CC BY
21
I
Орипнальы досл1дження
Original Researches
Травма
УДК 602.1:519.673+616.727.2-001-008.63 DOI: 10.22141/1608-1706.2.19.2018.130654
Лазарев I.A., Ломко В.М., Страфун С.С., Скибан М.В. ДУ «1нститут травматологи та ортопед/Т НАМН УкраТни», м. КиТв, УкраТна
Поршняльнии анал13 змш напружено-деформованого стану на хрящ1 головки плечовоТ юстки в умовах р1зних титв пошкодження суглобовоТ губи лопатки
Резюме. АктуальнСть. Пошкодження суглобовоТ губи лопатки е досить поширеною проблемою пле-чового суглоба. Локализация в д/лянц/ задньоТ порц/Т суглобовоТ губи залежно вд типу ТТ пошкодження значно зб1льшуе навантаження на суглобовий хрящ, що призводить до розвитку та прогресування деге-неративних зм/н у плечовому суглоб/, прискорення артрозу та реал/зац/Т задньоТ нестабильности плеча. Така ситуация нац1люе хирурга на визначення тактики оперативного втручання, спрямованоТ на розван-таження пошкоджено'Т делянки та усунення б/омехан/чного дисбалансу. Мета. Вивчення кл1н1чно значу-щих пошкоджень суглобовоТ губи лопатки залежно в1д типу ТТ пошкодження на основi б/омехан/чного анализу зм/н напружено-деформованого стану (НДС) хряща головки плечовоТ к/стки та обгрунтування тактики л/кування цих пошкоджень. Матер'юли та методи. Розрахунки НДС елемент/в плечового суглоба проведенi методом ск/нченних елемент/в. На основi СКТ-сканiв /нтактного плечового суглоба за допомогою програмного пакета Mimics в/дтворена просторова геометр'я плечового суглоба. За-собами Solid Works створен iмiтацiйнi комп'ютерн/ 3D-моделi /нтактного плечового суглоба та суглоба з трьома типами пошкоджень суглобовоТ губи. Показники НДС реестрували на структурах плечового суглоба при р/зних значеннях кута в/дведення та ротацИ' плечовоТ юстки (нейтральне, в/дведення верхньоТк/нц/вки на 0-20-40-60°, внутр/шня ротац/я 0-20-40° та комбiнацiя цихрух/в). Критер/ями оц/нки НДС були контактн напруження за М/зисом i максимальн/ деформац/Т. Результати. Ус типи пошкоджень суглобовоТ губи при р/зних положеннях к/нц/вки в плечовому суглоб'1 призводять до значного зб/льшення показниюв напружень i деформац/й у контактн/й зон/. У нейтральному положенн/ к/нц/вки пошкодження суглобовоТ губи I типу викликае зб/льшення напружень на головц/ на 20 %, II типу — на 260 %, III типу — на 50 % пор/вняно з /нтактною моделлю. У положенн/ в/дведення к/нц/вки до кута 60° та внутр/шньоТротацИ' 40° пошкодження суглобовоТ губи I типу викликае зб/льшення напружень на головц/ на 23 %, II типу — на 43 %, III типу — на 7 % пор'тняно з /'нтактною моделлю. Максимальн/ значення НДС на елементах плечового суглоба (суглобова губа, головка плечовоТ юстки) спостерiгаються в положеннi в/дведення к/нц/вки до 60° та внутр/шн/й ротац/Т 40°. В умовах пошкодження суглобовоТ губи II типу в/дзначаеться екстре-мальне зростання показниюв напружень в ус/х положеннях у плечовому суглоб/, як на сам/й суглобов/й губi (у 30 раз/в), так i на головцi плечовоТ к/стки (у 2,7 раза). Найменше зростання НДС на елементах плечового суглоба спостер/гаеться в умовах пошкодження суглобовоТ губи III типу. Висновки. Виявле-но, що найб/льший дисбаланс стаб/л/зуючих структур плечового суглоба виникае при вдшаруванн суглобовоТ губи та стае критичним при його комб/нацИ' з розривом, тодi як сам по собi iзольований роз-рив не призводить до критичних зм/н показниюв напружень i деформац/й на структурах плечового суглоба. Доц/льно проводити ф/ксац/ю в/дшарованоТ д/лянки суглобовоТ губи при виявленнi ц/еТ патолог/Т п/д час артроскоп/чного втручання, що дасть можлив/сть збалансувати навантаження на структури плечового суглоба при зд/йсненнi найб/льш типових рух/в. Ця процедура допоможе уникнути раннього розвитку артрозу та задньоТ нестаб/льност/ плечового суглоба.
