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 21, №1, 2020

Back to issue

The study of the stress-strain state in the “implant-bone” system on the model of the allocomposite endoprosthesis of the proximal femur

Authors: Вирва О.Є., Головіна Я.О., Карпінський М.Ю., Яресько О.В., Малик Р.В.
ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна

Categories: Traumatology and orthopedics

Sections: Clinical researches

print version


Summary

Актуальність. Відновлення масивних післярезекційних дефектів довгих кісток — одне з основних завдань, що постає перед хірургом у разі лікування хворих з пухлинними ураженнями кісток. Тому розробка оптимальних імплантатів для заміщення дефектів кісток та суглобів триває вже багато десятиліть. Для підбору ідеального імплантату, який повинен відповідати вимогам біосумісності, механічної стабільності та бути безпечним, потрібно проводити безліч різних досліджень і тестів. Саме метод алокомпозитного ендопротезування становить інтерес для поглибленого проведення досліджень. Мета: обґрунтувати методику алокомпозитного ендопротезування на основі математичного моделювання методом кінцевих елементів. Матеріали та методи. Проведено вивчення методом кінцевих елементів математичної моделі стегнової кістки з пухлинним ендопротезом. Вивчали напружено-деформований стан моделі при виконанні резекції стегнової кістки прямим розтином та розтином у вигляді сходинки. Була змодельована ситуація у різні терміни після оперативного втручання — через 3 та 6 місяців. Для кожного типу резекції моделювали цементний та безцементний варіанти фіксування ніжки ендопротеза. Результати. При поперечній остеотомії та безцементному способі фіксації ніжки максимальні за величиною напруження (92,3 МПа) виникають в зоні остеотомії. У діафізарній частині стегнової кістки зона максимальних напружень розташовується по медіальному боку, де вони набувають значень 10,5 та 10,1 МПа в дистальній та проксимальній частинах відповідно. Використання ступінчастої остеотомії в поєднанні з безцементною фіксацією ніжки ендопротеза в найближчий післяопераційний період дозволяє знизити рівень напружень в зоні остеотомії до 59,1 МПа. В процесі набуття міцності кісткового регенерату після використання поперечної остеотомії в поєднанні з безцементною фіксацією ніжки спостерігається зниження рівня напружень в зоні остеотомії — 75,6 МПа. У діафізарній частині стегнової кістки вони визначаються в межах від 9,5 до 10,0 МПа. При використанні ступінчастої остеотомії та безцементного кріплення ніжки ендопротеза діапазон напружень в діафізарній частині стегнової кістки визначається від 7,9 до 13,8 МПа. Використання цементу в поєднанні з поперечною остеотомією в післяопераційний період 3 місяці не веде до принципових змін у напружено-деформованому стані моделі. Максимальна величина напружень (77,1 МПа) визначається в зоні остеотомії. При використанні ступінчастої остеотомії наявність цементного прошарку між ніжкою ендопротеза та стінкою кістково-мозкового каналу дозволяє знизити рівень напружень в зоні остеотомії до позначки 31,5 МПа. Висновки. У результаті проведеного математичного моделювання було виявлено, що виконання ступінчастої остеотомії стегнової кістки дозволяє вдвічі знизити рівень механічних напружень в зоні остеотомії порівняно з моделями із поперечною остеотомією. Використання кісткового цементу для фіксації ніжки ендопротеза у теоретичній моделі також дає можливість значно знизити рівень напружень в усіх варіантах досліджених моделей через утворення демпферного прошарку між металом та кістковою тканиною. Набуття міцності кісткового регенерату з часом веде до вирівнювання величин напружень як між контрольними точками кожної з моделей, так і між моделями з різними видами остеотомії стегнової кістки.

