Чисельне моделювання при хірургії та реабілітації переломів плечової кістки у похилих пацієнтів за допомогою імплантатів

  • Д.О. Батраков Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, факультет радіофізики біомедичної електроніки та комп'ютерних сістем, майдан Свободи 4, Харків, 61022, Україна http://orcid.org/0000-0002-6726-8162
  • В.В. Паламарчук Комунальне некомерційне підприємство «Харківська міська клінічна лікарня швидкої та невідкладної медичної допомоги ім. проф. А.І. Мещанінова» Харківської міської ради, 2-ге травматологічне відділення, пров. Балакірєва 3-А, м. Харків, 61103, Україна
  • В.І. Тремтячний Комунальне некомерційне підприємство «Харківська міська клінічна лікарня швидкої та невідкладної медичної допомоги ім. проф. А.І. Мещанінова» Харківської міської ради, 2-ге травматологічне відділення, пров. Балакірєва 3-А, м. Харків, 61103, Україна
Ключові слова: імплантати, перелом плечової кістки, післяопераційна реабілітація, напруги по Мізесу, чисельне моделювання

Анотація

Актуальність. Імплантація набуває все більшого поширення в таких областях сучасної медицини, як ортопедія і травматологія. Зважаючи на відсутність адекватного замінника натуральної кістки, використовують комбіновані підходи. Для літніх пацієнтів проблема посилюється зниженням мінеральної щільності кісткової тканини. При виборі схеми оперативного лікування переломів довгих кісток перевагу віддають простим і максимально щадним підходам. У зв'язку з цим основне завдання остеосинтеза полягає в забезпеченні оптимальних механічних умов не тільки для процесу зрощування перелому, але й для відновлення в подальшому повноцінних функціональних можливостей. В роботі розглянута актуальна задача опімізаціі і підвищення ефективності планування реабілітаційних заходів в тому числі і з урахуванням індивідуальних особливостей конкретного пацієнта. Отримані результати мають фундаментальне і прикладне значення.

Мета роботи: створення фізико-математичних моделей для моделювання напружено-деформованого стану елементів опорно-рухового апарату для оптимізації планування операцій на кістках при установці імплантатів.

Матеріали та методи. Для аналізу в роботі використовувалися як конкретні клінічні результати, так і сучасні методи комп'ютерного моделювання та обробки результатів. Перевагою фізико-математичних моделей на основі використаного методу скінченних елементів є можливість оптимізації конструкції протезів і зниження проблем, викликаних остеопенією.

Результати. Для ілюстрації пропонованого підходу розглянуто конкретний приклад лікування осколкового перелому плечової кістки у літньої пацієнтки. Для опису фізико-механічних властивостей кісткової тканини були використані набори стандартних даних про основні характеристики тканин і матеріалів імплантатів — модуля пружності і коефіцієнта Пуассона. По мірі зрощування кістки одночасно зі зменшенням напружень відбувається зменшення різниці між напругою на всій конструкції і напругою на кістці. Це свідчить про те, що кістка починає приймати на себе дедалі більшу відносну частину навантаження, що має позитивно впливати на її мінеральну щільність.

Висновки. Показано переваги моделювання із залученням методу кінцевих елементів і шляхом неінвазивного моделювання роботи опорно-рухової системи пацієнта з різними варіантами протезів (імплантатів) і вибір найбільш оптимального з них. Встановлено, що використання в якості критерію оцінки напружено-деформованого стану системи імплантат-кістка напруги по Мізесу дає ефективні оцінки надійності роботи конструкції і її елементів.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

Soares CJ, Versluis A, Valdivia ADCM, Bicalho AA, Veríssimo C, Barreto BCF, Roscoe MG. Finite Element Analysis in Dentistry — Improving the Quality of Oral Health Care. In: Moratal D, editor. Finite Element Analysis — From Biomedical Applications to Industrial Developments. 2012; IntechOpen. p. 25–56. https://doi.org/10.5772/37353

Mansyrov AB, Lytovchenko VO, Gariachyi YeV. Complications of Intramedullary Blocking Osteosynthesis of Bones of Limbs and Ways to Prevent Them. Visnyk Ortopedii Travmatologii Protezuvannia. 2020;105(2)35–42. https://doi.org/10.37647/0132-2486-2020-105-2-35-42

Kozopas VS. Treatment of multi-fragment diaphyseal bone fractures by blocking intramedullary osteosynthesis technique (analysis of errors and complications). Novosti Khirurgii. 2019;27(2):1–8. https://doi.org/10.18484/2305-0047.2019.2.204

Korzh MO, Makarov VB, Lipovsky VI, Morozenko DV, Danylchenko SI. Mathematical modeling of the stress-strain state of the “bone-implant” system during the osteosynthesis with a philos with polylactic acid implants. Wiadomości Lekarskie. 2020;73(4):722–7. https://doi.org/10.36740/WLek202004118.

Gracia L, Ibarz E, Cegoñino J, Lobo-Escolar A, Gabarre S, Puértolas S, López E, Mateo J, Herrera A. Simulation by Finite Elements of Bone Remodelling After Implantation of Femoral Stems In: Moratal D, editor. Finite Element Analysis — From Biomedical Applications to Industrial Developments. 2012; IntechOpen. p. 217–50. https://doi.org/10.5772/38546

Zysset PK, Dall’ara E, Varga P, Pahr DH. Finite element analysis for prediction of bone strength. Bonekey Rep. 2013;2:386. https://doi.org/10.1038/bonekey.2013.120

Basafa E, Armiger RS, Kutzer MD, Belkoff SM, Mears SC, Armand M. Patient-specific finite element modeling for femoral bone augmentation. Medical Engineering & Physics. 2013;35(6):860–5. http://doi.org/10.1016/j.medengphy.2013.01.003

Meng L, Zhang Y, Lu Y. Three-dimensional finite element analysis of mini-external fixation and Kirschner wire internal fixation in Bennett fracture treatment Orthopaedics & Traumatology: Surgery & Research. 2013;99(1):21–9. http://doi.org/10.1016/j.otsr.2012.07.015

Robson BK, Tarsuslugil S, Wijayathunga VN, Wilcox RK. Comparative finite-element analysis: a single computational modelling method can estimate the mechanical properties of porcine and human vertebrae. J. R. Soc. Interface. 2014;11(95):20140186. https://doi.org/10.1098/rsif.2014.0186.

