиапатиту сприяе зменшенню повних перемщень. Дослiдження другого етапу показали, що повш перемiщення отриманi в ходi моделювання ушкоджень к1сткових тканин, а також оперативного лшування шляхом замщення пошкоджених тканин пористим пдроксиапатитом в диафизарнiй частини великогомiлковоï шстки, мае розкид значень менше 1%. При аналiзi отриманих максимальних величин екывалентних напружень для елементiв великогомiлковоï к1стки встановлено, що вони не перевищують меж мiцностi, як1 становлять для кортикально1' к1стки 160 МПа, для губчасто1' - 16 - 22 МПа, для пористого пдроксиапатиту становить понад 50 МПа, а також для титану - 600-1000 МПа. Застосування пористого пдроксиапатиту в оперативному лшуванш осколкових травм та шших пошкоджень шсткових тканин е ефективним засобом для вщновлення цшсно1" структури к1стки.
Ключовi слова: стресово-напружений стан, великогомiлкова к1стка, фiксуюча система, пористий пдроксиапатит, метод к1нцевих елеменпв.
Вступ. Правильний вибiр методiв лшування переломiв довгих исток, наприклад великогомiлковоï, нерозривно пов'язане з аналiзом напружено-деформованого стану майбутньо1' бiомеханiчноï системи. При цьому, як ввдомо, переломи можна класифiкувати за мiсцем локалiзацiï (дiафiзарнi, проксимальнi, дистальнi) i за характером руйнування (поперечт, гвинтоподiбнi, косi, осколковi тощо). Також, в даний час, для лшування переломiв довгих исток е достатня к1льк1сть фiксуючих систем (наистковий, стрижневi, iнтрамедулярнi, комбiнованi тощо). В1дпов1дно перед лiкарем виникае проблематика оптимального вибору найбшьш ефективно1' методики лшування iз застосуванням найбiльш придатною фiксуе системи. Тому дослвдження i аналз напружено-деформоваиого стану елеменпв бюмехатчно1' системи набувае важливого i актуального значення для найбiльш оптимально1' i правильно1' методики лiкуваиия.
На сьогодш така оцiнка може бути отримана завдяки впровадженню комп'ютерно1' iнженерiï на основi математичного моделювання в медицину, коли при виборi методики л^вання лiкар мае iнформацiю про можливi i рацiонально обгрунтовани шляхi л^вання i можливих технологiй лiкування травми або пошкодження пацiента.
Застосування даного тдходу дозволяе отримати повну картину напружено-деформованого стан елеменпв бюмехатчно1' системи: значення нормальних i дотичних напружень i деформацiй, еквiвалентних напружень von -Mises, величину i напрямок
головних, дотичних i повних перемiщень, i деформацiй. Провести оцiнку концентрацп напружень для пе! чи шшо! фжсуе системи. Дану оцiнку необхiдно проводити так як в бiомеханiчних системах, з одного боку домогтися стабшьносп остеосинтезу i зниження дiючих напружень в необхщно! областi, а з шшого боку не допустити високо! концентрацп напружень в мюцях контакту фжсуе системи i к1сткових тканин, а це в свою чергу дозволити уникнути мпрацд фiксаторiв i розхитуваннi фжсуе системи, що сприяе збереженню умов стабшьного остеосинтезу.
Порiвняльний аналiз отриманих результатiв математичного моделювання дозволить оцшити придатнiсть пе! чи шшо! фжсуе системи для розробки оптимально! методики л^вания, а також прогнозування подальших вiдновлювальних i реабiлiтацiйних заходiв [1].
Для проведения дослщжень, в даний час, найбшьш широко i ефективно використовуеться метод сииченних елементiв [2-6]. Використания даного методу дозволяе описати найбшьш точно складнопрофшьну геометричну форму исток людини. У свою чергу, необхшно враховувати, що довгi истки, наприклад, великогомiлкова, яка входить до складу опорно-рухового апарату, мають сути анатомiчнi особливостi для рiзних вжових груп, а також спостерiгаються i iстотнi вiдмiнностi i всерединi них. Завдання ускладияеться i тим, що профшь довго! к1стки, на прикладi великогомшково!, е складним, i отримати аналiтичний опис форми неможливо
Експериментальш дослiджения задач такого роду пов'язаш зi значними труднощами i неможливютю !х проведения взагалi, а також проведення експериментальних дослiджень пов'язано з етичними нормами.