Актуальность. Восстановление массивных послерезекционных дефектов длинных костей — одна из основных задач, которая стоит перед хирургом при лечении больных с опухолевыми поражениями костей. Поэтому разработка оптимальных имплантатов для замещения дефектов костей и суставов продолжается уже многие десятилетия. Для подбора идеального имплантата, который должен соответствовать требованиям биосовместимости, механической стабильности и быть безопасным, нужно проводить множество различных исследований и тестов. Именно метод алокомпозитного эндопротезирования представляет интерес для углубленного проведения исследований. Цель: обосновать методику алокомпозитного эндопротезирования на основании математического моделирования методом конечных элементов. Материалы и методы. Проведено изучение методом конечных элементов математической модели бедренной кости с «опухолевым» эндопротезом. Изучено напряженно-деформированное состояние модели при выполнении резекции бедренной кости прямым сечением и сечением в виде ступеньки. Смоделирована ситуация в разные сроки после оперативного вмешательства — через 3 и 6 месяцев. Для каждого типа резекции моделировали цементный и бесцементный варианты фиксирования ножки эндопротеза. Результаты. При поперечной остеотомии и бесцементном способе фиксации ножки максимальные по величине напряжения (92,3 МПа) возникают в зоне остеотомии. В диафизарной части бедренной кости зона максимальных напряжений располагается по медиальной стороне, они принимают значения 10,5 и 10,1 МПа в дистальной и проксимальной частях соответственно. Использование ступенчатой остеотомии в сочетании с бесцементной фиксацией ножки эндопротеза в ближайший послеоперационный период позволяет снизить уровень напряжений в зоне остеотомии до 59,1 МПа. В процессе увеличения прочности костного регенерата после использования поперечной остеотомии в сочетании с бесцементной фиксацией ножки наблюдается снижение уровня напряжений в зоне остеотомии — 75,6 МПа. В диафизарной части бедренной кости они определяются в пределах от 9,5 до 10,0 МПа. При использовании ступенчатой остеотомии и бесцементного крепления ножки эндопротеза диапазон напряжений в диафизарной части бедренной кости определяется от 7,9 до 13,8 МПа. Использование цемента в сочетании с поперечной остеотомией в послеоперационный период 3 месяца не ведет к принципиальным изменениям в напряженно-деформированном состоянии модели. Максимальная величина напряжений (77,1 МПа) определяется в зоне остеотомии. При использовании ступенчатой остеотомии наличие цементного слоя между ножкой эндопротеза и стенкой костно-мозгового канала позволяет снизить уровень напряжений в зоне остеотомии до отметки 31,5 МПа. Выводы. В результате проведенного математического моделирования обнаружено, что выполнение ступенчатой остеотомии бедренной кости позволяет вдвое снизить уровень механических напряжений в зоне остеотомии по сравнению с моделями с поперечной остеотомией. Использование костного цемента для фиксации ножки эндопротеза в теоретической модели также позволяет значительно снизить уровень напряжений во всех вариантах исследованных моделей за счет образования демпферного слоя между металлом и костной тканью. Увеличение прочности костного регенерата со временем приводит к выравниванию величин напряжений как между контрольными точками каждой из моделей, так и между моделями с различными видами остеотомии бедренной кости.