Ключовi слова: плечовий суглоб; хрящ головки плечовоТ к/стки, суглобова губа лопатки; задня неста-б/льн/сть; ск/нченно-елементне моделювання; напруження та деформац/Т
© «Травма» / «Травма» / «Trauma» («Travma»), 2018
© Видавець Заславський О.Ю. / Издатель Заславский А.Ю. / Publisher Zaslavsky O.Yu., 2018
Для кореспонденцм: Лазарев 1гор Альбертович, ДУ «1нститут травматологи та ортопедм НАМН УкраТни», вул. Бульварно-Кудрявська, 27, м. КиТв, 01601, УкраТна; e-mail: ilazarev@ukr.net For correspondence: I. Lazarev, State Institution "Institute ofTraumatology and Orthopaedics of the NAMS of Ukraine', Bulvarno-Kudriavska st., 27, Kyiv, 01601, Ukraine; e-mail: ilazarev@ukr.net
Вступ
Пiд час apTpocKoni4Horo втручання з приводу по-шкоджень суглобово! губи плечового суглоба (ПС) досить часто спостертаеться пошкодження задньо! порцп губи рiзного типу. Подiбнi механiчнi пошкодження е одшею з причин розвитку задньо! неста-бiльностi ПС. У такш ситуацп хiрург повинен визна-читись щодо тактики лшування. Можливi варiанти хiрургiчних манiпуляцiй залежать вiд багатьох фак-торiв, головним з яких е тип пошкодження суглобово! губи [9]. Поеднання цих важливих факторiв обу-мовлюе термiни функцiонування структур ПС i його стабiльнiсть в умовах повсякденного навантаження. Неврахування !х призводить до досить швидкого розвитку та прогресування дегенеративних змш у ПС, розвитку реалiзовано!' задньо! нестабiльностi [9, 10]. В умовах поеднаного пошкодження головки та губи тактика хiрурга нацшена передушм на усунен-ня бюмехашчного дисбалансу в порожнинi суглоба i полягае у фiксацi! пошкоджено! частини губи та вщ-новленнi суглобово! поверхш плечово! кiстки [11]. Так, край дефекту пошкоджено! губи е мюцем концентраций локальних напружень i деформацiй через зменшення контактно! зони та збтьшення серед-нього контактного зусилля. Величини напруження на головщ плеча та суглобовш губi збiльшуються за-лежно вiд типу дефекту губи.
Наявнють пошкоджень у суглобовш губi глено!даль-но! западини збтьшуе напруження на структурах ПС. Залежно вiд типу пошкодження губи в умовах руив у ПС i при навантаженнi рiвень напруження на сугло-бовий хрящ значно збтьшуеться, що призводить до швидкого прогресування дегенеративних змш у ПС, артрозу та реалiзацi! задньо! нестабшьносл плеча. Така ситуащя нацiлюе хiрурга на визначення тактики оперативного втручання, спрямовано! на розвантаження пошкоджено! дiлянки.
Мета дослвдження: вивчення клшчно значущих пошкоджень суглобово! губи лопатки на основi бю-механiчного аналiзу змiн напружено-деформованого стану (НДС) хряща головки плечово! истки та обГрун-тування тактики лiкування цих пошкоджень.
Матер1али та методи
На основi СКТ-сканiв iнтактного ПС за допомо-гою програмного пакета Mimics в автоматичному та нашвавтоматичному режимах вщтворена просторова геометрiя ПС (рис. 1). Засобами Solid Works створеш iмiтацiйнi комп'ютернi 3D-моделi iнтактного ПС i з рiзними типами пошкодження суглобово! губи (рис. 2).
Для розрахунив застосовували iмiтацiйнi моделi ш-тактного ПС (рис. 2а) та з вщшаруванням дтянки суглобово! губи в задньому вщдш ПС (I тип) (рис. 2б), iз вщшаруванням дiлянки суглобово! губи та !"! розривом (II тип) (рис. 2в), iз розривом суглобово! губи без !"! в!д-шарування (III тип) (рис. 2г).
