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, №5, 2019

Back to issue

Mathematical and computer modeling of the function of the lumbar spine segments after arthroplasty

Authors: Корж М.О. (1), Куценко В.О. (1), Попов А.І. (1), Тимченко І.Б. (1), Веретельник О.В. (2), Ткачук М.М. (2), Ткачук М.А. (2)
1 - ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна
2 - Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», м. Харків, Україна

Categories: Traumatology and orthopedics

Sections: Clinical researches

print version


Summary

Актуальність. Елементи біомеханічної системи, утвореної із сегмента поперекового відділу хребта й ендопротеза, піддаються в післяопераційний період комплексу силових впливів від розташованих вище мас. Мета — визначення компонент напружено-деформованого стану елементів біомеханічної системи, яка описує поперековий хребетно-руховий сегмент людини після проведення установки різних міжтілових ендопротезів. Матеріали та методи. Для проведення досліджень поперекового відділу хребта були створені тривимірні скінченно-елементні моделі, які описують поперековий сегмент L3–L5 і внутрішній ендопротез (виконаний із титану). Модель, яка описує поперековий відділ хребта, включала хребці сегмента L3–L5 (при цьому хребці мали поділ на складові кортикальну і губчасту кістки), а також були промодельовані міжхребцеві диски і хрящі. У модель були додані два додаткові елементи зверху і знизу таким чином, щоб максимально зменшити вплив закріплення моделі і для коректної передачі на неї навантаження. Результати. За результатами отриманих численних значень і полів розподілу компонент напружено-деформованого стану в елементах біологічних і біомеханічних систем поперекового сегмента L3–L5 можна стверджувати про ефективність використання запропонованого підходу проведення ендопротезування, оскільки поведінка біомеханічної моделі близька до вихідної біологічної системи; ця поведінка супроводжується деяким перерозподілом напружень всередині біомеханічної системи, за виключенням суміжних хребців, які контактують з ендопротезом, проте отримані значення напружень не перевищують граничних меж міцності, відповідних для кортикальної кістки — 160 МПа, для губчастої — 18–22 МПа і для титану — 1000 МПа. Висновки. Найкращою конструкцією для проведення оперативного лікування з розглянутих є схема, що відповідає 4-й розрахунковій моделі (ендопротез із додатковими торцевими елементами). Таким чином, проведені дослідження, в основу яких був покладений запропонований підхід, дали можливість отримати рішення, яке задовольняє всім вимогам за чинними критеріями й обмеженнями.

Актуальность. Элементы биомеханической системы, образованной из сегмента поясничного отдела позвоночника и эндопротеза, подвергаются в послеоперационный период комплексу силовых воздействий от вышерасположенных масс. Цель — определение компонент напряженно-деформированного состояния элементов биомеханической системы, описывающей поясничный позвоночно-двигательный сегмент человека после проведения установки различных межтеловых эндопротезов. Материалы и методы. Для проведения исследований поясничного отдела позвоночника были созданы трехмерные конечно-элементные модели, описывающие поясничный сегмент L3–L5 и внутренний эндопротез (выполненный из титана). Модель, которая описывает поясничный отдел позвоночника, включала позвонки сегмента L3–L5 (при этом позвонки имели разделение на составляющие кортикальной и губчатой кости), а также были промоделированы межпозвонковые диски и хрящи. В модель были добавлены два дополнительных элемента, сверху и снизу, таким образом, чтобы максимально уменьшить влияние закрепления модели и для корректной передачи на нее нагрузки. Результаты. По результатам полученных многочисленных значений и полей распределения компонент напряженно-деформированного состояния в элементах биологических и биомеханических систем поясничного сегмента L3–L5 можно утверждать об эффективности использования предложенного подхода проведения эндопротезирования, поскольку поведение биомеханической модели близко к исходной биологической системе; это поведение сопровождается некоторым перераспределением напряжений внутри биомеханической системы, за исключением смежных позвонков, которые контактируют с эндопротезом, однако полученные значения напряжений не превышают предельных границ прочности, подходящих для кортикальной кости — 160 МПа, для губчатой — 18–22 МПа и для титана — 1000 МПа. Выводы. Лучшей конструкцией для проведения оперативного лечения из рассмотренных является схема, которая соответствует 4-й расчетной модели (эндопротез с дополнительными торцевыми элементами). Таким образом, проведенные исследования, в основу которых был положен предложенный подход, дали возможность получить решение, удовлетворяющее всем требованиям по действующим критериям и ограничениям.

