Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.


Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.

"Тrauma" Том 17, №3, 2016

Back to issue

Математичне моделювання впливу деформації кісток гомілки на навантаження суглобів нижньої кінцівки

Authors: Корж М.О., Романенко К.К., Карпінський М.Ю., Прозоровський Д.В., Яресько О.В. - ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна

Categories: Traumatology and orthopedics

Sections: Medical forums

print version

Статтю опубліковано на с. 23-24

 

Мета: визначити вплив варусної деформації кісток гомілки на розподіл напружень у суглобах нижньої кінцівки.

Матеріали та методи дослідження. У лабораторії біомеханіки ДУ «ІПХС ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України» було проведено математичне моделювання впливу деформації великогомілкової кістки на розподіл напружень у колінному, гомілково-стопному та підтаранному суглобах. Для вирішення даного завдання нами були розроблені комп’ютерні кінцево-елементні моделі нижньої кінцівки в нормі та з наявністю варусної деформації великогомілкової та малогомілкової кісток у середній третині величиною 45°. Моделі містять такі елементи: стегнова кістка, великогомілкова та малогомілкова кістки, таранна та п’яткова кістки, а також хрящові елементи в колінному, надп’ятково-гомілковому та піднадп’ятковому суглобах. Моделі мали жорстке закріплення в нижній частині, що обмежувало рухи в горизонтальному та вертикальному напрямках. На головку стегнової кістки прикладали розподілене навантаження під кутом 70° до горизонталі величиною 1100 Н, що відповідає стоянню з опорою на одну кінцівку. До великого вертлюга прикладали концентровану силу величиною 515 Н, що імітує дію м’язів, що відводять кінцівку. Дослідження напружено-деформованого стану моделей виконували за допомогою методу кінцевих елементів. Як критерій оцінки напруженого стану моделей використовували напруження за Мізесом [2]. Моделювання системи виконували за допомогою системи автоматизованого проектування SolidWorks. Розрахунки напружено-деформованого стану моделей виконували за допомогою програмного комплексу CosmosM [3].
Результати дослідження. У результаті проведеного математичного моделювання методом кінцевих елементів ми отримали картину пружно-деформованого стану моделей нижньої кінцівки в нормі та за наявності варусної деформації кісток гомілки в середній третині. 
Як показали наші розрахунки, наявність деформації кісток гомілки в середній третині величиною 45° призводить до незначного підвищення напружень по медіальній та латеральній поверхням стегнової кістки. Найбільш велике збільшення напружень спостерігається на медіальній поверхні стегнової кістки — від 17,5 МПа в нормі до 24,2 МПа при деформації. На латеральній поверхні збільшення величини напружень декілька менше — від 15,0 МПа в нормі до 20,6 МПа за наявності деформації.
Найбільш значні зростання напружень спостерігаються у великогомілковій кістці. На її медіальній поверхні максимальна величина напружень сягає 73,3 МПа порівняно з 5,2 МПа для нормальної кінцівки. На латеральній поверхні спостерігається зріст максимальних напружень від 2,7 до 37,1 МПа при нормальній та деформованій гомілці відповідно.
Наявність деформації кісток гомілки також відображається на розподілу напружень на суглобових поверхнях колінного суглоба. Найбільш перевантаженими визначаються медіальний виросток стегнової кістки та відповідна опорна поверхня великогомілкової кістки. У цій ділянці максимальна величина напружень збільшується від 4,9 МПа для нормальної кінцівки до 15,1 МПа за наявності деформації гомілки.
По латеральному краю колінного суглоба також спостерігається підвищення величини напружень, але виникають вони під впливом розтягуючих навантажень і набувають значення від 3,4 до 9,6 МПа для нормальної та деформованої гомілки відповідно.
На відміну від колінного суглоба в надп’ятково-гомілковому суглобі збільшення величини напружень визначається на латеральній частині суглобових поверхонь, як на великогомілковій кістці, так і на таранній. Максимальна величина напружень у цьому суглобі зростає майже в шість разів (до 18,1 МПа) за наявності деформації стегнової кістки порівняно з нормальною кінцівкою (3,2 МПа).
У піднадп’ятковому суглобі спостерігається аналогічна картина. Велика зона максимальних напружень виникає на поверхнях підтаранного суглоба, як із боку таранної кістки, так і з боку п’яткової, за наявності варусної деформації кісток гомілки в середній третині. Максимальна величина напружень у цій ділянці зростає менше, ніж у гомілково-стопному суглобі, — тільки в п’ять разів (від 1,7 МПа в нормі до 7,7 МПа при деформації). Якщо кінцівка не деформована, напруження по медіальній та латеральній поверхнях стегнової та великогомілкової кісток розподіляються майже рівномірно. За наявності деформації кісток гомілки величини напружень у стегновій кістці незначно зростають, тоді як у великогомілковій кістці спостерігається дуже значне підвищення рівня напружень зі значною розбіжністю величин цих показників по медіальній та латеральній поверхнях. Наявність деформації кісток гомілки призводить до значного зростання максимальних величин напружень на суглобових поверхнях усіх досліджених суглобів.
Висновки:
— варусна деформація кісток гомілки призводить до значного підвищення величини напружень у діафізі великогомілкової кістки, а також до значного дисбалансу між величинами напружень із медіального та латерального її боків із перевагою на медіальній поверхні, що може бути причиною зростання величини деформації з часом;
— варусна деформація кісток гомілки призводить до значного підвищення величини напружень на медіальному боці опорних поверхонь колінного суглоба;
— варусна деформація кісток гомілки призводить до значного підвищення величини напружень на латеральних сторонах суглобових поверхонь гомілково-стопного та підтаранного суглобів.

