Диссертация (1139491), страница 21
Текст из файла (страница 21)
vs II гр.I гр. vs III гр.I гр. vs IVгр.II гр. vs III гр.II гр. vs IV гр.III гр. vs IV гр.µ ЛО/МО vsµ ЛО/МО3,15/1,943,15/2,963,15/0,991,94/2,961,94/0,992,96/0,99КритерийФишера1,753,3317,421,9030,5658,09t-критерийр дисп.р9,151,1832,08-7,6610,7816,220,500,14<0,00010,22<0,0001<0,0001<0,00010,25<0,0001<0,0001<0,0001<0,0001Как видно из таблицы, схожими показатели биомеханики оказались в I иIII группах, так как только между этими группами р>0,05 (Рисунок 40).136Диаграмма размаха: ЛО/МО,%3,43,3ЛО/МО,%3,23,13,02,92,82,7группа 1группа 3СреднееСреднее±Ст.ош.Среднее±1,96*Ст.ош.Рисунок 40 – Сравнение биомеханики I и III группПоказатель биомеханики между I и IV, II и IV, III и IV группамиразличался по p, вычисленному по критерию Манна–Уитни, так как несоблюдено условие равенства дисперсий (р дисп.<0,05) (Рисунок 41).Диаграмма размаха: ЛО/МО,%3,63,43,23,02,8ЛО/МО,%2,62,42,22,01,81,61,41,21,00,8группа 1группа 4СреднееСреднее±Ст.ош.Среднее±1,96*Ст.ош.Рисунок 41 – Сравнение биомеханики в I и IV группахОднако достоверными различия кинематики КС были между I и II, атакже II и III группами (р дисп.>0,05, р<0,05) (Рисунок 42).137Диаграмма размаха 17v*53c4,54,03,5ЛО/МО,%3,02,52,01,5Медиана25%-75%Размах без выбр.ВыбросыКрайние точки1,00,5группа 1группа 2группа 3группа 4Рисунок 42 – Сравнение всех группРезюмеБиомеханика сгибания здорового КС заключается в одновременномвращении во фронтальной плоскости и скольжении бедренной кости посуставной поверхности большеберцовой кости.Мы определили взаимоотношения контактирующих поверхностей вздоровом КС и установили статистически значимую разницу в биомеханикеразличных типов эндопротезов.
С достоверностью установлено, что в здоровомКС внутренний отдел преимущественно вращается, а наружный – скользит в3,2 раза больше внутреннего компартмента. Важно отметить, что при ОАуменьшается степень взаимного скольжения костей, причем больше – внаружном отделе КС вне зависимости от характера его поражения.Достовернодоказано,чтоэндопротезссохранениемзаднейкрестообразной связки максимально точно воспроизводит биомеханикуздорового КС, а эндопротез с замещением задней крестообразной связкиконструктивно уравнивает соотношение скольжения и вращения в обоихкомпартментах.138Научно доказанная биомеханика здорового КС и кинематика движенияпри различных типах эндопротезов послужили основой для дальнейшейнаучной работы в этом направлении.
Функциональная многосрезовая КТотноситсяксистемевыбораэндопротезаидостовернодоказываетбиомеханическую целесообразность использования эндопротеза CR.Остановимся на математическом моделировании нагрузок в КС приэндопротезах различной степени связанности.139Глава 4.МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕНАПРЯЖЕНИЙ В ЗДОРОВОМ КОЛЕННОМ СУСТАВЕ И ПОСЛЕАРТРОПЛАСТИКИ ЭНДОПРОТЕЗАМИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВС целью математического обоснования применения того или иного типаэндопротезанеобходимоисследованиенапряженно-деформированногосостояния КС при различных ситуациях. Требуется исследовать и сравнитьраспределение нагрузок в здоровом КС, а также после артропластикиэндопротезами с сохранением и замещением задней крестообразной связки.Получить такие данные в эксперименте крайне сложно из-за большогоколичества факторов и сочетаний структурно-функциональных нарушений КС.Поэтому эмпирический уровень научного познания в данном случае трудноприменим.