Важливим аспектом таких дослщжень е те, що моделювання бюлопчних i бiомеханiчних процеав пов'язано з необхiднiстю варiювания параметрiв, як1 впливають на напружено-деформований стан системи в цшому. Реалiзувати варiативнiсть дае змогу використання адаптованого узагальненого параметричного методу опису складних бiологiчних i бюмехашчних систем.
Актуальнiсть даних дослiджень обумовлена тим, що впровадження комп'ютерно! iнженерil в медичну практику дае змогу спрогнозувати поведiнку елементiв людського скелета в результата дл рiзних травм. При цьому за допомогою тривимiрного моделювання можиа спрогнозувати i вибрати методику л^вання, так само як i зробити вибiр того чи шшого рiзновиду фжсуючо! системи.
Матерiали i методи. Дана робота присвячена моделюванню напружено-деформованого стану великогомшково! к1стки людини, пiсля проведення оперативного л^вання з вiдновления цiлiсностi истки при осколково! травмi з використанням фiксуючою системою, а також замщення пошкоджених тканин пористим гiдроксиапатитом.
Дане дослщження складалося з двох етатв дослiджень. В рамках першого етапу були розглянутi п'ять рiзних розрахункових схем: перша - iнтактна (без патолопчних змiн i захворювань з вихщними властивостями матерiалiв вiдповiдних частин дослщжувано! конструкцil), друга i четверта - моделi з моделюванням рiзних характерiв осколкового руйнування дiафiзарноl частини истки, третя i п'ята - модель, яи описують оперативне л^вання з застосуванням фiксуючих систем. Для проведення другого етапу штактна модель була перебудована таким чином - була видшена область з пошкодженими истковими тканинами дiафiзарноl частини истки, яка мае цилiндричну форму. В даному дослщженш були розглянутi моделi з рiзними дiаметрами цилiндричноl обласп.
Дослiджения проводилися за допомогою програмного комплексу Ansys Workbench [7]. В якому виконувалося побудова ск1иченно-елементно1 модел^ призначения вiдповiдних фiзико-механiчних властивостей матерiалiв, додавалися навантажения i закрiпления, а також додатковими умови i здшснювалося безпосередне проведения розрахунк1в для визначення компонент напружено-деформованого стану елементiв, дослщжуваних бiологiчних i бiомеханiчних моделей. Вихщш геометричнi моделi були побудованi в програмному пакетi SolidWorks [8].
Властивосп матерiалiв людських тканин мають значний дiапазон розкиду в залежиостi вщ вiку, статi, iндивiдуальних особливостей тощо. При цьому, використания рiзних конструкцш небiологiчного походжения, наприклад фiксуючоl конструкцп, збiльшують дiапазон розкиду, тим самим створюючи бюмехашчну систему, яка мютить
матерiали, яи рiзко вiдрiзняються властивостями. Використовуваш в дослiдженнi фiзико-механiчнi властивосп матерiалiв наведенi в табл.1 [9 -17].
Таблиця 1
Фiзико-мехашчш характеристики матерiалiв
Матерiал Модуль Юнга Е, (МПа) Коефщент Пуассона V
Кортикальна истка 10 000 0,3
Губчаста истка 450 0,2
Суглобовий хрящ 10,6 0,49
Пористий пдроксиапатит 372 000 0,3
Титан 102 000 0,3
Дослiдження напружено - деформованого стану елеменив бшмехашчноТ системи. Дане дослщження, як було зазначено вище, проводилося в два етапи. В рамках першого етапу розглядалося два рiзних осколкових руйнування дiафiзарно! частини великогомшково! к1стки. Для цього тривимiрна геометрична модель була перебудована таким чином - були видшеш частини, вщповщт осколковому руйнуванню дiафiзарно! частини великогомшково! истки. Цей подш геометрп було зроблено з метою призначення вiдповiдних фiзико-механiчних властивостей к1сткових тканин для пошкоджено! областi -шару руйнування, а також видшення основно! частини i освiчених осколков. Було побудовано п'ять розрахункових схем: 1 -а розрахункова схема вшповшае штактно! моделi ноги людини; 2-а розрахункова схема - моделювання осколково! травми руйнування, для пошкодженого шару призначалися зменшенi значення модуля пружностi; 3 -я розрахункова схема - модель описуе оперативне лжування, з використанням системи фшсаци, а також для пошкодженого шару призначалися фiзико-механiчнi характеристики пористого пдроксиапатиту; 4-я розрахункова схема - аналопчна 2-й за винятком характеру руйнування дiафiзарноl частини великогомшково! истки; 5-я розрахункова схема -аналопчна 4-й, вщмшносп полягають у присвоенню фiзико-механiчних властивостей вiдповiдних пористому пдроксиапатиту видшено! частини, яка описуе шар руйнування, а також наявшстю системи фжсаци. На рисунку 1 представлеш геометричнi моделi стегново! истки з видшеними дiлянками дiафiзарно! частини великогомшково! истки людини.