Фiзико-механiчнi властивостi бюлопчних тканин, що застосовувались у моделях, отримаш з лiтературних джерел [4, 5, 7] (табл. 1).
Рисунок 1. Вдтворення просторово/ геометрп ПС
При розрахунках розглянуто! бюмехашчно! сис-теми методом скшченних елементiв Bci матерiали вважали однорiдними та iзотропними з вiдомими фiзико-механiчними характеристиками (табл. 1). Завдання статичного аналiзу виршувалося в фiзично i геометрично лшшнш постановцi, при цьому роз-глядали малi деформацГ! i перемiщення, унаслщок чого пiдтверджувався закон Гука для опису поведш-ки матерiалу.
Розрахункова модель ПС подана на рис. 3. Модель закршлювали по всш поверхнi лопатки та прикладали силу 55 Н на плечову истку, спрямовану в центр сугло-бово! западини.
Шдготовлена засобами Solid Works твердотшь-на модель експортована в програмне середовище ANSYS, де створена скшченно-елементна модель (рис. 4), що налiчувала 196 540 вузлiв та 94 101 еле-мент. При цьому переважали тетраедричш елементи з квадратичною апроксимацieю функцш. У зонах контакту та в деяких визначених мюцях з метою шд-вищення точностi розрахункiв скшченно-елементна сггка була ущiльнена, i середнш розмiр скiнченного елемента становив не бшьше 1 мм. Проводили аналiз НДС. Аналiз результатiв розрахункiв НДС здшсню-вали на основних елементах моделi плечолопатко-вого суглоба (суглобова западина лопатки та головка плечово! истки) за показниками напружень за Mi-зисом i деформацш залежно в!д типу пошкодження суглобово! губи при рiзних значеннях кута вщведен-ня та ротацГ! плечово! истки (нейтральне, вiдведен-ня верхньо! пнщвки вiд 0 до 60°, внутршня ротацiя 0—40° та комбiнацiя цих рухiв).
Рисунок 2.1м1тац1йн1 моделi нтактного ПС (а), плечового суглоба з I типом (б), II типом (в) та III типом (г) пошкодження суглобовоi губи
Таблиця 1. Ф'1зико-механ'1чн1 характеристики б'юлопчних тканин плечового суглоба
Локалiзацiя Тип матерiалу Показник Значення Посилання
Плечова кютка Жорсткий Е 12 ГРа 4
Плечовий суглоб 1зотропний пружний ш О. Р 0,66 МРа 1075 кг/м3 0,08 5, 7 6 5
р 1225 кг/м3 6
Суглобова губа Зворотночзотропний, ппереластичний С1 C3 С4 С5 X р 1,142 МРа 0,05 МРа 36 60,5 МРа 1,138 1225 кг/м3 сосососососо
Сухожилля бщепса 1зотропний ппереластичний С1 C3 С4 С5 X 0,138 МРа 0,002 МРа 0,061 МРа 0,641 МРа 1,100 3 3 3 3 3
Глено'щальний компонент 1зотропний еластичний Е Р и 1,7 МРа 1075 кг/м3 0,018 6, 2 6 6
Глено'щальна западина Жорсткий Е 100 МРа 1
Для зручностi сприйняття результатiв аналiзу НДС на структурах суглобово! западини лопатки ш елемен-ти моделi в подальшому розташованi в положеннi, як показано на рис. 5.
Результата та обговорення
За результатами розрахунив було встановлено, що залежно вщ типу пошкодження губи та при змЩ по-ложення кiнцiвки розподт напружень суттево змь нюеться (табл. 2) [12]. Так, максимальш показники напружень для штактного суглоба при нейтральному положенш не перевищують 1,51 МРа (головка плеча) i зосередженi на поверхнi суглобово! западини та головки рiвномiрно. Показники максимальних деформацiй не перевищують 2,61 мм. Показники НДС штактно! моделi прийнят як референтнi для подальшого порiв-няльного аналiзу.
