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 20, №2, 2019

Back to issue

Grounding threaded element shape of the acetabular component of total hip endoprosthesis

Authors: Лоскутов А.Е.(1), Панченко С.П.(2), Олейник А.Е.(1), Ковбаса Е.А.(1), Губарик А.В.(3)
(1) — ГУ «Днепропетровская медицинская академия МЗ Украины», г. Днепр, Украина
(2) — ГУ «Приднепровская академия строительства и архитектуры», г. Днепр, Украина
(3) — КУ «Днепропетровская областная клиническая больница им. И.И. Мечникова», г. Днепр, Украина


Categories: Traumatology and orthopedics

Sections: Clinical researches

print version


Summary

Актуальність. Ацетабулярну реконструкцію із застосуванням вертлюгових компонентів, що загвинчуються, слід вважати найбільш перспективною з позиції досягнення тривалої стабільності імплантату, в тому числі у випадках складних, нестандартних та ревізійних втручань. Однак причини розвитку нестабільності конструкції залишаються недостатньо висвітленими, що свідчить про актуальність пошуку рішень у площині біомеханічних досліджень мікровзаємодії в зоні контакту «ендопротез/кістка». Мета: визначення раціональних параметрів геометрії різьбового елементу чашки ендопротезу кульшового суглоба, що загвинчується. Матеріали та методи. Створено кінцевоелементні розрахункові моделі, що розрізняються за формою та розмірами різьбового елемента чашки ендопротеза, а також за величиною кута нахилу конуса чашки відносно вертикальної вісі. Критерієм ефективності різьбового элемента були обрані значення максимальних напружень у кістковому масиві. Дослідження виконувалось у середовищі програмного комплекса ANSYS. Результати та обговорення. Найбільш ефективною з точки зору розподілення локальних напружень у зоні контакту «ендопротез/кістка» є модель різьбового елемента, поперечний переріз якого представлено прямокутним трикутником, що спирається своїм катетом на кістковий масив. Цей результат є справедливим як при спиранні корпуса чашки на кістку, так і при його відсутності. Зміна кута нахилу утворюючої чашки до 15° призвела до різноспрямованої зміни напружено-деформованого стану в кістковому масиві — збільшення напружень у моделях 2 і 3 та зниження у моделі 1 (спирання гіпотенузою на кістковий масив). При оцінці впливу величини кута нахилу утворюючої (0–15°) на напружено-деформований стан для моделі 1 найменші пікові навантаження було виявлено при 5–15° кутах нахилу. Наведена якісна картина напруженого стану тазової кістки є неоднорідною та потребує подальших досліджень. Висновки. Обґрунтування раціональної геометрії конструкції вертлюгового компоненту, що загвинчується, слід реалізовувати в площині дослідження контактних взаємодій вузла «ендопротез/кістка», що об’єктивізує біомеханічну картину в зоні контакту. Визначено, що найбільш ефективною є модель різьбового елементу, поперечний переріз якого представлено прямокутним трикутником, що спирається катетом на кістковий масив, що доцільно враховувати при виборі конструкції імплантату.

Актуальность. Ацетабулярная реконструкция с применением ввинчивающихся вертлужных компонентов представляется наиболее перспективной с позиции достижения длительной стабильности имплантата, в том числе в случаях сложных, нестандартных и ревизионных вмешательств. Однако причины развития нестабильности конструкции остаются недостаточно определенными, что свидетельствует об актуальности поиска решений в плоскости биомеханических исследований микровзаимодействий в зоне контакта «эндопротез/кость». Цель: определение рациональных параметров геометрии резьбового элемента ввинчивающейся чашки эндопротеза тазобедренного сустава. Материалы и методы. Построены конечноэлементные расчетные модели, отличающиеся формой и размерами резьбового элемента чашки эндопротеза, а также величиной угла наклона конуса чашки относительно вертикальной оси. Критерием эффективности резьбового элемента были выбраны величины максимальных напряжений в костном массиве. Исследование выполнялось в среде программного комплекса ANSYS. Результаты. Наиболее эффективной с точки зрения распределения локальных нагрузок в зоне контакта «эндопротез/кость» является модель резьбового элемента, поперечное сечение которого представлено в виде прямоугольного треугольника, опирающегося своим катетом на костный массив. Этот результат справедлив как при опоре корпуса чашки на кость, так и при ее отсутствии. Изменение угла наклона образующей чашки до 15° привело к разнонаправленному изменению напряженно-деформированного состояния в костном массиве — увеличению напряжений у моделей 2 и 3 и снижению у модели 1 (опора гипотенузой на костный массив). При оценке влияния величины угла наклона образующей (0–15°) на напряженно-деформированное состояние для модели 1 наименьшие пиковые нагрузки выявлены при 5–15° углах наклона. Представленная качественная картина напряженного состояния тазовой кости в ходе имплантации является неоднородной и требует дальнейших исследований. Выводы. Обоснование рациональной геометрии конструкции ввинчивающегося компонента эндопротеза следует реализовывать в плоскости оценки контактных взаимодействий узла «эндопротез/кость», что объективизирует биомеханическую картину в зоне контакта. Выявлено, что наиболее эффективной является модель резьбового элемента, поперечное сечение которого представлено в виде прямоугольного треугольника, опирающегося катетом на костный массив, что целесообразно учитывать при выборе конструкции имплантата.

