Математичне моделювання напружено-деформованого стану моделі гомілки з переломом у нижній третині великогомілкової кістки при різних варіантах остеосинтезу в умовах зростаючого стискаючого навантаження

Abstract

Математичне моделювання за допомогою методу скінченних елементів дає змогу оцінити надійність системи «імплантат — кістка», виявити наявні переваги й недоліки застосовуваних методів фіксації уламків діафіза великогомілкової кістки, дозволяє вивчити динаміку процесу деформації структур кісткової тканини і фіксації металоконструкцій, що, у свою чергу, визначає вибір оптимальної металоконструкції для остеосинтезу в пацієнта з надмірною масою тіла. Мета: провести порівняльний аналіз напружено-деформованого стану моделей гомілки з переломом великогомілкової кістки в нижній третині під дією компресійного навантаження при різних варіантах остеосинтезу і залежно від маси тіла пацієнта. Матеріали та методи. Розроблена скінченно-елементна модель гомілки, яка містила гомілкову й малогомілкову кістки й кістки стопи. У всіх з’єднаннях між елементами кістки зроблено прошарок з механічними властивостями хрящової тканини. Моделювали перелом у нижній третини великогомілкової кістки і три види остеосинтезу за допомогою апарата зовнішньої фіксації, кісткової пластини й інтрамедулярного стрижня. Моделі були випробувані під дією вертикального стискаючого навантаження 700 і 1200 Н. Результати. Зміни величини напруження в кістковій тканині залежно від маси тіла пацієнта мають лінійну залежність. При цьому апарат зовнішньої фіксації та інтрамедулярний стрижень забезпечують зниження напружень у зоні перелому нижче від рівня показників для інтактної кістки. Накісткова пластина демонструє значно гірші показники рівня напружень як у зоні перелому, так і в проксимальному відділі великогомілкової кістки. У дистальному відділі найбільший рівень напружень визначається в моделі з остеосинтезом апаратом зовнішньої фіксації. Це може бути наслідком значної ваги самого апарата, яка, діючи через довгий важіль нижнього фіксуючого стрижня, чинить додаткове навантаження на дистальний кінець великогомілкової кістки. У металевих конструкціях найбільші напруження виникають у накістковій пластині. Це пов’язано з її одностороннім накладанням на кістку, що створює додатковий згинальний момент при навантаженні кінцівки. Висновки. Найгірші показники рівня напружень у зоні перелому (від 42,3 до 73,2 МПа) і на металевій конструкції (від 393,0 до 673,6 МПа) визначено при використанні накісткової пластини, що є наслідком виникнення додаткового згинаючого моменту в результаті її однобічного розташування. Це є дуже небезпечним, тому що наближується до показників межі міцності для неіржавної сталі. Остеосинтез за допомогою апарата зовнішньої фіксації забезпечує досить низький рівень напружень (від 1,5 до 2,6 МПа) у зоні перелому, але недоліком є високій рівень напружень на самому апараті (від 143,0 до 245,1 МПа) і в дистальному відділі великогомілкової кістки (від 8,9 до 11,1МПа), що пов’язано з довжиною важелів, якими є фіксуючі стрижні. Найнижчі показники напружень у всіх елементах моделі визначаються при використанні остеосинтезу інтрамедулярним стрижнем, що обумовлено центральним розташуванням основної опори по осі навантаження і короткими важелями, якими є фіксуючі гвинти.