В рамках другого етапу - розглядалося пошкодження исткових тканин дiафiзарно! частини великогомiлково! к1стки. Для цього тривимiрна геометрична була перебудована таким чином - була видшена область в ураженою дшянкою у виглядi цил1ндрично! обласп, з рiзними дiаметрами, як1 брали значення 10, 15 i 20 мм. Таким чином, були побудови 7 розрахункових схем. 1-а розрахункова схема вщповвдае «штактно!» модел1; 2-а, 4-а i 6-а розрахунковi схеми описували модел1 мiстять пошкодженi тканини; 3-я, 5-а i 7-а - оперативне лшування у виглядi замщення пошкоджених тканин пористим гтдроксиапатитом. 2-а i 3-я розрахунковi схеми описують розглянуту цил1ндричну область з даметром 10 мм; 4-а i 5-а - з дiаметром 15 мм; 6-а i 7-а - з даметром 20 мм. На рисунку 2 представлена геометрична модель для 4-! розрахунково! схеми.
I
-
1-а
розрахункова схема
2-а розрахункова схема
ч
3-я розрахункова схема
к
5-а розрахункова схема
4-а розрахункова схема
(1 - шар руйнування, 2 - система фшсаци) Рис. 1. Дослiджуванi геометричнi моделi
Рис. 2. Дослiджуванi геометричнi моделi
1 - "пошкоджена" область,
2 - основна частина истки "штактна"
На рисунку 3 представлен синченно-елементт модел1 описують дiафiзарну частину великогомiлково! к1стки, на прикладi 1-й, 2-й i 4-й розрахункових схем. Синченно-елементт модел1, для двох етатв, нал1чували близько 300 тис. елеменпв, при цьому модел1 включали близько 500 тис. вузл1в. Навантаження, для моделей двох етатв, здшснювалося прикладаеться силою до елементу "верхня опора", що дiе в вертикальному напрямку, спрямовано! на стиск ноги, рiвmй 500Н. Також було запропоновано додатковi умови до елементу "верхня опора" - були дозволен тшьки осьовi перемiщення уздовж прикладеного навантаження. Закршлення здiйснювалося фiксацiею нижньо! поверхнi елемента "нижня опора". Схеми прикладання навантаження i закрiплення, а також додатковi умови на модель представленi на рисунку 4 (на приклада 1-й розрахунково! схеми першого етапу).
1-а розрахункова схема
2-а розрахункова схема
4-а розрахункова схема
Рис. 3. Синченио-елемеитш модел1 д1афизарио! частини великогомшково! истки
Ц р|хес! ЗирроЛ
Навантаження
Закрiплення
Дод. умови
Рис. 4. Схема навантаження i закрiплення, додатковi умови
При проведеннi дослiджень змшними параметрами були властивостi матерiалiв для дмнки, руйнування. У 2-й i 4-й розрахункових схемах першого етапу дослiджень, а також у 2-й, 5-й i 7-й розрахункових схемах модуль пружносп, який призначаеться шару руйнування i пошкодженим тканинам, вшповшний фiзико-механiчними властивостями кортикальних i губчастих тканин вiдповiдав 20% вiд початково! величини. Вихiднi величини описують фiзико-механiчнi характеристики матерiалiв бiологiчних i бюмехашчних моделей представленi в табл. 1.
Результата численних дослщжень першого етапу роботи. За тдсумками проведених дослщжень були визначенi максимальнi еквiвалентнi напруження von-Mises i повнi перемiщення в великогомшково! истки. Значения максимальних екивалентних напружень були визначенi для кортикально! i губчасто! тканин. А також були отримаш поля розподiлу екивалентних напружень i повних перемiщень для великогомшково! истки.
Нижче на рисунках 5-7 представлеш дiаграми з максимальними екивалентними напруженнями von-Mises отриманi в кортикальних i губчастих тканинах, а також максимальт повнi перемiщения в стегново! к1стки, для всiх розрахункових схем, вшповшно.