Background. Acetabular reconstruction with threaded cups remains promising in achieving long-term stability of the implant both in cases of complicated and revision total hip replacements. Nevertheless, the causes of cup instability still remain unclear that makes biomechanical research of “endoprosthesis/bone” microinteractions of great interest. The purpose was to determine optimal parameters of threaded element geometry of threaded acetabular component of total hip endoprosthesis. Materials and methods. Finite element models were created, they varied in terms of cup threaded element geometry (model 1 — threaded element with right-angled triangle transverse section resting upon the bone with its hypotenuse; model 2 — threaded element with right-angled triangle transverse section resting upon the bone with its cathetus; model 3 — threaded element with isosceles triangle transverse section resting upon the bone with one of its equal sides) and cup cone inclination angle (with the angle range of 0–15°). Maximal tensile forces in bone were determined as the criteria for effectiveness. The research was conducted with ANSYS software package. Results. It was found that threaded element model with right-angled triangle transverse section resting upon the bone with its cathetus seems to be the most effective in terms of local tension distribution in “the cup/bone” interspace. This result is valid both for conditions when the cup cone is/isn’t resting upon bone. Increasing the cup cone inclination angle up to 15° led to multidimensional changes in bone stress strain state: increasing peak forces in model 2 and model 3 and decreasing in model 1 (the triangle leans on the bone with its hypotenuse). Additionally, the influence of the cup cone inclination degree on the stress strain state was evaluated for the model 1. So, the least peak forces for the threaded element with right-angled triangle transverse section res-ting upon the bone with its hypotenuse were assessed with cup cone inclination angles of 5–15°. Revealed qualitative patterns of pelvic bone stress strain state during implantation represent heterogeneity and require further research. Conclusions. Threaded cup geometry grounding should be implemented through the assessment of biomechanical interactions of “the cup/bone” interspace. It was found that threaded element model with right-angled triangle transverse section seems to be the most effective that is advisable to take into conside-ration when choosing acetabular components.


Keywords

кульшовий суглоб; ендопротез; вертлюговий компонент; різьбовий елемент; метод кінцевих елементів; напружено-деформований стан

тазобедренный сустав; эндопротез; вертлужный компонент; резьбовой элемент; метод конечных элементов; напряженно-деформированное состояние

hip joint; endoprosthesis; acetabular component; threaded element; finite element method; stress strain state


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


Bibliography

1. Cameron H.H. Techniques of insertion and results with the threaded acetabular component / H. H. Cameron, T. McTighe // Surg. Rounds Orthop. — 1989. — Vol. 98, № 1. — P. 22-28.

2. Danish Hip Arthroplasty Register // Annual Report. — 2004 [Электронный ресурс]. http://www.dhr.dk.

3. Modes of failure of a threaded acetabular cup. A radiographic study with EBRA of 42 revised cups / T. Ilchmann, S. Neher, F. Maurer, K. Weise // Inter. Orthop. (SICOT). — 2007. — Vol. 31. — P. 211-216.

4. National Joint Registry for England, Wales and Northern Ireland // 10th Annual Report. — 2013 [Электронный ресурс]. http://www.njrcenter.org.uk.

5. National Joint Registry for England, Wales and Northern Ireland // 8th Annual Report. — 2010 [Электронный ресурс]. http://www.njrcenter.org.uk.

6. Registro Ortopedico Lombardo Protesi. Sesto Raporto — Novembre 2012 [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.sanita.regione.lombardia.it/es.

7. Salvi A.E. The innovative Sivash artificial total hip joint / A.E. Salvi, G. Grappiolo, S.A. Hacking // Univers. Pennsylvania Orthop. J. — 2010. — Vol. 20. — P. 151-153.

8. Sivash K.M. Alloplasty of the hip joint. A laboratory and clinical study / K.M. Sivash // Central Institute for Traumatology and Orthopaedics. — Moscow: Medical Press, 1967.

9. Slovakian Arthroplasty Register 2010 [Электронный ресурс].  http://www.efort.org.

10. Survivorship of rough-surfaced threaded acetabular cups 382: consecutive primary Zweymiiller cups followed for 0.2–12 years / C.P. Delaunay, A.I. Kapandji // Acta Orthop. Scand. — 1998. — Vol. 69, № 4. — P. 379-383.

11. Swedish Hip Arthroplasty Register // Annual Report. — 2010 [Электронный ресурс]. http://www.shpr.se/en.

12. The Geneva Hip Arthroplasty Registry // Annual report. — 2010 [Электронный ресурс]. http://www.efort.org.

13. The Norwegian Arthroplasty Register // Report June. — 2010 [Электронный ресурс]. http://www.haukeland.no.

14. Threaded acetabular components for primary and revision total hip arthroplasty / J.A. Shaw, J.H. Bailey, A. Bruno, R.B. Greer // J. Arthroplasty. — 1990. — Vol. 5, № 3. — P. 202-215.

15. Threaded acetabular components: design rationale and preliminary clinical results / T.H. Mallory, B.K. Vaughn [et al.] // Orthop. Rev. — 1988. — Vol. 17. — P. 305-311.

16. Witzel U. Three-dimensional stress analysis of threaded cups — a finite element analysis / U. Witzel, W. Rieger, H. Effenberger // Inter. Orthop. (SICOT). — 2008. — Vol. 32. — P. 195-201.

17. Загородний Н.В. Эндопротезирование тазобедренного сустава / Н.В. Загородний. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2012. — 704 c.

18. Лоскутов А.Е. Эндопротезирование тазобедренного сустава. — Днепропетровск: Лира, 2010. — 344 с.

19. Проблемы прочности в биомеханике: учеб. пособие для технич. и биол. спец. вузов / И.Ф. Образцов, И.С. Адамович, А.С. Барер и др.; под ред. И.Ф. Образцова. — М.: Высш. шк., 1988. — 311 с.: ил.

20. Тихилов Р.М. Руководство по эндопротезированию тазобедренного сустава / Под ред. Р.М. Тихилова, В.М. Шаповалова. — СПб.: РНИИТО им. Р.Р. Вредена, 2008. — 324 с.


Back to issue