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, №6, 2017

Back to issue

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

Categories: Traumatology and orthopedics

Sections: Clinical researches

print version


Summary

Актуальність. Ураження колінного суглоба (КС) при ревматоїдному артриті (РА) супроводжується формуванням контрактур і розвитком дискордантних деформацій нижніх кінцівок, які, в свою чергу, призводять до часткової або повної втрати функції кінцівки. Аналіз даних вітчизняної та зарубіжної літератури свідчить, що питанню пато- і механогенеза фронтальних деформацій КС у хворих на РА приділяється недостатня увага, умови функціонування ендопротеза КС за наявності вальгусних і варусних деформацій кінцівки у хворих на РА мало вивчені. Мета роботи. Вивчення можливостей функціонування ендопротеза КС при компенсації дефектів виростків великогомілкової кістки за допомогою кісткових трансплантатів або металевих аугментів за різних величин варусної деформації у хворих на РА. Завдання дослідження — вивчити поведінку біомеханічної моделі «кістка — ендопротез» при компенсації дефекту внутрішнього виростка великогомілкової кістки кістковим автотрансплантатом або металевим аугментом 5, 10 та 15 мм та на підставі отриманих даних визначити можливість розвитку ранньої нестабільності тибіального компонента ендопротеза. Матеріали та методи. На основі КТ-сканів створені імітаційні комп’ютерні моделі КС, що налічували елементи з різними механічними властивостями — стегнова кістка, феморальний компонент ендопротеза, поліетиленова вставка, тибіальний компонент ендопротеза та великогомілкова кістка. За допомогою програмного пакета SolidWorks побудовано імітаційні моделі КС в умовах його варусної деформації з наявністю трансплантата виростка великогомілкової кістки 5, 10 та 15 мм з кісткової тканини та металу (аугмент). Подальші розрахунки напружено-деформованого стану моделі здійснювали методом скінченних елементів у програмному пакеті ANSYS (чисельний метод). Результати. Наявність кісткового трансплантата 5 мм та збільшення його розміру до 15 мм призводили до значного зростання показників напружень на плато великогомілкової кістки на 51 % — при 5 мм та майже у 2,3 раза — при 10 та 15 мм. Ці значення напружень перевищують межі міцності спонгіозної кісткової тканини у цій ділянці, що може супроводжуватись її руйнуванням вже при статичному навантаженні 1 масою тіла при застосуванні кісткового трансплантата 10 мм та 15 мм. Застосування металевого аугмента 5 мм і збільшення його розміру до 10 та 15 мм призводило до розвантаження цієї ділянки, що проявлялося зниженням показників напружень на 21 % — при 5 мм, на 8 % та 5 % — при 10 та 15 мм. Висновки. Застосування кісткового трансплантата 10 мм та 15 мм є фактором можливого руйнування кісткової тканини у ділянці ложа тибіального компонента ендопротеза з розвитком явищ його нестабільності. Розвантаження цієї ділянки, при заміщенні великих дефектів 10 та 15 мм, досягається використанням металевого аугмента.

Актуальность. Поражение коленного сустава (КС) ревматоидным артритом (РА) сопровождается формированием контрактур и развитием дискондартных деформаций нижних конечностей, которые, в свою очередь, приводят к частичной или полной потере функции конечности. Анализ данных оте-чественной и зарубежной литературы свидетельствует о том, что вопросу пато- и механогенеза фронтальных деформаций КС у пациентов с РА уделяется недостаточное внимание, условия функционирования эндопротеза КС при наличии вальгусной и варусной деформаций конечности у больных РА мало изучены. Цель. Изучение возможностей функционирования эндопротеза КС при компенсации дефектов мыщелков большеберцовой кости с помощью костных трансплантатов или металлических аугментов при различных величинах варусной деформации у больных РА. Задачи исследования — изучить поведение биомеханической модели «кость — эндопротез» при компенсации дефекта внутреннего мыщелка большеберцовой кости костным аутотрансплантатом или металлическим аугментом 5, 10 и 15 мм и на основании полученных данных определить возможность развития ранней нестабильности тибиального компонента эндопротеза. Материалы и методы. На основе КТ-сканов созданы имитационные компьютерные модели КС, которые насчитывали элементы с различными механическими свойствами — бедренная кость, феморальный компонент эндопротеза, полиэтиленовая вставка, тибиальный компонент эндопротеза и большеберцовая кость. С помощью программного пакета SolidWorks созданы имитационные модели КС в условиях его варусной деформации с наличием трансплантата мыщелка большеберцовой кости 5, 10 и 15 мм из костной ткани и металла (аугмент). Дальнейшие расчеты напряженно-деформированного состояния модели осуществляли методом конечных элементов в программном пакете ANSYS (числовой метод). Результаты. Наличие костного трансплантата 5 мм и увеличение его размера до 15 мм приводило к значительному росту показателей напряжений на плато большеберцовой кости на 51 % — при 5 мм и почти в 2,3 раза — при 10 и 15 мм. Эти значения напряжений превышают предел прочности спонгиозной костной ткани в этой области, что может сопровождаться ее разрушением уже при статической нагрузке 1 массой тела при применении костного трансплантата 10 и 15 мм. Применение металлического аугмента 5 мм и увеличение его размера до 10 и 15 мм приводило к разгрузке этого участка, что проявлялось снижением показателей напряжений на 21 % — при 5 мм, на 8 и 5 % — при 10 и 15 мм. Выводы. Применение костного трансплантата 10 и 15 мм является фактором возможного разрушения костной ткани в области ложа тибиального компонента эндопротеза с развитием явлений его нестабильности. Разгрузка этого участка, при замещении обширных дефектов 10 и 15 мм, достигается использованием металлического аугмента.