Значення напружень i деформацiй на суглобовому хрящi головки плечово! кiстки розподiленi таким чином. У випадку пошкодження I типу при нейтральному положенш максимальш показники напружень ся-гають значень 1,84 МРа на поверхш суглобового хряща головки, максимальш деформаци збшьшуються до значення 2,98 мм i також зосереджеш на передньо-нижнiй поверхнi головки плечово! ыстки (рис. 6б). При пошкодженнях II типу максимальш показники
напружень значно зростають — до 4,0 МРа на дшян-Ш, що проектуеться на зону пошкодження суглобово! губи, деформаци також значно збшьшуються, сяга-ючи значення 8,24 мм (рис. 6в). При пошкодженнi суглобово! губи III типу максимальш показники напружень менш^ шж значення при пошкодженнях II типу, — 2,28 МРа, максимальш деформаци — 3,6 мм (рис. 6г).
При здшсненш найбшьш типових р^в у ПС (вщ-ведення та ротацiя) показники напружень i дефор-мацiй значно зростають. Так, при внутршнш ротаци верхньо! кiнцiвки до 20° напруження на хрящi головки плеча в штактному суглобi не перевищують 2,39 МРа, а деформаци — 4,22 мм (рис. 7а). При пошкодженш суглобово! губи I типу показники напружень зростають незначно — 3,44 МРа, а деформаци зростають майже на 50 %, сягаючи значення 5,93 мм (рис. 7б). При пошкодженш II типу показники НДС зростають у бшьше шж 2,5 раза i становлять 5,34 МРа та 10,40 мм вшповшно (рис. 7в), при III тиш збериаеться напруження на суглобовому хрящi головки плечово! ыстки — 5,24 МРа та деформаци — 10,14 мм (рис. 7г). Ви-кликае шгерес те, що показники НДС на суглобовш губi лопатки при III тиш пошкодження при внутрш-нш ротацй' 20° зовшм не вiдрiзняються вiд показниыв в iнтактному суглобi.
Рисунок 5. Положення модел!
ст = 1,51 МРа
тах 7
- 2,61 мм а
ст = 1,84 МРа
тах
ст = 4,0 МРа
тах
-- 2,28 МРа
■ 2,98 мм б
£ = 8,24 мм
тах
в
£ = 3,6 мм
тах
г
Рисунок 6. НДС iнтактного плечового суглоба (а), iз I типом (б), II типом (в), III типом (г) пошкодження суглобовоi губи (нейтральне положення)
ст = 2,39 МРа
тах
ст = 3,44 МРа
тах
ст = 5,34 МРа
тах
ст = 5,24 МРа
тах
■ 4,22 мм а
: 5,93 мм б
10,40 мм в
10,14 мм
Рисунок 7. НДС iнтактного плечового суглоба (а), i31 типом (б), II типом (в), III типом (г) пошкодження суглобовоi губи (положення внутрiшньоi' ротацИ 20°)
тах
£
£
тах
тах
£
£
£
£
тах
тах
тах
тах
г
ст = 3,92 МРа
max '
ст = 4,83 МРа
max '
ст = 5,61 МРа
max '
ст = 4,21 МРа
max '
£ = 6,31 MM
юах '
а
7,83 мм б
£ = 9,15 мм
юах '
в
£ = 6,86 мм
юах '
г
Рисунок 8. НДС ¡нтактного плечового суглоба (а), ¡з I типом (б), II типом (в), III типом (г) пошкодження суглобовоi губи (положення вдведення 60°)
ст = 2,11 МРа
mах '
ст = 3,42 МРа
mах '
ст = 3,91 МРа
ст = 2,98 МРа
£ша^ 4,83 мм
а
£mx = 7,84 мм б
£шаx = 8,97 мм
в
£та,Т 6,87 мм
г
Рисунок 9. НДС ¡нтактного плечового суглоба (а), ¡з I типом (б), II типом (в), III типом (г) пошкодження суглобовоiгуби (положення вдведення 60°, внутрiшня ротац!я 40°)
£
шал
Рисунок 10. Пор'вняльний анал!з показник!в НДС головки плечово/ к!стки
6 5
■ Нейтрапьне положения □ 20° внутршньоТ ротаци ■ Вщведення 40°, внутршня ротащя 40°
■ Вщведення 60°, внутршня ротащя 20° П Вщведення 60°, внутршня ротащя 40°
При вщведенш верхньо! кiнцiвки до 60° напруження та деформаци на дослщшй дiлянцi головки плеча в ш-тактному суглобi становлять 2,11 МРа та 4,83 мм, тсда як при пошкодженш II типу збтьшуються майже у 2 рази й сягають 3,91 МРа та 8,97 мм (рис. 8). НДС у су-глобовш губi лопатки при II типу пошкодження зрос-тае у 20 разiв [12].