Рис. 5. Максимальш екывалентш напруження в кортикально! тканини великогомiлково! к1стки (МПа)
Рис. 6. Максимальнi еквiвалентнi напруження в губчасто! тканини великогомiлково! истки (МПа)
Рис. 7. Максимальш повн перемщення в кортикально! тканини
На рис. 8 - 12 представлен поля розподшу еквiваленгних напружень в великогомiлково! к1стки, для всiх розрахункових схем, вщповщно. На рис. 13 представлет поля розподшу у фшсуючих системах. На рис. 14 - 18 представлет поля розподшу повних перемщень в великогомiлково! к1стки.
Вид 1 Вид 2
Рис. 8. Поля розпод^ екывалентних напружень в дослiджуванiй областi моделi, 1-а розрахункова схема (Па)
Вид 1
Вид 2
Рис. 9. Поля розпод^ еквiвалентних напружень в дослщжуванш областi модел1, 2-а розрахункова схема (Па)
Вид 1
Вид 2
Вид 1
Вид 2
Рис. 10. Поля розпод^ еквiвалентних напружень в дослщжуванш областi моделi, 3-а розрахункова схема (Па)
Вид 1
Рис. 11. Поля розпод^ екывалентних напружень в дослщжуванш обласп моделi, 4-а розрахункова схема (Па)
Вид 2
Рис. 12. Поля розпод^ екывалентних напружень в дослiджуванiй обласп моделi, 5-а розрахункова схема (Па)
3-я розрахункова схема 5-а розрахункова схема
Рис. 13. Поля розподшв екывалентних напружень у фiксуючих системах (Па)
Рис. 14. Поля розпод^ перемщень в дослiджуванiй областi моделi, 1-а розрахункова схема (Па)
Рис. 15. Поля розподшу перемiщень в дослiджуванiй областi модел^ 2-а розрахункова схема (Па)
Рис. 16. Поля розподшу перемщень в дослщжуванш обласп моделi, 3-я розрахункова схема (Па)
Рис. 17. Поля розпод^ перемiщень в дослщжуванш областi моделi, 4-а розрахункова схема (Па)
Рис. 18. Поля розподшу перемщень в дослщжуванш обласп модел^ 5-а розрахункова схема (Па)
На рис. 19-23 представлеш поля розпод^ екывалентних нaпрyжень по6лизу дiaфiзaрноï частини великогомшково!' к1стки, для всiх розрaхyнкових схем.
Вид 1
Вид 2
Рис. 19. Поля розподшв еквiвaлентних нaпрyжень по6лизу дiaфiзaрноï частини, 1-а розрaхyнковa схема (Па)
Вид 1
Вид 2
Рис. 20. Поля розподшв екывалентних нaпрyжень по6лизу дiaфiзaрноï частини, 2-а розрaхyнковa схема (Па)
Вид 1
Вид 2
Рис. 21. Поля розподшв екывалентних нaпрyжень по6лизу дiaфiзaрноï частини, 3-я розрaхyнковa схема (Па)
Вид 1 Вид 2
Рис. 22. Поля розподшв екывалентних нaпрyжень по6лизу дiaфiзaрноï частини, 4-а розрaхyнковa схема (Па)
Рис. 23. Поля розподшв екывалентних напружень поблизу дiафiзарноï частини, 5-а розрахункова схема (Па)
Аналiз отриманих чисельних значень екывалентних напружень в великогомiлковоï истки дослщжень першого етапу, показав, для кортикальних тканин моделi шикуються вiд найбiльшого значения до найменшого в наступному порядку 5-а, 4-а, 2-а, 1-а i 3-я розрахунковi схеми; для губчастих тканин моделi розташовуються дещо в iншому порядку -3-я, 5-а, 2-а, 4-а i 1-а. При розглядi повних перемщень вiд найбiльших до найменших, яи виникають в великогомiлковоï истки, модел^ вiдповiднi розрахунковим схемам можна вишиковувати таким чином - 4-а, 2-а, 1-а, при цьому 3-й i 5-й розрахунковим схемам вщповщають найменшi значення.
Результата численних дослвджень другого етапу роботи. За шдсумками проведених дослiджень були визначенi максимальш еквiвалентнi напруження von -Mises i повш перемiщения для кортикально1' i губчасто' тканин великогомiлковоï к1стки. А також були отримаш поля розпод^ еквiвалентних напружень i повних перемщень для великогомiлковоï к1стки.
