Порівняльний аналіз напружено-деформованого стану моделі стегнової кістки з ревізійною ніжкою після віконної остеотомії залежно від довжини ніжки

Abstract

The question of the optimal length of a revision stem following extended proximal osteotomy (EPO) — and its direct impact on the stress-strain state of the bone – implant – wire system – remains insufficiently studied from a biomechanical perspective, potentially increasing the risk of mechanical complications.Objective. To conduct a comparative analysis of stress values in a model of the femur with a revision stem following a window osteotomy, depending on the length of the prosthesis stem. Methods. A three-dimensional finite-element model of the femur with a revision stem following a window osteotomy was developed using SolidWorks and ANSYS software packages. Three stem length variants were investigated: 1, 3 and 5 cm below the lower edge of the opening. The bone fragment was fixed with two turns of 1.5 mm diameter cerclage wire. The model was loaded with a force of 1,100 N on the head and 468 N on the greater trochanter, corresponding to single-leg standing; the maximum stresses in the bone and metal elements were recorded. Results. The length of the stem had virtually no effect on the stresses in the bone (differences of 1–2 per cent), with the exception of the lower edge of the bore, where the stress decreased by 19 perent (from 19.2 to 15.5 MPa) for an overlap of 5 cm. Stresses in the cerclage wire remained low (152.0–154.9 MPa) regardless of the length of the leg. With a 5 cm overlap, the stresses in the neck and proximal part of the stem were minimal; however, at the distal end of the stem, they increased almost tenfold (from 16.8 to 180.0 MPa), without exceeding the tensile strength of titanium. Conclusions. A revision stem with an overlap of at least 5 cm at the lower edge of the osteotomy window ensures minimal stress levels in the most vulnerable areas — along the lower edge of the opening and in the cerclage wire — without compromising the mechanical integrity of the structure. Compared with ETO, a window osteotomy places significantly less load on the fixation wire, allowing for single-level bone fixation.Питання оптимальності вибору довжини ревізійної ніжки після розширеної проксимальної остеотомії (ЕТО) та її безпосереднього впливу на напружено-деформований стан системи «кістка – ендопротез – дріт» залишається маловивченим із біомеханічної точки зору, що потенційно підвищує ризики механічних ускладнень. Мета. Провести порівняльний аналіз величин напружень у моделі стегнової кістки з ревізійною ніжкою після віконної остеотомії залежно від довжини ніжки ендопротеза. Методи. Розроблено тривимірну скінченноелементну модель стегнової кістки з ревізійною ніжкою після віконної остеотомії в програмних комплексах SolidWorks та ANSYS. Досліджено три варіанти її довжини: на 1, 3 та 5 см нижче нижнього зрізу отвору. Кістковий фрагмент фіксовано двома витками серкляжного дроту діаметром 1,5 мм. Модель навантажували силою 1 100 Н на головку та 468 Н на великий вертлюг, що відповідає одноопорному стоянню; фіксували максимальні напруження в кісткових і металевих елементах. Результати. Довжина ніжки практично не впливала на напруження в кістці (відмінності 1–2 %), за винятком нижнього зрізу отвору, де напруження знизилося на 19 % (з 19,2 до 15,5 МПа) за перекриття 5 см. Напруження в серкляжному дроті залишалися низькими (152,0–154,9 МПа) незалежно від довжини ніжки. За умов перекриття 5 см напруження в шийці та проксимальній частині ніжки були мінімальними, проте на дистальному кінці зросли практично в 10 разів (з 16,8 до 180,0 МПа), не перевищуючи межі міцності титану. Висновки. Ревізійна ніжка з перекриттям нижнього зрізу вікна остеотомії щонайменше на 5 см забезпечує мінімальний рівень напружень у найбільш вразливих ділянках — по нижньому зрізу отвору та в серкляжному дроті — без ризику для механічної цілісності конструкції. Порівняно з ЕТО, віконна остеотомія створює суттєво менше навантаження на фіксувальний дріт, дозволяючи обмежитися однорівневою кістковою фіксацією.