Background. The restoration of massive post-resection defects of long bones is one of the main challenges facing surgeons in the treatment of patients with bone tumors. Therefore, the deve-lopment of optimal implants to replace defects of bones and joints has been going on for many decades. To select the “ideal” implant, which must meet the requirements of biocompatibility, mechanical stability and be safe, you need to conduct many different studies and tests. It is the allocomposite endoprosthetic replacement method that is of interest for in-depth researches. The purpose was to substantiate the technique of allocomposite endoprosthetic replacement based on mathematical modeling by the finite element method. Materials and methods. The finite element method was used to study a mathematical model of the femur with a “tumor” endoprosthesis. We studied the stress-strain state of the model when performing a femoral resection with a direct section and a section in the form of a step. The situation was simulated at different times after surgery, in 3 and 6 months. For each type of resection, cement and cementless versions of fixing the endoprosthesis stem were modeled. Results. With transverse osteotomy and a cementless method of fixing the stem, the maximum stresses (92.3 MPa) arise in the osteotomy zone. In the diaphyseal femur, the zone of maximum stresses is located on the medial side, they are 10.5 and 10.1 MPa in the distal and proximal parts, respectively. The use of stepwise osteotomy in combination with cementless fixation of the endoprosthesis stem in the immediate postoperative period reduces the level of stress in the osteotomy zone to 59.1 MPa. In the process of increasing the strength of the bone regenerate after using transverse osteotomy in combination with cementless fixation of the stem, a decrease in stress level in the osteotomy zone is observed — 75.6 MPa. In the diaphyseal part of the femur, stresses range from 9.5 to 10.0 MPa. When using stepwise osteotomy and cementless fixation of the endoprosthesis stem, the stress range in the diaphyseal part of the femur is from 7.9 to 13.8 MPa. The use of cement in combination with transverse osteotomy in the postoperative period of 3 months does not lead to fundamental changes in the stress-strain state of the model. The maximum stress value (77.1 MPa) is determined in the osteotomy zone. When using stepwise osteotomy, the presence of a cement layer between the stem of the endoprosthesis and the wall of the bone marrow canal reduces the level of stress in the osteotomy zone to 31.5 MPa. Conclusions. As a result of mathematical modeling, it was found that stepwise osteotomy of the femur allows reducing the level of mechanical stresses in the osteotomy zone compared to models with transverse osteotomy. The use of bone cement for fixing the endoprosthesis stem in a theoretical model also allows one to significantly reduce the level of stresses in all variants of the studied models, due to the formation of a damper layer between the metal and bone tissue. An increase in the strength of the bone regenerate over time leads to equalization of stress values, both between the control points of each model and between models with different types of femoral osteotomy. Thus, as a result of the study, a mathematically sound technique of allocomposite endoprosthetic replacement was deve-loped, which we improved. The best results were obtained with the use of stepwise osteotomy and fixation of allobone with the recipient’s bone according to the type of “Russian castle” and intramedullary fixation of the entire system.


Keywords

кісткова пухлина; ендопротезування; імплантат

костная опухоль; эндопротезирование; имплантат

bone tumor; endoprosthetic replacement; implant


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


Bibliography

1. Pearce A.I., Richards R.G., Milz S. et al. Animal Models for Implant Biomaterial Research in Bone: a Review. Eur. Cells Materials. 2007. Vol. 13. P. 1-10.

2. Mumford J.E. Management of Bone Defects: a Review of Available Techniques. Iowa Orthop. J. 1992. Vol. 12. P. 42-49.

3. Bloebaum R.D., Merrell M., Gustke K., Simmons M. Retrieval analysis of a hydroxyapatite-coated hip prosthesis. Clin. Orthop. Relat. Res. 1991. Vol. 267. Р. 97-102.

4. Kuhn J.L., Goldstein S.A., Ciarelli M.J., Matthews L.S. The limitations of canine trabecular bone as a model for human: a biomechanical study. J. Biomech. 1989. Vol. 22. Р. 95-107.

5. Liebschner M.A. Biomechanical considerations of animal models used in tissue engineering of bone. Biomaterials. 2004. Vol. 25. Р. 1697-1714.

6. Zehr R.J., Enneking W.F., Scarborough M.T. Allograft-prosthesis composite versus megaprosthesis in proximal femoral reconstruction. Clin. Orthop. Relat. Res. 1996. Vol. 322.Р. 207-223.

7. Capanna R., Donati I.X., Masctti C. et al. Effect of electromagnetic fields on patients undergoing massive bone graft following bone tumor resection: a double blind study. Clin. Orthop. Rclat. Res. 1994. Vol. 306. 213-221.

8. Blunn G.W., Briggs T.W., Cannon S.R. et al. Cementless fixation for primary segmental bone tumor endoprostheses. Clin. Orthop. 2000. Vol. 372. Р. 223-230.