Нижче на рис. 24 - 26 представлеш дiаграми з максимальними еквiвалентними напруженнями von-Mises отриманi в кортикальних i губчастих тканинах, а також максимальш повш перемщення в стегново1' истки, для вах розрахункових схем, вщповщно.
Напруження
(мпа) Екв1валентн1 напруження - кортикальна тканина
16,2 16,0 15,8
1 1-а эзра хем 2-а эзра хем 7-а эзра хем
Р X.
X. Р X. 3-я розрах. схема 4-а розрах. схема 5-а розрах. схема 6-а розрах. схема Р
нортикортикальна тканина 16,03 16,18 16,18 16,17 16,17 16,20 16,19
Рис. 24. Максимальш екывалентш напруження в кортикально1' тканини великогомшково!' к1стки (МПа)
Рис. 25. Максимальш екывалентш напруження в губчасто! тканини великогомiлково! к1стки (МПа)
Рис. 26. Максимальнi повнi перемщення в кортикально! тканини великогомiлково! истки (МПа)
На рис. 27 представлеш поля розпод^ екывалентних напружень в стегново! кiстки i поблизу осередку пухлини, для 2-й-13-й розрахункових схем, вщповщно. На рис. 28 представлеш поля розпод^ еквiвалентних напружень для губчатих тканин поблизу осередку пухлини, для 2-й-13-й розрахункових схем, ввдповщно.
2-а розрахункова схема 3-я розрахункова схема
4-а розрахункова схема
5-а розрахункова схема
6-а розрахункова схема
Великогомшкова „ _ г .
Поблизу обласп
Кiстка
7-а розрахункова схема
Великогомiлкова „ г г
Поблизу обласп
Юстка
Рис. 27. Поля розпод^ еквiвалентних напружень в кортикальних тканинах великогомiлково! к1стки (2-а - 7-а розрахунковi схеми)
2-а розрахункова схема 3 -я розрахункова схема 4-а розрахункова схема
5-а розрахункова схема
6-а розрахункова схема
7-а розрахункова схема
Рис. 28. Поля розпод^ еквiвалентних напружень в губчатих тканинах великогомшково!
к1стки (2-а - 7-а розрахунковi схеми)
Висновки. 1. При моделюванш рiзних характерiв руйнування диафизарной частини великогомшково! истки людини вшбуваеться перерозподiл виникаючих напружень, тому що при травмах втрачуеться цiлiснiсть вае1 6юлопчно! системи. При цьому спостертаеться перерозподiл навантаження i найбiльш навантаженими областями виявляються здоровi дiлянки истки або додатковi системи фшсацд, при цьому мае мюце зменшення напружень на ураженш дiлянцi к1стки.
2. Напруження, отриманi для губчастих тканин для двох етатв дослiджень для деяких розрахункових схем, мають бшьш висок1 показники, данi значения вадповшають пористому гiдроксиапатиту.
3. Дослiджения першого етапу показали, що при перерозпод^ напружень на здоровi дiлянки истки, при травмах спостер^аються збiльшения шддатливосп всiй великогомiлково! к1стки, застосування пористого пдроксиапатиту сприяе зменшенню повних перемщень.
4. Дослiджения другого етапу показали, що повш перемiщения отриманi в ходi моделювання ушкоджень к1сткових тканин, а також оперативного лжування шляхом замщення пошкоджених тканин пористим пдроксиапатитом в диафизарнiй частини великогомiлково! истки, мае розкид значень менше 1%.
5. При аналiзi отриманих максимальних величин екшвалентних напружень для елеменпв великогомiлково! к1стки встановлено, що вони не перевищують меж мiцностi, яи становлять для кортикально! к1стки 160 МПа, для губчасто! - 16 - 22 МПа, для пористого пдроксиапатиту становить понад 50 МПа, а також для титану - 600-1000 МПа.
6. Застосування пористого пдроксиапатиту в оперативному лжуванш осколкових травм та шших пошкоджень исткових тканин е ефективним засобом для вадновлення цшсно! структури к1стки.
