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 18, №3, 2017

Back to issue

Analysis of changes of stress-strain state in scapula labrum in different types of its damage

Authors: Лазарев І.А., Страфун С.С., Ломко В.М., Скибан М.В.
ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України», м. Київ, Україна

Categories: Traumatology and orthopedics

Sections: Clinical researches

print version


Summary

Актуальність. Пошкодження суглобової губи лопатки є досить поширеною проблемою плечового суглоба. Наявність цієї патології в ділянці задньої порції суглобової губи залежно від типу її пошкодження значно збільшує показники напружень на суглобовий хрящ, що призводить до розвитку та прогресування дегенеративних змін у плечовому суглобі, прискорення артрозу та реалізації задньої нестабільності плеча. Така ситуація націлює хірурга на визначення тактики оперативного втручання, спрямованої на розвантаження пошкодженої ділянки та усунення біомеханічного дисбалансу. Мета дослідження — вивчення клінічно значимих пошкоджень суглобової губи лопатки залежно від типу її пошкодження на основі біомеханічного аналізу змін напружено-деформованого стану (НДС) контактних поверхонь плечового суглоба та обґрунтування тактики лікування цих пошкоджень. Матеріали та методи. Розрахунки НДС елементів плечового суглоба методом скінченних елементів були проведені на основі СКТ-сканів інтактного плечового суглоба за допомогою програмного пакета Mimics в автоматичному та напівавтоматичному режимах, відтворена просторова геометрія плечового суглоба. Засобами SolidWorks створені імітаційні комп’ютерні 3D-моделі інтактного плечового суглоба та з трьома типами пошкоджень суглобової губи. Вивчали НДС на структурах плечового суглоба при різних значеннях кута відведення та ротації плечової кістки (нейтральне, відведення верхньої кінцівки на 0–20–40–60°, внутрішня ротація 0–20–40° та комбінація цих рухів). Критеріями оцінки НДС були напруження за Мізисом, контактні напруження та максимальні деформації. Результати. Усі типи пошкоджень суглобової губи при різних положеннях кінцівки в плечовому суглобі призводять до значного збільшення показників напружень та деформацій у контактній зоні. У нейтральному положенні кінцівки пошкодження суглобової губи І типу викликає збільшення напружень на губі у 8 разів, ІІ типу — у 30 разів, ІІІ типу — у 3 рази порівняно з інтакт-ною моделлю. У положенні відведення кінцівки до кута 60° та внутрішньої ротації 40° пошкодження суглобової губи І типу викликає збільшення напружень на губі в 5 разів, ІІ типу — у 18 разів, ІІІ типу — на 14 % порівняно з інтактною моделлю. Максимальні значення НДС на елементах плечового суглоба (суглобова губа, головка плечової кістки) спостерігаються в положенні відведення кінцівки до 60° та внутрішньої ротації 40°, і вони вищі, ніж у нейтральному положенні кінцівки. В умовах пошкодження суглобової губи ІІ типу спостерігається екстремальне зростання показників напружень в усіх положеннях у плечовому суглобі, як на самій суглобовій губі (у 30 разів), так і на головці плечової кістки (у 2,7 раза). Із збільшенням кута відведення та внутрішньої ротації в суглобі значення НДС на самій суглобовій губі значно збільшуються (у 18 разів), сягаючи значень напружень 101,68 МРа та деформацій 60,77 мм у положенні відведення кінцівки до 60° та при внутрішній ротації 40°. Зростають показники НДС і на головці плечової кістки (в 1,4 раза). Висновки. Виявлено, що найбільший дисбаланс стабілізуючих структур плечового суглоба виникає при відшаруванні суглобової губи та стає критичним при його комбінації з розривом, тоді як сам по собі ізольований розрив не призводить до критичних змін напруження та деформації на структурах плечового суглоба. Доцільно проводити фіксацію відшарованої ділянки суглобової губи при виявленні цієї патології під час артроскопічного втручання, що дозволить збалансувати напруження та деформації на структурах плечового суглоба при здійсненні найбільш типових рухів. Ця процедура дозволить уникнути раннього розвитку артрозу та задньої нестабільності плечового суглоба.