Для проведения эксперимента необходимо построить гипотезу наоснове теоретических данных – анализа распределения напряжений в костнойткани и связочном аппарате путем моделирования процессов нагружения.Сегодня используются математические, биологические и физикохимические модели. Математические модели описывают гипотезу, теорию итребуют опытной проверки. Связь математической модели с реальностьюосуществляется с помощью цепочки гипотез, идеализаций и упрощений. Спомощью математических методов описывается, как правило, идеальныйобъект, построенный на этапе содержательного моделирования.Большое распространение для изучения различных ортопедическихдеформаций получил метод конечных элементов, эффективно реализуемый спомощью компьютерных технологий. Полученные результаты при корректнозаданных параметрах и задачах являются достоверными, что проверяется назадачах с известным решением [22].
При моделировании используют пакетыLS-DYNA.Целью биомеханических исследований в нашей работе было определениераспределениябольшеберцовая,напряжениймалоберцоваябиологическойкости,конструкциинадколенник,(бедренная,эндопротез)при140нескольких заданных условиях нагружения (сгибание 0º, 45º, 90º), а конечнойзадачей – расчет в каждой точке твердого тела напряжений, деформаций иперемещений, возникающих в нем в результате механических воздействий.4.1.Моделирование распределения напряжений в здоровом коленномсуставе и после артропластики эндопротезом с сохранением и замещениемзадней крестообразной связкиОдним из этапов теоретического научного познания (после изложениягипотезы на основе анализа готовых результатов) являются моделирование ипроведение мысленного эксперимента.Численное конечно-элементное математическое моделирование быловыполнено фирмой «Hexa». Перед нами были поставлены следующие задачи:создать 3 математические модели – здоровый КС, после артропластикиэндопротезом с сохранением и с замещением задней крестообразной связки;определить особенности распределения напряжений в костях и связочномаппарате непораженного КС при 3 типах заданных нагрузок; оценитьизменение напряжений в КС после артропластики эндопротезами CR и PS при3типахзаданныхнагрузок;сравнитьрезультатыматематическогомоделирования между собой с точки зрения прочности и жесткости(перемещения, напряжения).Для уменьшения количества моделей учитывали крайние точки визменении амплитуды нагружения.
Были созданы 3 конечно-элементныемодели. Первая, созданная на основе здорового КС, включала в себябедренную, большеберцовую и малоберцовую кости, надколенник, мениски,связочный аппарат.Для формирования 2-й и 3-й моделей сначала понадобилось осуществитьмоделирование эндопротезов CR и PS. За основу был взят эндопротез фирмыDePuy (P.F.C. Sigma CR и PS): БК – размер №3, ТК – размер №3, вкладыш – 10мм. Технические особенности эндопротеза КС: БК металлический, цементной141фиксации, изготовленный из сплава Co-Cr-Mo.
ТК металлический, цементнойфиксации, изготовленный из сплава Ti-6Al-4V. Полиэтиленовый вкладышизготовлен из высокомолекулярного полиэтилена UHMWPE жесткой фиксацииметодом защелкивания в ТК. На БК эндопротеза PS присутствует перемычка, ана вкладыше имеется выступ, которые при сгибании КС до 90º входят в контактиограничиваютпереднеесмещениебедреннойкостиотносительнобольшеберцовой, т.е. восполняют дефицит задней крестообразной связки(Рисунок 43, Рисунок 44).Рисунок 43 – Математическая модель эндопротеза с сохранением задней крестообразнойсвязки142Рисунок 44 – Математическая модель эндопротеза с замещением задней крестообразнойсвязкиВтораяматематическаямодельвключалавсебябедренную,большеберцовую и малоберцовую кости, надколенник, связочный аппарат, атакже БК и ТК, вкладыш эндопротеза CR, цемент; 3-я – бедренную,большеберцовую и малоберцовую кости, надколенник, связочный аппарат, атакже БК и ТК, вкладыш эндопротеза PS, цемент.143Все 3 математические модели были созданы с учетом вальгусногоотклонения оси бедренной кости, компоненты в костях были смоделированы сучетом необходимых плоскостей резекции, заданной фирмой-изготовителем.При этом механическая ось нижней конечности проходила от центра головкибедренной кости до центра голеностопного сустава в 10 мм медиальнее центраКС.