Лiтература/References:
1. Климовицкий В. Г., Пастернак В. Н., Оксимец В. М. Возможные пути оптимизации репаративных про- цессов у пострадавших с переломами длинных костей конечностей// Ортопедия, травматология и проте- зироание. - 2006. - №1. - С. 90 - 99 [ Klimovitsky VG., Pasternak VN., Oximets VM. Possible ways for optimization reparative processes in victims of limbs long bones fractures // Orthopedic, traumatology and prosthetics. - 2006.- N 1. - P. 90 -99]
2. Zienkiewicz O. C., Taylor R. L., Zhu J. Z.. The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals. - Amsterdam ; Heidelberg: Butterworth-Heinemann. - 2006. - 631 p.
3. Образцов И. Ф., Савельев Л. М., Хазанов Х. С. Метод конечных элементов в задачах строительной механики летательных аппаратов: Учеб. пособие для студентов авиац. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1985.- 392 с., ил.
[Obraztsov IF, Saveliyev LM, Khazanov HS. Method of final elements in constructive mechanics of flying apparatus: text-book for aviat. Students. - Moscow: Vyshaya shkola, 1985.392 p.]
4. Корж Н. А., Климовицкий В. Г., Гончарова Л. Д. и др. Концепция механизма сращения диафизарных переломов с позициии внутренних напряжений кости//Ортопедия, травматология и протезирование.- 2007.- №2. - С. 82 - 93 [ Korzh NA, Klimovsky VG, Goncharova LD, et al. Conception of mechanism of diaphisal fractures adhesions from positions of inner tensions of a bone // Orthopedics, traumatology and prosthetics. - 2007.- N 2.- P. 82 -93]
5. Михайлов О. В., Ткаченко Л. Н., Штерн Н. Б. и др. Компьютерное моделирование напряжений в ке- рамической головке эндопротеза тазобедренного сустава //Шсник ортопедп, травматологи та протезування. - 2006. - №1. - С. 43 - 47 [ Mihkaylov OV et al. Computer simulation of tensions in ceramic head of endoprosthesis of hip joint.// Herald for orthopedics, traulatology and prosthetics.- 2006. N1.- P. 43-7]
6. Филиппенко В. А., Мителева З. М., Петренко Д. Е. и др. Определение напряженно-деформированного состояния системы «эндопротез-кость» при различных степенях их контакта //Ортопедия, травматология и протезирование. - 2003. - №3. - С. 90 - 96. [ Filippenko VA et al. Determination of tense - deformed system "endoprosthesis - bone" at differenr degrees of contact // Orthopedics, traumatology and prosthetics. - 2003. - N 3.- P. 90 -6]
7. ANSYS Workbench - http://www.ansys.com/.
8. Solidworks - http ://www. solidworks. com/.
9. Барыш А. Е. Конечно-элементное бисегментарное моделирование позвоночных
двигательных сегментов C/F — Cn // «Ортопедия, травматология и протезирование» 2005,
№1:41-49. [ Barysh AE. Final-element bisegmental simulation of spinal cord moving segments Orthopedics, traumatology and prosthetics. - 2005.-N1.-P.41- 49]
10. 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.
11. 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 НТУ "ХПИ" Тем. вып.:"Машиноведение и САПР" -2007. -№ 29. - С.16-20. [ Veretelnick YuV et al. About construction ofparametric models of spinal cord neck area //Herald of NTUXPI. Special issue "Machine building andSAPR".-2007.-N29.-P. 16 -20]
12. Nolan J. P.,Sherk H. H. Biomechanical evaluation of the extensor musculature of the cervical //Spine.-1988.-Vol.13,№. - P. 9 - 11.
13. Panjabi M. M., Durenceau J., Goel V., et.al. Cervical human verterbrae: quantitative three-dimensional anatomy of the middle and lower regions //Spine.-1991.- Vol.16, №.8 -P. 861 -869.
14. Веретельник О .В. Моделирование напряжений в шейном отделе позвоночника с ортезом // Весник НТУ "ХПИ" Тем. вып.:"Машиноведение и САПР" - 2008. - № 9. - C. 22-29.[ Veretelnick YuV et al. Orthopedics, traumatology and prosthetics. - 2007.-N 2.-P. 82 - 93]
15. Веретельник О. В. Обзор конструктивных схем и решений по моделированию ШОП и ортезов // Весник НТУ "ХПИ" Тем. вып.:"Машиноведение и САПР" - 2008. - № 42.
- C. 3-8 [Veretelnick YuV et al. Orthopedics, traumatology and prosthetics. - 2007.-N 2.- P. 82 -93]
16. 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
- 2, - 1998 Gordon and Breach Science, UK, P. 387 - 394.