Висоы показники деформацiй у зош пошкодження суглобово! губи та суглобового хряща головки демон-струють подальше руйнування тканин ще! дiлянки.
Найбiльшi напруження на суглобових структурах виникають при пошкодженнях I та II тишв, тодi як при пошкодженнях III типу показники майже не вiдрiзня-ються вiд даних в штактному суглобi.
Напруження та деформаци збiльшуються i при пошкодженш I типу (в 1,5 раза), тодi як при III тит май-
же не вiдрiзняються вщ iнтактного суглоба та перемь щуються в переднi вщдти (рис. 8, вщведення 60°).
Значущi змiни показниюв НДС на суглобовому хрящi головки плечово! кiстки спостерiгались при пошкодженш суглобово! губи I типу в положенш вщведення кшщвки до кута 60° та внутршньо! ротаци 40°, II типу — в ушх положеннях вiдведення та ротаци кшщвки, III типу — у положенш внутршньо! ротаци 20°. Зростання показниюв НДС вщбувалось переважно внаслiдок збiльшення значень деформацш на суглобовому хрящi головки плечово! юстки. Навантаження на передньомедiальну поверхню головки в положеннi вщведення 20° при III тит пошкодження зростае майже у 2,5 раза (рис. 7г). Це найбтьше навантаження на су-глобовий хрящ головки при вшх положеннях кшщвки, що дослiджувалися.
Положення кшщвки 1нтактна модель I тип пошкодження II тип пошкодження III тип пошкодження
Напруження (а, МРа) Деформаци (е, мм) Напруження (а, МРа) Деформаци (е, мм) Напруження (а, МРа) Деформаци (е, мм) Напруження (а, МРа) Деформаци (е, мм)
Губа Головка Губа Головка Губа Головка Губа Головка Губа Головка Губа Головка Губа Головка Губа Головка
Нейтральне 1,47 1,51 0,86 2,61 12,62 1,84 7,52 2,98 45,36 4,0 27,04 8,24 4,68 2,28 1,28 3,6
20° внутрш ньо!ротаци 3,76 2,39 1,28 4,22 5,11 3,44 2,72 5,93 13,96 5,34 8,35 10,40 3,76 5,24 1,28 10,14
Вщведення 40°, внутрш ня ротафя 40° 5,03 2,23 2,96 3,61 27,76 3,24 16,63 5,46 94,82 4,03 5,73 6,77 5,89 2,99 3,17 4,75
Вщведення 60°, внутрш ня рота^я 20° 5,22 2,83 3,07 6,32 27,93 3,52 16,98 7,87 95,31 4,12 56,91 9,22 5,86 3,09 3,07 6,91
Вщведення 60°, внутрш ня рота^я 40° 5,62 3,92 3,31 6,31 29,87 4,83 17,87 7,83 101,68 5,61 60,77 9,15 6,43 4,21 3,31 6,86
Таблиця 2. Змни напружено-деформованого стану елементв модели в ¡нтактному ПС та при трьох типах пошкодження суглобово/ губи для рiзних положень ПС
Уа типи пошкодження суглобово! губи при рiзних положениях кшщвки в ПС призводять до значного збтьшення показниив напружень i деформацш у контактнiй зонi.
У нейтральному положенш кiнцiвки пошкодження суглобово! губи I типу викликае збiльшення напружень на головщ на 20 %, II типу — на 260 %, III типу — на 50 % порiвняно з штактною моделлю (рис. 10).
У положенш вщведення инщвки до кута 60° та вну-трiшньо! ротацй' 40° пошкодження суглобово! губи I типу викликае збтьшення напружень на головщ на 23 %, II типу — на 43 %, III типу — на 7 % порiвняно з штактною моделлю.