Конечно-элементные модели имели следующие физико-механическиехарактеристики материалов (Рисунок 45, Таблица 13, Таблица 14).Рисунок 45 – Эндопротез с сохранением задней крестообразной связки математическоймодели №2: сверху – БК (Co-Cr-Mo); снизу – ТК (Ti-6Al-4V); между ними – полиэтиленовыйвкладыш (UHMWPE)Таблица 13 – Характеристики упругости материалов, используемых в математическоммоделированииМатериалКортикальный слойГубчатая костьТК эндопротеза из сплава Ti-6Al-4VБК эндопротеза из сплава Co-Cr-MoМодуль упругости Еs,МПа12 000100120 000200 000КоэффициентПуассона0,30,20,30,3144ЦементВысокомолекулярный полиэтиленвысокой плотности UHMWPE20000,415000,25Таблица 14 – Характеристики прочности материалов, используемых в математическоммоделированииМатериалКортикальный слойГубчатая костьТК эндопротеза из сплава Ti-6Al-4VБК эндопротеза из сплава Co-Cr-MoЦементВысокомолекулярный полиэтиленвысокой плотности UHMWPEУсловный пределтекучести, 0,2 МПа120580070055δ, %1,451010040–6020–1000Для каждой математической модели выполнены 3 расчетных случаянагружения (N1–N3).
Нагрузку на таз рассматривали в нейтральном егосагиттальном положении, которое характеризуется тем, что верхние передниеподвздошные кости находятся на одном уровне с лонным симфизом вофронтальнойплоскости.Нагрузкаотвесаверхнейчаституловищараспределена по поверхности верхней грани тела позвонка S1. Закреплениепроизводится по суставной поверхности вертлужной впадины, головкебедренной кости и центру голеностопного сустава (Рисунок 46).145абвгРисунок 46 – Описание приложения нагрузки (80 кг = 800 Н): а, б – расчетный случай №1; в– расчетный случай №2; г – расчетный случай №3Первый расчетный случай заключался в осевой нагрузке 80 кг привыпрямленнойнижнейконечности.Быловыполненонагружениематематических моделей (Рисунок 47).Рисунок 47 – Математическая модель №2, расчетный случай №13146Второй расчетный случай предполагал осевую нагрузку 80 кг присгибании КС под углом 45º (Рисунок 48, Рисунок 49).Рисунок 48 – Математическая модель №2, расчетный случай №2Рисунок 49 – Математическая модель №3, расчетный случай №2При 3-м расчетном случае мы осуществляли осевую нагрузку 80 кг присгибании КС под углом 90º (Рисунок 50, Рисунок 51).147Рисунок 50 – Математическая модель №2, расчетный случай №3Рисунок 51 – Математическая модель №3, расчетный случай №3Во всех случаях оценивали распределение напряжения в бедренной ибольшеберцовой кости, в цементе, фиксирующем компоненты эндопротеза, всамих компонентах (БК, ТК, полиэтиленовый вкладыш) и связочном аппарате.1484.2.Результаты численного математического моделированияИз-за сложности расчетов вектора напряженного состояния методомперемещений для всех точек модели пространственная конструкция можетбыть разбита воображаемыми поверхностнымилиниямина конечныеэлементы, для которых можно определить их прочностные характеристики наоснове элементарной геометрии и известных свойств материалов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