17. Веретельник О. В. Моделирование реакций на силовое воздействие элемента шейного отдела позвоночника. // Весник НТУ "ХПИ" Тем. вып.:"Машиноведение и САПР"
- 2008. - № 2. - С. 14 - 26. [Veretelnick YuV et al. Orthopedics, traumatology and prosthetics. -2007.-N2.-P. 82 - 93]
18. И. В. Бойко, А. В. Сабсай, В. Б. Макаров, О. В. Раджабов. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния системы «кость-имплантат» при
межвертельном переломе бедренной кости //Вюник СевНТУ: зб. наук. пр. Вип. 133. - 2012. CepiH: Мехашка, енергетика, еколопя. — Севастополь, 2012. - С. 355 - 360. [Boyko IVet al. Mathematical simulation of tense-deformed state of the system "bone-implant" at intertrochanteric fracture of hip bone //Herald of SNTU: collection of acad. works. Iss. 133. - 2012. S.: Mechanics, energy, ecology.- Sevastopol, 2012.- P. 355 -60]
19. Кукин И. А., Кирпичёв И. В., Маслов Л. Б., Вихрев С. В. Особенности прочностных характеристик губчатой кости при заболеваниях тазобедренного сустава // FUNDAMENTAL RESEARCH №7, 2013 - С. 328 - 333. [Kukin IA et al. Features of hardness characteristics of spongy bone at the diseases of hip joint]
20. http://fcpir.ru/upload/iblock/879/stagesummary corebofs000080000kif04cm57m6em8o
21. http://metallicheckiy-portal.ru/marki metallov/tit/VT20
Робота надшшла в редакщю 08.02.2020 року. Рекомендована до друку на заидант редакцшно! колегй тсля рецензування
УДК 616.34-007.43-031:611.26-06:616.366-003.7:616.33-008.17]-089 DOI http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.3773152
И. М. Рыбак
ВЫБОР ХИРУРГИЧЕСКОЙ ТАКТИКИ ПРИ КОРРЕКЦИИ ГРЫЖИ ПИЩЕВОДНОГО ОТВЕРСТИЯ ДИАФРАГМЫ У БОЛЬНЫХ ЖЕЛЧЕКАМЕННОЙ БОЛЕЗНЬЮ В СОЧЕТАНИИ С ГАСТРОЭЗОФАГЕАЛЬНЫМ РЕФЛЮКСОМ
Харьковская медицинская академия постдипломного образования
Summary. Rybak I. M. CHOICE OF SURGERY FOR CORRECTION OF HIATAL HERNIA IN PATIENTS WITH GALLSTONE DISEASE AND GASTROESOPHAGEAL REFLUX DISEASE. - Kharkov Medical Academy of Postgraduate Education; e-mail: [email protected]. The results of the examination and surgical treatment of 70 patients with cholelithiasis in combination with hiatal hernia ( 36 patients - index group, 34 - comparison group) who were hospitalized and operated on from 2014 to 2019 are presented. Based on an in-depth comparative analysis of the early and long - term results of surgical treatment, it is proved that the surgical treatment of patients with cholelithiasis combined with gastroesophageal reflux disease and hiatal hernia is improved. In practice, the choice of tactics is carried out by the calculation method using the original formula. Thanks to the studies, it was possible to optimize the tactics of surgical treatment of patients with combined pathology.
Key words: gallstone disease; hiatal hernia; gastroesophageal reflux disease; combined pathology.
Реферат. Рыбак И. М. ВЫБОР ХИРУРГИЧЕСКОЙ ТАКТИКИ ПРИ КОРРЕКЦИИ ГРЫЖИ ПИЩЕВОДНОГО ОТВЕРСТИЯ ДИАФРАГМЫ У БОЛЬНЫХ ЖЕЛЧЕКАМЕННОЙ БОЛЕЗНЬЮ В СОЧЕТАНИИ С ГАСТРОЭЗОФАГЕАЛЬНЫМ РЕФЛЮКСОМ. Приведены результаты обследования и оперативного лечения 70 пациентов по поводу желчнокаменной болезни в сочетании с грыжей пищеводного отверстия диафрагмы, 36 пациентов основной группы и 34 - группы сравнения, находившихся на стационарном лечении и оперированных в клинике за период с 2014 по 2019 г. На основании углубленного сравнительного анализа ранних и отдаленных результатов оперативного лечения доказано улучшение эффективности оперативного
© Рыбак И. М.