Актуальность. Повреждение суставной губы лопатки является достаточно распространенной проблемой плечевого сустава. Наличие этой патологии в области задней порции суставной губы в зависимости от типа ее повреждения значительно увеличивает показатели напряжений на суставной хрящ, что ведет к развитию и прогрессированию дегенеративных изменений в плечевом суставе, ускорению 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 исследования — изучение клинически значимых повреждений суставной губы лопатки в зависимости от типа ее повреждения на основе биомеханического анализа изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) контактных поверхностей плечевого сустава и обоснование тактики лечения этих повреждений. Материалы и методы. Расчеты НДС элементов плечевого сустава методом конечных элементов были проведены на основе СКТ-сканов интактного плечевого сустава с помощью программного пакета Mimics в автоматическом и полуавтоматическом режимах, воспроизведена пространственная геометрия плечевого сустава. Средствами SolidWorks созданы имитационные компьютерные 3D-модели интактного плечевого сустава и с тремя типами повреждения суставной губы. Изучали НДС 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 напряжение по Мизису, контактные напряжения и максимальные деформации. Результаты. Все типы повреждения суставной губы при различных положениях конечности в плечевом суставе приводят к значительному увеличению показателей напряжений и деформаций в контактной зоне. В нейтральном положении конечности повреждение суставной губы I типа вызывает увеличение напряжений на губе в 8 раз, II типа — в 30 раз, III типа — в 3 раза 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 губе в 5 раз, II типа — в 18 раз, III типа — на 14 % по сравнению с интактной моделью. Максимальные значения НДС на элементах плечевого сустава (суставная губа, головка плечевой кости) наблюдаются в положении отведения конечности до 60° и внутренней ротации 40°, и они выше, чем в нейтральном положении конечности. В условиях повреждения суставной губы II типа наблюдается экстремальное увеличение показателей напряжений во всех положениях в плечевом суставе, как на самой суставной губе (в 30 раз), так и на головки плечевой кости (в 2,7 раза). С увеличением угла отвода и внутренней ротации в суставе значение НДС на самой суставной губе значительно увеличиваются (в 18 раз), достигая значений напряжений 101,68 МПа и деформаций 60,77 мм в положении отведения конечности до 60° и внутренней ротации 40°. Увеличиваются показатели НДС и на головке плечевой кости (в 1,4 раза). Выводы. Выявлено, что наибольший дисбаланс стабилизирующих структур плечевого сустава возникает при отслоение суставной губы и становится критическим при его комбинации с разрывом, тогда как сам по себе разрыв не приводит к критическим изменениям напряжения и деформации на структурах плечевого сустава. Целесообразно проводить фиксацию отслоившегося участка суставной губы при выявлении этой патологии во время артроскопического вмешательства, что позволит сбалансировать напряжение и деформации на структурах плечевого сустава при осуществлении наиболее типичных движений. Эта процедура позволит избежать раннего развития артроза и задней нестабильности плечевого сустава.

Background. Damage to the glenoid labrum is a fairly common problem in the humeral cartilage. The presence of this pathology in posterior glenoid labrum and the type of its damage significantly increases the stress indices on the articular cartilage, which leads to the development and progression of degenerative changes of the humeral cartilage, acceleration of arthrosis and the realization of posterior humerus instability. This situation focuses the surgeon on determining the surgery strategy, aimed at unloading the damaged area and eliminating biomechanical imbalance. The purpose was to study the clinically significant damage of the scapula labrum, depending on the type of its damage, based on the biomechanical analysis of the change in the stress-strain state of the contact surfaces of the humeral cartilage and the rationale for the tactics of treating these injuries. Materials and methods. Calculations of the stress-strain state of the humeral cartilage elements by the finite element method were carried out on the basis of SCT scans of the intact humeral cartilage using the Mimics software package in automatic and semi-automatic modes, spatial geometry of the humeral cartilage. Imitative computer 3D-models of intact humeral cartilage and three types of scapula labrum damage were created using SolidWorks tools. We studied the stress-strain state of the structures of the humeral cartilage for different values of the angle with humerus abduction and rotation (neutral, abduction of the upper limb 0°–20°–40°–60°, internal rotation 0°–20°–40° and a combination of these movements). Criteria for assessing the stress-strain state were the stress by Mimics, contact stresses and maximum deformations. Results. All types of damage of labrum at various positions of the limb in the humeral cartilage lead to a significant increase in stress and strain in the contact zone. In the limb neutral position labrum damage causes an 8-fold increase in stress of the labrum, 30-fold in type II damage, 3-fold in type III, in comparison with the intact model. In the position of the limb retraction to 60° and an internal rotation of 40°, type I damage of the labrum causes an 5-fold increase in stress of labrum, 18-fold increase in type II damage, and 14 % in type III, as compared with the intact model. The maximum values of stress-strain state on the elements of the humeral cartilage (labrum, humerus head) are observed in the position of the limb retraction to 60° and internal rotation of 40°, higher than in the neutral position of the limb. In the conditions of type II damage of the labrum, extreme growth of stress indices is observed in all positions in the humeral cartilage, both on the joint itself (30-fold) and on the head of the humerus (2.7-fold). With the increase in the angle of retraction and internal rotation of the joint, the value of stress-strain state on the joint itself increases significantly (18-fold), reaching values of stresses of 101.68 MPa and deformations of 60.77 mm in the limb retraction position to 60° and internal rotation of 40°. The stress-strain state indices also increase on the humerus head (1.4-fold). Conclusions. It was revealed that the greatest imba­lance of the stabilizing structures of the humeral cartilage arises when the joint is detached and becomes critical when combined with a rupture, while the rupture itself does not lead to critical changes in stress and deformation on the structures of the humeral cartilage. It is rational to fix the labrum exfoliated part when this pathology is detected during arthroscopic intervention, this will allow balancing tension and strain of the humeral structures during the most typical movements. This procedure will avoid the early development of arthrosis and posterior instability of the humeral cartilage.