Максимальш значення НДС на елементах ПС (сугло-бова губа, головка плечово! истки) спостериаються в положенш вщведення кшщвки до 60° та внутршнш ротацй' 40°. В умовах пошкодження суглобово! губи II типу вщ-значаеться екстремальне зростання показниив напружень в ус1х положеннях у ПС, як на самш суглобовш губi (у 30 разiв), так i на головцi плечово! истки (у 2,7 раза).
Найменше зростання НДС на елементах ПС спостерь гаеться в умовах пошкодження суглобово! губи III типу.
З огляду на результати дослщження потрiбно про-водити фшсацш вiдшаровано! дшянки суглобово! губи при виявленнi ще! патолог!! пiд час артроскопiчного втручання, що дозволить збалансувати показники напружень i деформацiй на структурах ПС при здшснен-ш типових рух!в та запобiгти подальшому розвитку та прогресуванню дегенеративних змш.
Висновки
1. Показники НДС на хрящ! головки плеча при I тип! пошкодження перевищують показники штактного су-глоба на 23 % (4,83 МРа та 7,83 мм проти 3,92 МРа та 6,31 мм), що призводить до пщвищеного навантаження на передньомедальну поверхню хряща плечово! истки.
2. При II тип! пошкодження показники напружень i деформацш на хрящ! головки плеча зростають у 3 рази шд час типових рух!в кшщвки, що призводить до про-гресуючого руйнування структур ПС та реал!заци за-дньо! нестабтьносп плеча.
3. При пошкодженнях суглобово! губи III типу показники НДС пор!вняно з штактним суглобом хоча й дещо вищ! при деяких положеннях кшщвки, але майже не змшюються.
4. Рухи в ПС, а також збтьшення навантаження на верхню инщвку в умовах пошкодження суглобово! губи призводять до зростання показниив НДС у зон! контакту, що прискорюе процеси руйнаци елементав суглобово! губи та поверхш хряща з розвитком явищ артрозу.
5. Зростання навантаження на передньомед!альну поверхню головки плечово! истки з концентращею напружень на суглобовому хрящ! при реал!заци задньо! нестабтьносп може призводити до утворення зворот-ного дефекту Хтла — Сакса.
6. Встановлено, що найбтьший дисбаланс стабшзу-ючих структур ПС виникае при вщшаруванш суглобово! губи та стае критичним при його комбшаци з розривом, тод1 як сам по соб! !зольований розрив не призводить до критичних змш напружень i деформацш на структурах ПС.
7. Доцтьно проводити фшсацш вiдшарованоi да-лянки суглобово'1' губи при виявленнi цiei патологи шд час артроскопiчного втручання. Це дозволить лшвту-вати джерело концентраций напружень i деформацiй на структурах ПС при виконанш найбiльш типових рyхiв, а також дозволить уникнути раннього розвитку артрозу та задньо'1' нестабтьносп ПС.
Конфлiкт штереав. Автори заявляють про вщсут-нiсть конфлшту iнтересiв при пiдготовцi дано'1' статп.
Список л1тератури
1. Glenoid cancellous bone strength and modulus / Anglin C., TolhurstP., Wyss U.P., Oichora D.R.//JournalofBio-mechanics. - 1999. - 32. - P. 1091-1097.
2. In situ compressive properties of the glenoid labrum / Carey J., Small C.F., Pichora D.R. // Journal of Biomedical Materials Research. - 2000. - 51. - P. 711-716.
3. Changes in the long head of the biceps tendon in rotator cuff tear shoulders / Carpenter J.E., Wening J.D., Mell A.G., Langenderfer J.E., Kuhn J.E., Hughes R.E. // Clinical Biomechanics (Bristol, Avon). - 2005. - 20. - Р. 162-165.
4. Finite element analysis of the strain distribution in the humeral head tubercles during abduction: comparison of young and osteoporotic bone/ Clavert P., Zerah M., Krier J., Mille P., Kempf J.F., Kahn J.L. // Surgical and Radiologic Anatomy. — 2006. - 28. - P. 581-587.
5. Methodology and sensitivity studies for finite element modeling of the inferior glenohumeral ligament complex/ Ellis B.J., Debski R.E., Moore S.M., McMahon P.J., Weiss J.A. // Journal of Biomechanics. - 2007. - 40. - Р. 603-612.