Background. The defeat of the knee joint (KJ) in rheumatoid arthritis is accompanied by the formation of contractures and the development of discordant deformities of the lower limbs, which in turn lead to a partial or complete loss of limb function. Analysis of the data of domestic and foreign literature suggests that the issue of pathogenesis and mechanogenesis of frontal deformities of knee joints in patients with RA is not paid enough attention, conditions for the functioning of the endoprosthesis of the KJ in the presence of valgus and varus deformities of the limb in rheumatoid arthritis patients have been poorly studied. The purpose was to examine the possibilities of functioning of the endoprosthesis of the KJ with compensation of defects of the tibial condyles with the help of bone grafts or metallic augments at different values of varus deformity in patients with rheumatoid arthritis, as well as to study the work of “bone — endoprosthesis” biomechanical model when compensating the defect of the medial condyle of tibia with bone graft or metal augmentation of 5, 10 and 15 mm, and based on the obtained data to determine the risk of the early instability of the tibial component of the endoprosthesis. Materials and methods. Imitation computer models of the knee were created on the basis of CT scans, which consisted of elements with different mechanical properties — the femur, the femoral component of the endoprosthesis, the polyethylene insert, the tibial component of the endoprosthesis and the tibia. Using SolidWorks software package, simulation models of the knee have been created in the conditions of its varus deformity with the presence of a bone graft and 5-, 10- and 15-mm metal (augment). Further calculations of the model’s stress and strain were carried out by the finite element method (FEM) in the software package ANSYS (a numerical method). Results. The presence of 5-mm bone graft and an increase in its size to 15 mm resulted in a significant increase in the stresses on the tibial plateau by 51 % at 5 mm and almost 2.3 times — at 10 and 15 mm. These values of stress exceed the strength of spongy bone tissue in this area, which may be accompanied by its destruction even at a static load of body weight only when using 10- and 15-mm bone graft. The use of a metal augment of 5 mm and an increase in its size to 10 and 15 mm resulted in the unloading of this site, which was shown by a decrease in stresses by 21 % — at 5 mm, by 8 and by 5 % at 10 and 15 mm, respectively. Conclusions. Application of 10- and 15-mm bone graft is a factor of possible destruction of bone tissue in the area of the tibial component of the endoprosthesis with the development of its instability. Unloading this site when replacing large defects (10 and 15 mm) is achieved using a metal augment.


Keywords

ревматоїдний артрит; колінний суглоб; варусна деформація; скінченно-елементне моделювання; напружено-деформований стан

ревматоидный артрит; коленный сустав; варусная деформация; конечно-элементное моделирование; напряженно-деформированное состояние

rheumatoid arthritis; knee joint; varus deformity; finite elements modeling; stress-strain state


