Напружено-деформований стан кульшового суглоба в дітей з асептичним некрозом головки стегнової кістки (повідомлення перше)

Abstract

Aseptic femoral head necrosis in children has a polyethiological structure and leads to the formation of various deformities or the entire proximal femur. Consequences of this may be the early development of hip joint arthritis.Objective: to study the stress-strain state of the hip joint components in cases of femoral head defects of 25 % of its size with different localization due to aseptic femoral head necrosis in children.Methods: a simplified finite element model of the childʼs hip joint was constructed and mathematical studies of the stress-strain state were performed in the normal joint and modeling of the femoral head defect with a 25 % of its volume. The defect was located in the lower and middle parts of the femoral head, in the zone of its loading and at the boundary of the upper edge of the acetabulum. The study of the stress-strain state model was made under the influence of a vertical load of 270 N, and also simulated the effect of the gluteus medius (450 N) and gluteus minimus (200 N) muscles.Results: Normally the main loading transfers through the cortical layer of the femur, the tensions in the cancellous bone are insignificant. The most stressed zone is the femoral neck, especially in the upper part, in the area of its transition to the head under the growth zone. In the case of a defect in the medial and upper parts of the femoral head, slight changes of the stress-strain state were found, and at the border of the upper edge of the acetabulum and in the growth zone — were pronounced. The maximum stress level reached 22.0 MPa, which is 2.5 times higher than the norm.Conclusions: as for to stress distribution in hip joint models, the most unfavorable position is the location of the defect in size 25 % of the femoral head volume at the border of the upper edge of the acetabulum and in the upper part of the femoral head, in the zone of its main load. It is with this option that the highest level of stress is observed on all the sites of the femur.Асептический некроз головки бедренной кости (ГБК) у детей имеет полиэтиологическую структуру и приводит к формированию различных ее деформаций или всего проксимального отдела бедренной кости. Последствиями этого может быть раннее развитие коксартроза.Цель: изучить напряженно-деформированное состояние (НДС) компонентов тазобедренного сустава в случаях дефектов ГБК размером 25 % от ее объема разной локализации вследствие асептического некроза у детей.Методы: построена упрощенная конечно-элементная модель (КЭМ) тазобедренного сустава ребенка и проведены математические исследования НДС в норме и при моделировании дефекта ГБК размером 25 % ее объема. Дефект размещали в нижней и средней частях ГБК, в зоне ее нагрузки и на границе верхнего края вертлужной впадины. Исследование НДС модели проводили под влиянием вертикальной нагрузки величиной 270 Н, также имитировали действие средней (450 Н) и малой (200 Н) седалищных мышц.Результаты: в норме основную нагрузку несет кортикальный слой бедренной кости, напряжение в губчатой кости незначительны. Самой нагруженной зоной является шейка бедренной кости, особенно в верхней части, на участке ее перехода в головку под зоной роста. В случае расположения дефекта в медиальной и верхней частях ГБК обнаружены незначительные изменения НДС, а на границе верхнего края вертлужной впадины и зоны роста ГБК — выраженные. Максимальный уровень напряжений достигал 22,0 МПа, что выше показателей нормы в 2,5 раза.Выводы: относительно распределения напряжений в моделях тазобедренного сустава наиболее неблагоприятным является расположение дефекта размером 25 % от объема ГБК на границе верхнего края вертлужной впадины и в верхней части ГБК, в зоне ее основной нагрузки. Именно при этом варианте наблюдается самый высокий уровень напряжений практически на всех исследованных участках бедренной кости.Асептичний некроз головки стегнової кістки (ГСК) у дітей має поліетіологічну структуру та призводить до формування різних її деформацій або всього проксимального відділу стегнової кістки. Наслідками цього може бути ранній розвиток коксартрозу.Мета: вивчити напружено-деформований стан (НДС) компонентів кульшового суглоба у випадках дефектів ГСК розміром 25 % від її обсягу різної локалізації внаслідок асептичного некрозу в дітей.Методи: побудована спрощена скінчено-елементна модель (СЕМ) кульшового суглоба дитини та проведені математичні дослідження НДС у нормі та в разі моделювання дефекту ГСК розміром 25 % її обсягу. Дефект розміщували в нижній і середній частинах ГСК, у зоні її навантаження та на межі верхнього краю кульшової западини. Дослідження НДС моделі проводили під впливом вертикального навантаження величиною 270 Н, також імітували дію середнього (450 Н) і малого (200 Н) сідничних м’язів.Результати: у нормі основне навантаження припадає на корковий шар стегнової кістки, напруження в губчастій кістці незначні. Найбільш навантаженої зоною є шийка стегнової кістки, особливо у верхній частині, на ділянці її переходу в головку під наростковою зоною. У разі розташування дефекту в медіальній і верхній частинах ГСК виявлені незначні зміни НДС, а на межі верхнього краю кульшової западини та наросткової зони ГСК — виражені. Максимальний рівень напружень досягав 22,0 МПа, що вище за показники норми у 2,5 рази.Висновки: стосовно розподілу напружень у моделях кульшового суглоба найбільш несприятливим є розташування дефекту розміром 25 % від обсягу ГСК на межі верхнього краю кульшової западини та у верхній частині ГСК, у зоні її основного навантаження. Саме при цьому варіанті спостерігається найвищий рівень напружень практично на всіх досліджених ділянках стегнової кістки.