Чисельне моделювання при хірургії та реабілітації переломів плечової кістки у похилих пацієнтів за допомогою імплантатів
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
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
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
