РОЗДІЛ 2
ОБ'ЄКТ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ
2.1 Математичне моделювання НДС проксимального відділу стегнової кістки в нормі
та при остеосинтезі переломів
Відомо ряд праць [36, 57, 166], присвячених вивченню напружено-деформованого
стану (НДС) проксимального відділу стегнової кістки, але в переважній більшості
цих робіт аналізувалися вплив змін властивостей кісткових тканин на НДС
проксимального відділу стегнової кістки та випадки використання різних
конструкцій ендопротезів. Дослідження розподілу НДС проксимального відділу
стегнової кістки при остеосинтезі переломів цієї ділянки занурювальними
конструкціями з застосуванням числового моделювання у літературі висвітлено
мало [57]. Роботи з застосуванням зовнішніх стержневих конструкцій – відсутні,
тому розробка та застосування цих конструкцій базується, головним чином, на
накопичених теоретичних знаннях, клінічних та експериментальних дослідженнях.
Але на підставі емпіричних свідчень неможливо зробити висновок про переваги
тієї чи іншої фіксуючої конструкції.
В останній час з метою аналізу НДС біомеханічних моделей найбільш широке
розповсюдження отримав метод кінцевих елементів (МКЕ) [48, 154]. Головними
перевагами цього методу є його здатність отримувати кількісну характеристику
біомеханічних навантажень у визначеному місці з найбільш повним урахуванням
геометричних та фізичних параметрів конструкцій, по яким можна судити про
міцність остеосинтезу та вибрати оптимальний варіант фіксуючого пристрою.
Переслідуючи мету вивчення біомеханічної ефективності фіксації переломів
вертлюгової ділянки стержневими конструкціями, ми вивчали НДС проксимального
відділу стегнової кістки в нормі та провели порівняльний аналіз НДС в умовах
фіксації черезвертлюгового перелому за допомогою двох способів фіксації
відламків [115]. Перший спосіб [38, 62], виконується шляхом паралельного
введення стержнів у фронтальній площині: двох базових через лінію перелому та
одного – трьох опорних у підвертлюговій ділянці стегнової кістки. Між собою
стержні з’єднуються зовнішньою пластиною. Другий (запропонований нами)
виконується шляхом паралельного введення двох базових стержнів у фронтальній
площині через лінію перелому та одного опорного у підвертлюговій ділянці
стегнової кістки в сагітальній площині. Між собою стержні з’єднуються
зовнішніми пластинами [20, 115].
Дослідження проводилися на об’ємній моделі проксимального відділу стегнової
кістки з метою отримання найбільш повної картини даних. Складна просторова
геометрія цього відділу визначила вибір трьохмірної КЕ моделі.
Тип КЕ вибирався з аналізу досліджень, проведених іншими дослідниками [171,
176] та вимог програми автоматичної генерації сітки елементів. На підставі
аналізу цих досліджень було вибрано 10-вузловий ізопараметричний тетраедр (рис.
2.1) з трьома ступенями свободи у вузлі (максимальна кількість ступенів свободи
6 – переміщення вздовж 3 координатних осей та обертання навколо цих осей).
Рис. 2.1 10-вузловий ізопараметричний тетраедр
Розрахунки проводилися на базі лабораторії біомеханіки Харківського НДІ
патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка АМН України, з
застосуванням розрахункової програми BioCad та програми візуалізації
розрахунків Looker.
Геометрична модель будувалась на підставі анатомічних даних, які відповідають
дорослій людині. Геометричні дані визначені на підставі томографічних зрізів,
проведених через 5 – 10 мм для проксимального відділу стегнової кістки. Діаметр
голівки стегнової кістки дорівнює 40 мм, діаметр її шийки відповідно дорівнює
30 мм. Кут нахилу осі стегнової кістки до біомеханічної осі нижньої кінцівки
дорівнює 6°, що відповідає одноопорному стоянню. Товщина субхондральної
пластинки коливається від 1,5 до 2 мм. Товщина хрящового шару постійна, та
дорівнює 2 мм. На підставі геометрії зрізів за допомогою автоматичної генерації
КЕ сітки побудована об’ємна КЕ модель. Розрахункова КЕ модель складається з 22
567 кінцевих елементів та має 36 629 вузлів (рис. 2.2).
Рис. 2.2 Об’ємна (розрахункова) КЕ модель стегнової кістки
Для проведення досліджень нами була розроблена схема навантаження КЕ моделі
(рис. 2.3). На модель накладено обмеження по переміщенням на кінці
проксимального відділу стегнової кістки по всім координатним осям.
При експериментальному навантаженні моделі виходили з того, що головним
навантаженням є вага тіла без нижньої кінцівки. Вагу тіла прийняли рівною 700
Н. Вага нижньої кінцівки дорівнює 18 відсоткам (126 Н) від загальної ваги тіла
[82], в нашому випадку величина навантаження на голівку стегнової кістки
дорівнює Р = 700 - 126 = 574 Н. Окрім цього враховувалася дія головних груп
м’язів кульшового суглобу: результуюча сила від дії сідничних м’язів (М1), яка
дорівнює 1 580 Н та результуюча сила від дії клубово-поперекового м’яза (М2), –
607 Н. Величини результуючих сил і кути їх прикладання для стегнової кістки
взято відповідно з даними, які приведені Х.А. Янсоном [146].
Рис. 2.3 Схема навантаження кінцево-елементної моделі.
Матеріал вважається однорідним та ізотропним. Властивості матеріалів, які
використано в розрахунках, взято з літератури [146] (табл. 2.1).
Таблиця 2.1
Властивості матеріалів, які використані в розрахунках
Матеріал
Модуль Юнга Е, (МПа)
Коефіцієнт Пуассона, н
Кортикальна кістка
150000
0,3
Субхондральна кістка
6 900
0,2
Губчата кістка
690
0,3
Хрящ
10,5
0,49
Сталь
21000
0,28
2.2 Експериментальне моделювання остеосинтезу переломів вертлюгової ділянки
стегнової кістки свині
Для проведення експериментальних досліджень нами, на препаратах стегнових
кісток статевозрілої свині, були змодельовані черезверт
- Київ+380960830922