Порівняльний біомеханічний аналіз напружень системи «кістка – імплантат» у разі ендопротезування головки променевої кістки

Abstract

Objective: to conduct a comparative analysis of stress distribution in the bone and implant system for various cases of the elbow joint flexion and supination in the endoprosthesis of the radial head with a developed bipolar implant and bipolar endoprosthesis KPS.Methods: based on data provided by Zygote Media Group, Inc., a geometric model was created. In order to maximally repeat the biomechanics of the elbow joint in the model and the calculation schemes, cartilage surfaces and ligaments of the elbow joint are added. Using the SolidWorks and ANSYS software, a finite-element model was created, and then the calculation and visualization of the results were performed. In total, 45 geometric models were examined for 15 cases: for normal elbow joint, models with bipolar radial head endoprosthesis — developed and KPS.Results: it was established that all elements of the developed bipolar radial head endoprosthesis meet the requirements of durability and toughness of the working structure. The values of stress and strains are compared with the values obtained for a model in a healthy elbow joint. In the «bone – implant» system, under the conditions of the radial head endoprosthesis, the developed bipolar implant and endoprosthesis KPS did not reveal significant differences in stress and strain fields in implants and in the structures of the elbow joint. The deformation fields that arise in the developed bipolar radial head endoprosthesis radial head had a smaller deviation from deformations of the normal joint compared to the KPS endoprosthesis.Conclusions: the developed bipolar radial head endoprosthesis with a pair of friction «metal – metal» does not exert a critical influence on the articular surfaces and the connective device of the elbow joint.Цель: провести сравнительный анализ распределения напряжений в системе «кость – имплантат» для различных случаев сгибания в локтевом суставе и пронации-супинации в условиях эндопротезирования головки лучевой кости (ГЛК) разработанным биполярным имплантатом и биполярным эндопротезом KPS.Методы: на основе данных, предоставленных компанией Zygote Media Group, Inc., построена геометрическая модель. Для максимального повторения биомеханики локтевого сустава в модели и расчетные схемы добавлены хрящевые поверхности и связки локтевого сустава. С помощью программного комплекса SolidWorks и ANSYS построена конечно-элементная модель, а затем выполнен расчет и визуализация результатов. Всего рассмотрено 45 геометрических моделей по 15 для каждого случая: для нормального локтевого сустава, моделей с биполярными эндопротезами ГЛК — разработанным и КPS.Результаты: установлено, что все элементы разработанного биполярного эндопротеза ГЛК удовлетворяют требованиям прочности и жесткости трудоспособной конструкции. Величины напряжений и деформаций сравнимы со значениями, полученными для модели в здоровом локтевом суставе. В системе «кость – имплантат» в условиях эндопротезирования ГЛК разработанным биполярным имплантатом и эндопротезом KPS не обнаружено существенных различий в полях напряжений и деформаций как в имплантатах, так и в структурах локтевого сустава. Поля деформаций, возникающие в разработанном биполярном эндопротезе ГЛК, имели меньшую величину отклонения от деформаций нормального сустава по сравнению с эндопротезом KPS.Выводы: разработанный биполярный эндопротез ГЛК с парой трения «металл – металл» не оказывает критических воздействий на суставные поверхности и связочный аппарат локтевого сустава.Мета: провести порівняльний аналіз розподілу напружень у системі «кістка – імплантат» для різних випадків згинання в ліктьовому суглобі та пронації-супінації за умов ендопротезування головки променевої кістки (ГПК) розробленим біполярним імплантатом і біполярним ендопротезом KPS.Методи: на основі даних, наданих компанією Zygote Media Group, Inc., побудовано геометричну модель. Для максимального повторення біомеханіки ліктьового суглоба в моделі та розрахункові схеми додані хрящові поверхні й зв’язки ліктьового суглоба. За допомогою програмного комплексу SolidWorks і ANSYS побудовано кінцево-елементну модель, а потім виконано розрахунок і візуалізацію результатів. Усього розглянуто 45 геометричних моделей по 15 для кожного випадку: для нормального ліктьового суглоба, моделей із біполярними ендопротезами ГПК — розробленим і КPS.Результати: встановлено, що всі елементи розробленого біполярного ендопротеза ГПК задовольняють вимогам міцності та жорсткості працездатної конструкції. Величини напружень і деформацій порівняні зі значеннями, одержаними для моделі в здоровому ліктьовому суглобі. У системі «кістка – імплантат» за умов ендопротезування ГПК розробленим біполярним імплантатом і ендопротезом KPS не виявлено істотних відмінностей у полях напружень і деформацій як у імплантатах, так і в структурах ліктьового суглоба. Поля деформацій, які виникають у розробленому біполярному ендопротезі ГПК мали меншу величину відхилення від деформацій нормального суглоба порівняно з ендопротезом KPS.Висновки: розроблений біполярний ендопротез ГПК із парою тертя «метал – метал» не чинить критичних впливів на суглобові поверхні та зв’язковий апарат ліктьового суглоба.