Background. Elements of the biomechanical system, formed from the segment of the lumbar spine and endoprosthesis, are exposed to power influences from the above masses in the postoperative period. The purpose was to determine the component of the stress-strain state of the elements of biomechanical system, which describes the lumbar motor segment of a person after the installation of various interbody endoprostheses. Materials and methods. Three-dimensional finite-element models were developed for the study of the lumbar spine, which describe L3-L5 lumbar segment and the internal endoprosthesis (made of titanium). The model describing the lumbar spine included vertebrae of L3-L5 segment (with vertebrae divided into cortical and spongy bones); intervertebral discs and cartilages were modulated too. Two elements were added to the model, above and below, so as to minimize the effect of fastening the model and transfer the load on it correctly. Results. Based on the results of the obtained numerical values and distribution fields of the stress-strain state in the elements of the biological and biomechanical systems of L3-L5 lumbar segment, we can state the effectiveness of using the proposed approach to arthroplasty, since the function of the biomechanical model is close to that of the original biological system; this function is accompanied by some redistribution of stresses within the biomechanical system, except for adjacent vertebrae that are in contact with the endoprosthesis but obtained stresses do not exceed the limits of the strength corresponding to 160 MPa for cortical bone, 18–22 MPa for spongy bone, and 1000 MPa for titanium. Conclusions. The best design for operative treatment from the considered ones is a scheme that corresponds to the 4th calculation model (endoprosthesis with additional end faces). Thus, the research carried out, which was based on the proposed approach, made it possible to obtain a solution that meets all the requirements of the existing criteria and constraints.


Keywords

напружено-деформований стан; поперековий відділ хребта; ендопротезування; метод скінченних елементів; еквівалентні напруження; геометричне моделювання; біологічна система; біомеханічна система

напряженно-деформированное состояние; поясничный отдел позвоночника; эндопротезирование; метод конечных элементов; эквивалентные напряжения; геометрическое моделирование; биологическая система; биомеханическая система

stress-strain state; lumbar spine; arthroplasty; finite-element method; equivalent stresses; geometric modeling; biological system; biomechanical system


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


Bibliography

1. Natarajan R.N., Chen B.H., An H.S., Andersson G.B.J. Anterior cervical fusion: a finite element model study on motion segment stability including effect of osteoporosis. Spine. 2000. Vol. 25. № 8. Р. 955-961.

2. Веретельник Ю.В., Веретельник О.В., Тимченко И.Б., Дынник А.А., Соснина Ю.К. К вопросу о построении параметрических моделей шейного отдела позвоночника. Вестник НТУ «ХПИ» Тем. вып. «Машиноведение и САПР». 2007. № 29. С. 16-20.

3. Nolan J.P., Sherk H.H. Biomechanical evaluation of the extensor musculature of the cervical. Spine. 1988. Vol. 13. P. 9-11.

4. Panjabi M.M., Durenceau J., Goel V. et.al. Cervical human verterbrae: quantitative three-dimensional anatomy of the middle and lower regions. Spine. 1991. Vol. 16. № 8. P. 861-869.

5. Веретельник О.В. Моделирование напряжений в шейном отделе позвоночника с ортезом. Вестник НТУ «ХПИ». Тем. вып. «Машиноведение и САПР». 2008. № 9. C. 22-29.

6. Веретельник О.В. Обзор конструктивных схем и решений по моделированию ШОП и ортезов. Вестник НТУ «ХПИ» Тем. вып. «Машиноведение и САПР». 2008. № 42. C. 3-8.

7. Heitplatz P., Hartle S.L., Gentle C.R. A 3-dimensional large deformation FEA of a ligamentous C4-C7 spine unit. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. Gordon and Breach Science, UK, 1998. 2. Р. 387-394.

8. Веретельник О.В. Моделирование реакций на силовое воздействие элемента шейного отдела позвоночника. Вестник НТУ «ХПИ». Тем. вып. «Машиноведение и САПР». 2008. № 2. С. 14-26.

9. Solidworks — http://www.solidworks.com/

10. Zienkiewicz O.С., Taylor R.L. The Finite Element Me-thod. Vol. 1: Basic Formulation and Linear Problems. London: Mc Graw-Hill, 1989. Р. 648.

11. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 541 с.

12. ANSYS Workbench — http://www.ansys.com/

13. Бойко И.В., Сабсай А.В., Макаров В.Б., Раджабов О.В. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния системы «кость-имплантат» при межвертельном переломе бедренной кости. Вісник СевНТУ: зб. наук. пр. Вип. 133/2012. Серія: Механіка, енергетика, екологія. Севастополь, 2012. С. 355-360.

14. Кукин И.А., Кирпичев И.В., Маслов Л.Б., Вихрев С.В. Особенности прочностных характеристик губчатой кости при заболеваниях тазобедренного сустава. Fundamental Research. 2013. № 7. С. 328-333.

15. http://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/tit

Similar articles

Діагностика розтягнення (розривів зв’язок) гомілковостопного суглоба в дітей із урахуванням комп’ютерного моделювання
Authors: Шимон В.М., Шармазанова О.П., Агій В.І. — Ужгородський національний університет, кафедра загальної хірургії з курсами травматології, оперативної хірургії та судової медицини
Інститут травми, м. Ужгород

"Тrauma" Том 16, №4, 2015
Date: 2015.10.27
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Manuals
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 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
Selection of internal fixation devices in supramalleolar corrective osteotomy of the distal tibia. Imitation computer modeling
Authors: Омельченко Т.М.(1), Бур’янов О.А.(1), Лябах А.П.(2), Єщенко В.О.(3), Турчин О.А.(2)
(1) — Національний медичний університет імені О.О. Богомольця, м. Київ, Україна
(2) — ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України», м. Київ, Україна
(3) — НТУУ «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ, Україна

"Тrauma" Том 20, №2, 2019
Date: 2019.06.02
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches

Back to issue