Keywords

плечовий суглоб; суглобова губа лопатки; задня нестабільність; скінченно-елементне моделювання; напруження і деформації

плечевой сустав; суставная губа лопатки; задняя нестабильность; конечно-элементное моделирование; напряжение и деформации

humeral cartilage; glenoid labrum; posterior instability; finite element modeling; stresses and strain


For the full article you need to subscribe to the magazine.


Bibliography

1. Anglin C., Tolhurst P., Wyss U.P., Oichora D.R. Glenoid cancellous bone strength and modulus // Journal of Bioemechanics. — 1999. — 32. — Р. 1091-1097.

2. Carey J., Small C.F., Pichora D.R. In situ compressive properties of the glenoid labrum // Journal of Biomedical Materials Research. — 2000. — 51. —Р. 711-716.

3. Carpenter J.E., Wening J.D., Mell A.G., Langenderfer J.E., Kuhn J.E., Hughes R.E. Changes in the long head of the biceps tendon in rotator cuff tear shoulders // Clinical Biomechanics (Bristol, Avon). — 2005. — 20. — Р. 162-165.

4. Clavert P., Zerah M., Krier J., Mille P., Kempf J.F., Kahn J.L. Finite element analysis of the strain distribution in the humeral head tubercles during abduction: comparison of young and osteoporotic bone // Surgical and Radiologic Anatomy. — 2006. — 28. — Р. 581-587.

5. Ellis B.J., Debski R.E., Moore S.M., McMahon P.J., Weiss J.A. Methodology and sensitivity studies for finite element modeling of the inferior glenohumeral ligament complex // Journal of Biomechanics. — 2007. — 40. — Р. 603-612.

6. Gatti C.J., Maratt J.D., Palmer M.L., Hughes R.E., Carpenter J.E. Development and validation of a finite element model of the superior glenoid labrum // Annals of Biomedical Engineering. — 2010. — 38. — Р. 3766-3776.

7. Huang C.Y., Stankiewicz A., Ateshian G.A., Mow V.C. Anisotropy, inhomogeneity, and tension-compression nonlinearity of human glenohumeral cartilage in finite deformation // Journal of Biomechanics. — 2005. — 38. — Р. 799-809.

8. Smith C.D., Masouros S.D., Hill A.M., Wallace A.L., Amis A.A., Bull A.M. Tensile properties of the human glenoid labrum // Journal of Anatomy. — 2008. — 212. — Р. 49-54.

9. Kim S.H., Ha K.I., Yoo J.C., Noh K.C. Kim’s lesion: an incomplete and concealed avulsion of the posteroinferior labrum in posterior or multidirectional posteroinferior instability of the shoulder // Arthroscopy. — 2004. — 20. — Р. 712-720.

10. Yu J.S., Ashman C.J., Jones G. The POLPSA lesion: MR imaging findings with arthroscopic correlation in patients with posterior instability // Skeletal Radiol. — 2002. — 31. — Р. 396-399.


Back to issue