Munckhof S, Zadpoor AA. How accurately can we predict the fracture load of the proximal femur using finite element models. Clin. Biomech. 2014;29(4):373–80. http://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2013.12.018

Parashar SK, Sharma JK. A review on application of finite element modelling in bone biomechanics. Perspectives in Science. 2016;8:696–8. http://doi.org/10.1016/j.pisc.2016.06.062

McGregor BA, Murphy KM, Albano DL, Ceballos RM. Stress, cortisol, and B lymphocytes: a novel approach to understanding academic stress and immune function. Stress. 2016;19(2):185–91. https://doi.org/10.3109/10253890.2015.1127913

Huijie L, Reyes MJ, Dong NX, Wang X. Effect of age on mechanical properties of the collagen phase in different orientations of human cortical bone. Bone. 2013;55(2):288–91. https://doi.org/10.1016/j.bone.2013.04.006

Budynas RG, Nisbett JK. Shigley’s mechanical engineering design. 10th ed. New York: Mcgraw-Hill Education; 2015. 1105 p. ISBN-13: 978-0-07-339820-4.

Bower AF. Applied Mechanics of Solids. New Delhi: CRC Press; 2009. 824 p. ISBN 9781439802472.

Hart NH, Nimphius S, Rantalainen T, Ireland A, Siafarikas A, Newton RU. Mechanical basis of bone strength: influence of bone material, bone structure and muscle action. J Musculoskelet Neuronal Interact. 2017;17(3):114–39. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5601257/

Trevisan C, Ortolani S. Immobilization and Post-traumatic Osteopenia. In: Obrant K, editor. Management of Fractures in Severely Osteoporotic Bone. London: Springer; 2000. p. 525–41. https://doi.org/10.1007/978-1-4471-3825-9_38

Evans FG. The Mechanical Properties of Bone. American Lecture Series, n. 881. Springfield, IL 1973; 881 p.

Ashman RB, Cowin SC, Van Buskirk WC, Rice JC. A continuous wave technique for the measurement of the elastic properties of cortical bone. J Biomech. 1984;17(5):349-61. https://doi.org/10.1016/0021-9290(84)90029-0

Ashman RB, Rho JY. Elastic modulus of trabecular bone material. J Biomech. 1988;21(3):177–81. https://doi.org/10.1016/0021-9290(88)90167-4

Turner AWL, Gillies RM, Sekel R, Morris P, Bruce W, Walsh WR. Computational bone remodeling simulations and comparisons with DEXA results. J Orthop Res. 2005;23(4):705-12. https://doi.org/10.1016/j.orthres.2005.02.002

Jourdain R, Wilson SA. Thermally induced stresses in an adhesively bonded multilayer structure with 30-micron thick film piezoelectric ceramic and metal components. In: Menz W, Dimov S, Fillon B, editors. 4M 2006 – Second International Conference on Multi-Material Micro Manufacture. Elsevier; 2006. p. 259–62. https://doi.org/10.1016/B978-008045263-0/50058-1

Patil AY, Banapurmath NR, Kotturshettar BB, Lekha K, Roseline M. Limpet teeth-based polymer nanocomposite: a novel alternative biomaterial for denture. In: Han B, Sharma S, Nguyen TA, Longbiao L, Bhat KS, editors. Micro and Nano Technologies. Fiber-Reinforced Nanocomposites: Fundamentals and Applications. Elsevier; 2020. p. 477–523. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819904-6.00022-0

Hunt KD, O'Loughlin VD, Fitting DW, Adler L. Ultrasonic determination of the elastic modulus of human cortical bone. Med. Biol. Eng. Comput. 1998;36:51–6. https://doi.org/10.1007/BF02522857

Lin L, Tong A, Zhang H, Hu Q, Fang M. The Mechanical Properties of Bone Tissue Engineering Scaffold Fabricating Via Selective Laser Sintering. In: Li K, Li X, Irwin GW, He G, editors. Life System Modeling and Simulation. LSMS 2007. Lecture Notes in Computer Science, vol. 4689. Springer, Berlin, Heidelberg; 2007. p 146–52. https://doi.org/10.1007/978-3-540-74771-0_17

Badur J, Bryk M, Ziolkowski1 P, Slawinski D, Ziolkowski P, Kornet S, Stajnke M. On a Comparison of Huber-Mises-Hencky with BurzynskiPecherski Equivalent Stresses for Glass Body During Nonstationary Thermal Load. AIP Conf. Proceedings. 2017;1822(1):1–9. https://doi.org/10.1063/1.4977676

Опубліковано
2021-06-30
Цитовано
Як цитувати
Батраков, Д., Паламарчук, В., & Тремтячний, В. (2021). Чисельне моделювання при хірургії та реабілітації переломів плечової кістки у похилих пацієнтів за допомогою імплантатів. Біофізичний вісник, (45), 7-20. вилучено із https://periodicals.karazin.ua/biophysvisnyk/article/view/16974
Розділ
Біомедична інженерія