Розрахунковий аналіз деформування біомеханічної системи «кістка – імплантат – протез»

Abstract

The prospects of the method of endo-exo-prosthetics of lost limbs, the basis of which is the interaction of the patient with the prosthesis through an implant connected to the stump bone, largely depends on ensuring the durability of the functioning of the stump bone, the implant and their connection. This article presents the method and analysis of deformations in the biomechanical system "bone-implant-prosthesis", an assessment of the mechanical condition of the specified objects of study is given. Purpose. To develop an adequate model of the "bone-implantprosthesis" system and to conduct a computational analysis of deformation in order to predict the strength of the elements. Methods. The finite element method is chosen as the numerical method of analysis. Particular attention is paid to the simulation of contact interaction, taking into account dry friction. The coefficient of friction (adhesion) varied in the calculations, thus simulating different degrees of osseointegration. Results. The obtained distributions of the main characteristics of the deformation process made it possible to find out that under the considered loading conditions, the strength of the bone and implant is preserved. Conclusions. From the point of view of mechanical behavior, both intramedullary and extramedullary implants maintain bone strength and ensure the performance of the prosthesis.Перспективність методу ендо-екзо-протезування втрачених кінцівок, основою якого є взаємодія пацієнта з протезом через імплантат, з’єднаний з кісткою кукси, значною мірою з алежить в ід з абезпечення довговічності функціонування кістки кукси, імплантата та їхнього з’єднання. Наведено методику й аналіз деформацій в біомеханічній системі «кістка – імплантат – протез», вивчено показники механічного стану цих об’єктів дослідження. Мета. Створити розрахункову схему біомеханічної системи «кістка – імплантат – протез» із інтрамедулярним та екстрамедулярним імплантатами та проаналізувати деформування за різних ступенів контакту імплантата й кістки за рахунок варіювання значення коефіцієнта тертя (або адгезії) між ними. Методи. Матеріалом дослідження послужив аналіз релевантної літератури в спеціалізованих джерелах за останні 10 років. Чисельним методом аналізу обрано метод скінченних елементів. Навантаження моделі системи «кістка – імплантат – протез» здійснювали за умови дії сил по її біомеханічній осі. Особливу увагу приділено моделюванню контактної взаємодії з урахуванням сухого тертя, коефіцієнт якого варіювався під час розрахунків і таким чином моделювались різні ступені з’єднання кістки й імплантата. Результати. Отримані характеристики розподілу деформування дозволяють вважати, що з точки зору механічної поведінки як інтрамедулярний, так і екстрамедулярний імплантати за умов навантаження системи без відхилень від біомеханічній осі не змінюють первинну міцність кістки кукси. Висновки. Проаналізовано отримані результати й виявлено, що під час розглянутих умов центрального навантаження кістки кукси вагою тіла людини не має значимих ризиків порушення її міцності, причому для обох типів імплантатів.