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


Bibliography

1. Ганджа І.М., Коваленко В.М., Лисенко Г.І., Свінціцький А.С. Ревматологія: Підручник. — К., 2011. — 43 с.
2. Герасименко С.І. Ортопедичне лікування ревматоїдного артриту при ураженнях нижніх кінцівок. — К.: Преса України, 2000. — 159 с.
3. Accuracy of image-free computer navigated total knee arthroplasty is not compromised in severely deformed varus knees / Maniwa K., Ishibashi Y., Tsuda E. [et al.] // J. Arthroplasty. — 2013. — Vol. 28(5). — P. 802-806. 
4. Annual trends in knee and hip arthroplasty in rheumatoid arthritis 1998–2007 / Manrique Arija S., López Lasanta M., Jiménez Núñez F. G. [et al.] // Reumatol. Clin. — 2011. — Vol. 7(6). — P. 380-384. 
5. Эндопротезирование крупных суставов нижних конечностей, при их одновременном поражении, у больных ревматоидным артритом / С.И. Герасименко, М.В. Полулях, А.С. Герасименко // Мат-лы IV Евразийского конгр. травматологов-ортопедов (Бишкек, 27–30 авг., 2014 г.) // Центр.-Азиат. журн. сердечно-сосуд. хирургии. Спецвып. — 2014. — № 12. — С. 199-200.
6. Особливості ендопротезування колінних суглобів при нестабільності в сагітальній площині / Зазір-
ний І.М., Євсєєнко В.Г. // Збірник наукових праць ХV з’їзду ортопедів-травматологів України. — Д.: Ліра, 2010. — С. 169. 
7. Зміни динамічних характеристик у суглобах нижньої кінцівки до та після ендопротезування колінного суглоба у хворих на ревматоїдний артрит / Герасименко С.І., Полулях М.В., Рой І.В. [та ін.] // Травма. — 2015. — № 16, № 5. — С. 53-58.
8. Опыт 500 тотальных эндопротезирований коленного сустава / Чрагян Г.А., Загородний П.В., Нуждин В.И. [и др.] // Вестник травматол. и ортопедии им. Н.Н. Приорова. — 2012. — № 2. — С. 40-47.
9. Особливості формування контрактур та деформацій великих суглобів нижніх кінцівок у хворих на ревматоїдний артрит / Герасименко С.І., Полу-
лях М.В., Бабко А.М. [та ін.] // Актуальні питання сучасної ортопедії та травматології: Мат-ли ІІ Укр. наук. симпоз. з біомеханіки. — Дніпропетровськ, 2015. — С. 111-112.
10. Clinical comparison of valgus and varus deformities in primary total knee arthroplasty following midvastus approach / Chou P.H., Chen W.M., Chen C.F. [et al.] // J. Arthroplasty. — 2012. — Vol. 27(4). — P. 604-612. 
11. Complex Primary Total Knee Arthroplasty: Long-Term Outcomes / [Martin J.R., Beahrs T.R., Stuhlman C.R., Trousdale R.T.] // J. Bone Joint. Surg. Am. — 2016. — Vol. 98(17). — P. 1459-1470. 
12. Effects of Reduction Osteotomy on Gap Balancing During Total Knee Arthroplasty for Severe Varus Deformity / Niki Y., Harato K., Nagai K. [et al.] // J. Arthroplasty. — 2015. — Vol. 30(12). — P. 2116-2120. 
13. Fewer and older patients with rheumatoid arthritis need total knee replacement / Skyttä E.T., Honkanen P.B., Eskelinen A. [et al.] // Scand. J. Rheumatol. — 2012. — Vol. 41(5). — P. 345-349. 
14. Maganaris C.N., Paul J.P. In vivo human tendon mechanical properties // Journal of Physiology. — 1999. — 521, 1. — P. 307-313.
15. Kubichek М., Florian Z. Stress strain analysis of Knee joint // Engineering Mechanics. — 2009. — 5(16). — P. 315-322. 
16. http://www.camelotplast.ru/info/polietilen-visokogo-davleniya.php
17. Сompressive strength of tibial cancellous bone / Hvid I., Christensen P., Andergaard J., Christensen P.B., Larsen C.G. // Acta Orthop. Scand. — 1983. — 54. — 819-825.

Similar articles

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
Biomechanical definition  of the elbow stability at the radial head fractures combined  with collateral ligament injury
Authors: Лазарев І.А., Курінний І.М., Страфун О.С., Скибан М.В.
ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України», м. Київ, Україна

"Тrauma" Том 18, №5, 2017
Date: 2017.11.21
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Biomechanical definition of the load on the elbow joint in radial head fractures
Authors: Лазарев І.А., Курінний І.М., Страфун О.С., Скибан М.В.
ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України», м. Київ, Україна

"Тrauma" Том 18, №2, 2017
Date: 2017.05.25
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Імітаційно-комп’ютерне моделювання та обґрунтування диференційованого підходу до остеосинтезу при переломах латерального виростка великогомілкової кістки
Authors: Мельник І.В. - Київська міська клінічна лікарня № 12; Лазарєв І.А., Бруско А.Т. - ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України», м. Київ; Самохін А.В. - Київська міська клінічна лікарня № 12
"Pain. Joints. Spine." 3 (15) 2014
Date: 2014.12.15
Categories: Rheumatology, Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches

Back to issue