6. Development and validation of a finite element model of the superior glenoid labrum / Gatti C.J., Maratt J.D., Palmer M.L., Hughes R.E., Carpenter J.E. // Annals of Biomedical Engineering. - 2010. - 38. - P. 3766-3776.
7. Anisotropy, inhomogeneity, and tension-compression non-linearity of human glenohumeral cartilage in finite deformation /Huang C.Y., StankiewiczA., Ateshian G.A., Mow V.C.// Journal of Biomechanics. - 2005. - 38. - P. 799-809.
8. Tensile properties of the human glenoid labrum / Smith C.D., Masouros S.D., Hill A.M., WallaceA.L., AmisA.A., Bull A.M. // Journal ofAnatomy. - 2008. - 212. - P. 49-54.
9. Kim's lesion: an incomplete and concealed avulsion of the posteroinferior labrum in posterior or multidirectional posteroin-ferior instability of the shoulder / Kim S.H., Ha K.I., Yoo J.C., Noh K.C.//Arthroscopy. - 2004. - 20. - P. 712-720.
10. The POLPSA lesion: MR imaging findings with ar-throscopic correlation in patients with posterior instability / Yu J.S., Ashman C.J., Jones G. // Skeletal Radiol. — 2002. — 31. - P. 396-399.
11. Imaging Signs of Posterior Glenohumeral Instability/ Nehal Shah, Glenn A. Tung// American Journal of Roentgenology. - 2009. - 192. - P. 730-735. 10.2214/AJR.07.3849
12. Анализ змш напружено-деформованого стану в суглобовш губi лопатки в умовахр1зних munie li пошкодження / Лазарев 1.А., Страфун С.С., Ломко В.М., Скибан М.В. // Травма. - 2017. - Т. 18, № 3. - C. 27-37.
Отримано 14.02.2018 ■
Лазарев И.А., Ломко В.М., Страфун С.С., Скибан М.В.
ГУ «Институт травматологии и ортопедии НАМН Украины», г. Киев, Украина
Сравнительный анализ изменений напряженно-деформированного состояния на хряще головки плечевой кости в условиях разных типов повреждения суставной губы лопатки
Резюме. Актуальность. Повреждение суставной губы лопатки является довольно распространенной проблемой плечевого сустава. Локализация в области задней порции суставной губы в зависимости от типа ее повреждения значительно увеличивает нагрузку на суставной хрящ, что приводит к развитию и прогрессированию дегенеративных изменений в плечевом суставе, ускорению развития артроза и реализации задней нестабильности плеча. Такая ситуация нацеливает хирурга на определение тактики оперативного вмешательства, направленной на разгрузку поврежденного участка и устранение биомеханического дисбаланса. Цель. Изучение клинически значимых повреждений суставной губы лопатки в зависимости от типа ее повреждения на основе биомеханического анализа изменений напряженно-деформированного состояния (НДС) хряща головки плечевой кости и обоснование тактики лечения этих повреждений. Материалы и методы. Расчеты НДС элементов плечевого сустава проведены методом конечных элементов. На основе СКТ-сканов интактного плечевого сустава с помощью программного пакета Mimics воссоздана пространственная геометрия плечевого сустава. Средствами Solid Works созданы имитационные компьютерные SD-модели интактного плечевого сустава и сустава с тремя типами повреждений суставной губы. Показатели НДС регистрировали на структурах плечевого сустава при различных значениях угла отведения и ротации плечевой кости (нейтральное, отведение верхней конечности на 0—20—40—60°, внутренняя ротация 0—20—40° и комбинация этих движений). Критериями оценки НДС были контактные напряжения по Мизису и максимальные деформации. Результаты. Все типы повреждений суставной губы, при различных положениях конечности в плечевом суставе, приводят к значительному увеличению показателей напряжений и деформаций в контактной зоне. В нейтральном по-
ложении конечности повреждение суставной губы I типа вызывает увеличение напряжений на головке на 20 %, II типа — на 260 %, III типа — на 50 % по сравнению с интактной моделью. В положении отведения конечности до угла 60° и внутренней ротации 40° повреждение суставной губы I типа вызывает увеличение напряжений на головке на 23 %, II типа — на 43 %, III типа— на 7 % по сравнению с интактной моделью. Максимальные значения НДС на элементах плечевого сустава (суставная губа, головка плечевой кости) наблюдаются в положении отведения конечности 60 ° и внутренней ротации 40°. В условиях повреждения суставной губы II типа отмечается экстремальный рост показателей напряжений во всех положениях в плечевом суставе, как на самой суставной губе (в 30 раз), так и на головке плечевой кости (в 2,7 раза). Наименьший рост НДС на элементах плечевого сустава наблюдается в условиях повреждения суставной губы III типа. Выводы. Выявлено, что наибольший дисбаланс стабилизирующих структур плечевого сустава возникает при отслойке суставной губы и становится критическим при его комбинации с разрывом, тогда как сам по себе изолированный разрыв не приводит к критическим изменениям значений напряжений и деформаций на структурах плечевого сустава. Целесообразно проводить фиксацию отслоившегося участка суставной губы при выявлении этой патологии во время артроскопического вмешательства, что позволит сбалансировать показатели напряжений и деформаций на структурах плечевого сустава при осуществлении наиболее типичных движений. Эта процедура позволит избежать раннего развития артроза и задней нестабильности плечевого сустава.
