Расчетные модели для оценки напряженно-деформированного состояния костной ткани при тотальном эндопротезировании тазобедерного сустава

Abstract

В области прикладной биомеханики важной и актуальной задачей является разработка расчетных моделей для исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) костной ткани при тотальном эндопротезировании тазобедренного сустава, который обеспечивает движение человека и выдерживает нагрузку. Разработаны конечно-элементные расчетные схемы системы “кость – имплантат” при фиксации вертлужного компонента как путем ввинчивания, так и запрессовывания (press-fit) чашки эндопротеза. Для исследования НДС указанной системы использован метод конечных элементов в форме метода перемещений. При создании конечно-элементной модели использованы объемные четырехузловые конечные элементы и принято, что контактные поверхности корпуса вертлужного компонента и тазовой кости между собой сцеплены и имеют совместные перемещения. Проведен расчет НДС для двух вариантов фиксации установленного ацетабулярного компонента – с запрессовываемой и ввинчиваемой чашками. Получено, что наиболее нагруженной областью в обоих случаях является область костной ткани в местах ее контакта с имплантатом на глубине, составляющей от 0 до 5 мм. Дно вертлужной впадины имеет максимальные перемещения. С уменьшением толщины костной ткани, расположенной за дном вертлужной впадины, значения максимальных напряжений и перемещений увеличиваются.

В сфері прикладної біомеханіки важлива та актуальна задача щодо розробки розрахункових моделей для дослідження напружено-деформованого стану (НДС) кісток під час тотального ендопротезування тазостегнового суглоба, який забезпечує рух людини та витримує навантаження. Розроблено скінченно-елементні розрахункові схеми системи “кістка – імплантат” для випадків, коли фіксація вертлужного компонента відбувається як шляхом укручування, так і запресування (press-fit) чашки ендопротеза. Для дослідження НДС зазначеної системи використано метод скінченних елементів у формі методу переміщень. При побудові скінченно-елементної моделі використано об’ємні чотиривузлові скінченні елементи та прийнято, що контактні поверхні корпуса вертлужного компонента і тазової кістки зчеплені між собою і мають сумісні переміщення. Проведено розрахунки для двох варіантів фіксації встановленого ацетабулярного компонента – із запресованою та укручуваною чашками. Отримано, що найбільші напруги виникають для обох випадків в місцях контакту тазової кістки із імплантатом на глибині, що складає від 0 до 5 мм. Дно вертлужної впадини має максимальне переміщення. Зі зменшенням товщини кістки, що знаходиться за дном вертлужної впадини, максимальні значення напруг і переміщень зростають.

In the field of applied biomechanics the development of calculating models for studying the stressed-strained state of the bone tissue in a total arthroplasty of the hip joint, which provides man’s movement and with-stands a load, is the basic challenge. Finite-element calculating models of the bone-implant system in fixing an acetabular component by threading or press-fitting an arthroplasty cup are developed. The finite-element method in the form of the displacements method is used to study the stressed-strained state of the system under consideration. The 3D fournode finite elements are employed to build a finite-element model, and it is agreed that contact surfaces of a corpus of the acetabular component and a caxal bone are linked and move jointly. The stressed-strained states of the two versions of fixation of the mounted ace-tabular component – with threaded or press-fitted cups – are calculated. It is found that in both cases the most loaded region is the one of the bone tissue contacting with an implant at a depth of 0-5 mm. The bottom of the acetabulum is characterized by maximum displacements. The values of maximum stresses and displacements increase as the thickness of the bone tissue following the bottom of the acetabulum decreases.