Численный анализ напряжений системы "кость–имплантант" вертлужной впадины тазобедренного сустава

Abstract

Эндопротезирование тазобедренного сустава требует анализа биомеханики компонентов имплантата после операции. Исследование поведения системы “кость–имплантат” с использованием методов математического анализа актуально и имеет важное значение для оценки работоспособности биомеханической системы “чаша ацетабулярного компонента – костная ткань”. Для оценки напряженного состояния системы “кость–имплантат” в процессе ее эксплуатации разработаны конечно-элементные расчетные модели как для здорового тазобедренного сустава, так и в случае использования эндопротеза с различными видами ацетабулярного компонента, который устанавливается путем запрессовывания (press fit) или ввинчивания в вертлужную впадину. Проведена оценка напряженного состояния субхондральной и спонгиозной тканей тазовой кости при действии нагрузки 1 кН, прикладываемой к поверхности головки бедренной кости (направление соответствует положению пациента стоя). Анализ полученных результатов для тазобедренного сустава здорового человека показал, что характерным для рассматриваемого случая является отсутствие каких-либо концентраторов напряжений. Наиболее нагруженной областью спонгиозной ткани является область на расстоянии 6÷7 мм над областью контакта дна вертлужной впадины с головкой бедренной кости. Для субхондральной ткани кости наиболее нагруженной областью является внутренняя часть над вертлужной губой. Исследование напряженного состояния костной ткани для запрессованного и ввинчиваемого ацетабулярных компонентов показало, что характер нагруженности тазовой кости незначительно изменяется по сравнению с нагруженностью здорового тазобедренного сустава.

Ендопротезування тазостегнового суглоба потребує аналізу біомеханіки компонентів імплантату після оперування. Дослідження поведінки системи “кістка–імплантат” з використанням методів математичного аналізу актуально та має важливе значення для оцінки працездатності біомеханічної системи “чаша ацетабулярного компонента – кісткова тканина”. Для оцінки напруженого стану системи “кістка–імплантат” в процесі її експлуатації розроблено розрахункові скінченно-елементні моделі як для здорового тазостегнового суглоба, так і в випадку використання ендопротеза з різними видами ацетабулярного компонента, який установлюється шляхом запресування (press fit) або укручування у вертлужну впадину. Проведено оцінку напруженого стану субхондральної і спонгіозної тканин тазової кістки при дії навантаження 1 кН, що прикладається до поверхні головки стегнової кістки (напрям відповідає положенню пацієнта, який стоїть). Аналіз отриманих результатів для тазостегнового суглоба здорової людини показав, що характерним для розглянутого випадку є відсутність яких-небудь концентраторів напруги. Найбільш навантаженою зоною спонгіозної тканини є зона на відстані 6÷7 мм над зоною контакту дна вертлужної впадини з головкою стегнової кістки. Для субходральної тканини кістки найбільш навантаженою зоною є внутрішня частина над вертлужною губою. Дослідження напруженого стану кісткової тканини для запресованого та вкрученого ацетабулярних компонентів показало, що характер навантаженості тазової кістки незначно змінюється в порівнянні з навантаженістю здорового тазостегнового суглоба.

Hip replacement has need for an analysis of biomechanics of components of a prosthetic implant after a surgical procedure. Studies of the behavior of the bone-implant system with methods of a mathematical analysis are urgent and of importance for the evaluation of the serviceability of a biomechanical system of cup acetabular components and the bone tissue. To evaluate stressed conditions of the bone-implant system during its operation, calculating finite-element models are developed both to the healthy hip joint and to the implant with various acetabular components press-fitting or screwing in the acetabulum. The evaluation of stressed conditions for subcartilaginous and spongy tissues of the caxal bone subjected to the load of 1 kN applied to the surface of the femoral head (the direction corresponds to the standing patient) is carried out. The analysis of the results obtained for the hip joint of the healthy person demonstrated that the absence of any load concentrators is typical for the case under consideration. The most loaded region of the spongy tissue is the region at the distance of 6÷7 mm above the region of the contact between the acetabulum and the femoral head. For the subcartilaginous tissue the most loaded region is an internal portion above the acetabulum. Studies of stressed conditions of a bone tissue for press-fitting and screwing-in acetabulum components demonstrated that the character of loading the caxal bone changes moderately as comparison with loading the healthy hip joint.