Ключевые слова: плечевой сустав; хрящ головки плечевой кости, суставная губа лопатки; задняя нестабильность; конечно-элементное моделирование; напряжения и деформации
I.A. Lazarev, V.M. Lomko, S.S. Strafun, M.V. Skiban
State Institution "Institute of Traumatology and Orthopaedics of the NAMS of Ukraine", Kyiv, Ukraine
Comparative analysis of stress-strain changes at the humeral head cartilage in different types of glenoidlabrum injuries
Abstract. Background. The glenoid labium injury is a fairly common problem in the shoulder. Localization in posterior glenoid labium depending on the type of its damage significantly increases the load on the articular cartilage, which leads to the development and progression of degenerative changes of the humeral cartilage, aggravation of arthritis and posterior glenohumeral instability. Such situation focuses the surgeon on determining the surgical strategy aimed at unloading the affected area and eliminating biomechanical imbalance.The purpose was tostudy clinically significant damages of the glenoid labrum depending on its type at the basis ofbiomechanical analysis of stress-strain changes of the humeral head cartilage and grounding the treatment strategy. Materials and methods. Calculations ofthe stress-strain state ofthe humeral cartilage elements were carried out by the finite element method. Based on the computed tomography scans of the intact shoulder, the spatial geometry of the shoulder was reconstructed using the Mimics software package. SolidWorks simulated computer 3D models ofthe intact shoulder and joint with three types ofglenoid labrum damages were created. The stress-strain state has been registered at the glenohumeral structures for different angles of humeral abduction and rotation (neutral, 0—20—40—60° abduction, 0—20—40° internal rotation and a combination of these movements). The criteria for assessing were contact stress by von Mises and maximum strain. Results. All types of the glenoid labrum damages at various upper extremity abduction and rotation positions lead to a significant increase in stress and strain at the contact
zone. In the neutral position, type I ofglenoid labium damage causes an increase by 20 % in stress on the humeral head cartilage, type II — by 260 % and type III — by 50 % compared to the intact model. In the extremity abduction position to 60° and internal rotation to 40°, type I of glenoid labrum causes an increase in stress on the humeral head cartilage by 23 %, type II — by 43 % and type III — by 7 % compared with the intact model. The maximum values of stress-strain state in the elements of the glenohumeral joint (labrum, humeral head) are observed in the position of the upper extremity abduction to 60° and internal rotation to 40°, higher than in the neutral position. There is an extreme increase in the stress values at the glenoid labrum (30 times) and humeral head cartilage (2.7 times) in all upper extremity positions. The least increase in stress-strain state is observed in type III glenoid labrum damage. Conclusions. It was revealed that the greatest imbalance in the stabilizing structures of the glenohumeral joint arises when the glenoid labrum is detached and becomes critical when combined with a rupture, while the rupture itself does not lead to critical changes in stress and strain values on the structures of the glenohumeral joint. It is rational to fix exfoliated part ofthe labrum when that disorder is detected during arthroscopic intervention, this leads to balance of loading at the joint structures during the most typical movements. Such procedure allows avoiding the early development of arthritis and posterior instability of the joint. Keywords: glenohumeral joint; humeral head cartilage; glenoid labrum; posterior instability; finite element modeling; stress and strains