9. Capanna R., Morris H.G., Campanacci D. et al. Modular uncemented prosthetic reconstruction after resection of tumours of the distal femur. J. Bone Joint Surg. Br. 1994. № 76. Р. 178-186.

10. Вирва О.Е. Модульне індивідуальне ендопротезування в лікуванні хворих на злоякісні пухлини кісток кінцівок: дис. д-ра. мед. наук: 14.01.21. Київ, 2013. 398 с.

11. Березовский В.А., Колотилов Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека: Справочник. К.: Наукова думка, 1990. 224 с.

12. Вирва О.Є. Біомеханічне дослідження напружено-деформованих станів системи «ендопротез — плечова кістка» за умов резекції пухлини. Ортопедия, травматология и протезирование. 2015. № 3. С. 14-20. DOI: 10.15674/0030-59872015314-20.

13. Вирва О.Є. Експериментальне обґрунтування комбінованої фіксації пухлинного ендопротеза для заміщення діафізарних дефектів довгих кісток у щурів. Ортопедия, травматология и протезирование. 2015. № 4. С. 49-54. DOI: 10.15674/0030-59872015449-54.

14. Вирва О.Є. Комбінована фіксація модульного пухлинного ендопротеза проксимального відділу плечової кістки (експериментально-клінічне дослідження). Ортопедия, травматология и протезирование. 2017. № 3. С. 99-104. DOI: 10.15674/0030-59872017399-104.

15. Gere J.M. Mechanics of Material. Boston: PWS Publishing Company, 1997. 912 p.

16. Образцов И.Ф. Проблема прочности в биомеханике: учебное пособие для техн. и биол. спец. ВУЗ. М.: Высшая школа, 1988. 311 с.

17. Алямовский А.А. SolidWorks/COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов. М.: ДМК Пресс, 2004. 432 с.

18. Вырва О.Е., Головина Я.А., Малык Р.В. Аллокомпозитное эндопротезирование при хирургическом лечении пациентов со злокачественными опухолями длинных костей (обзор литературы). Ортопедия, травматология, протезирование. 2015. № 2. С. 120-126.

Similar articles

Analysis of stress-strain state of trochanteric femoral fracture models  after joint endoprosthesis
Authors: Бабалян В.О.(1), Карпінський М.Ю.(2), Яресько О.В.(2)
(1) — Харківська медична академія післядипломної освіти, м. Харків, Україна
(2) — ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна

"Тrauma" Том 19, №1, 2018
Date: 2018.04.17
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Investigation of Stress-Strain State of the Model of the Femur in Terms of Arthroplasty for its Proximal Fractures
Authors: Тяжелов О.А. - ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна; Бабалян В.О., Кальченко А.В. - Харківська медична академія післядипломної освіти, м. Харків, Україна; Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д., Яресько О.В. - ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна
"Тrauma" Том 17, №3, 2016
Date: 2016.09.02
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Analysis of the distribution of internal stresses and relative deformations in bone and extrafocal osteosynthesis in distal femoral metaphysis fractures
Authors: Бець І.Г., Карпінський М.Ю., Яресько О.В.
ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна

"Тrauma" Том 21, №1, 2020
Date: 2020.03.18
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Mathematical Modeling of Stress-Strain State of the Olecranon Fracture after Interlocking Screw OsteosyMathematical Modeling of Stress-Strain State of the Olecranon Fracture after Interlocking Screw Osteosynthesis vs Weber’s Methodnthesis vs Weber’s Method
Authors: Жук П.М.(1), Філоненко Є.А.(1), Карпінський М.Ю.(2), Карпінська О.Д.(2), Яресько О.В.(2), Гребенюк Д.І.(1)
(1) — Вінницький національний медичний університет ім. М.І. Пирогова, м. Вінниця, Україна
(2) — ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна

"Тrauma" Том 17, №5, 2016
Date: 2016.12.02
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches

Back to issue