Bibliography

1. Березовский В.А., Колотилов Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека: Справочник. — К.: Наукова думка, 1990. — 224 с.
 
2. Зенкевич О.К. Метод конечных элементов в технике. — М.: Мир, 1978. — 519 с.
 
3. Алямовский А.А. SolidWorks/COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов / А.А. Алямовский. — М.: ДМК Пресс, 2004. — 432 с.

Similar articles

Імітаційне комп’ютерне моделювання впливу латерального релізу на нестабільність надколінка диспластичного генезу
Authors: Бур’янов О.А.1, Крищук М.Г.2, Лиходій В.В.1, Єщенко В.О.2, Задніченко М.О.1, Соболевський Ю.Л.1, 1 Національний медичний університет імені О.О. Богомольця, кафедра травматології та ортопедії, м. Київ, 2 НТУ України «Київський політехнічний інститут», кафедра динаміки, міцності машин та опору матеріалів
"Тrauma" Том 14, №2, 2013
Date: 2013.05.16
Categories: Rheumatology, Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Biomechanical analysis of conditions of the functioning of knee endoprosthesis  in varus deformities in patients with rheumatoid arthritis
Authors: Лазарев І.А., Автомєєнко Є.М., Бабко А.М., Скибан М.В.
ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України» м. Київ, Україна

"Тrauma" Том 18, №6, 2017
Date: 2018.02.12
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Концептуальна біомеханічна модель виникнення структурних змін у тібіофеморальній ділянці колінного суглоба при травмі
Authors: Лазарев І.А., Костогриз О.А. - ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України»; Крищук М.Г. - Національний технічний університет України «КПІ», м. Київ; Скибан М.В. - ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України»
"Тrauma" Том 15, №4, 2014
Date: 2014.12.02
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Biomechanical analysis of conditions of the functioning of knee endoprosthesis  in valgus deformities in patients with rheumatoid arthritis
Authors: Лазарев І.А., Бабко А.М., Автомєєнко Є.М., Скибан М.В.
ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України», м. Київ, Україна

"Тrauma" Том 19, №1, 2018
Date: 2018.04.17
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches

Back to issue