Напружено-деформований стан моделі таза і кульшового суглоба в різних фазах кроку

Abstract

The rationale of this scientific paper is stipulated by great amount of complication and negative results after surgical treatment of patients with hip pathology. Issues that can be interesting for surgeons, who deal with pelvis and hip pathology, are shown in the article. Recently, mathematic modeling is widely used in orthopedics and traumatology to improve surgery technique. But investigation of stress-strain state (SSS) of pelvic bones while walking are still lacking. Goal: to analyze SSS in bones of pelvis and hip on different phases of step on the background of human pelvic model designed by the authors. Methods: the method of model creation using geometric cut of CT scans was used to design geometric model of pelvis. The angles of tilting of femur and pelvis were taken into consideration for three phases of step cycle. The geometric model was built in SolidWorks programme. The basic calculations were performed using ANSYS programme. Von Mises stress was chosen to assess SSS. The investigation was performed on three pelvis models: on the phase of breakoff of fore part of nonbearing foot, during the full single-support position and during the touch of nonbearing foot. Results: the biggest strain was observed onI and III step phases. The biggest increase of SSS was noticed in the posterior part acetabulum comparing with single-support standing. On the 1st step phase the anterior and posterior parts of acetabulum occurred to be more pressure-bearing, on the 3d — anterior part. Severe increase of SSS was observed in the greater sciatic notch on I and III step phases. Conclusion: the use of pelvic model, which takes into consideration the changes of SSS while walking, allows equally show SSS in bones of pelvic comparing to the models used before.Актуальность представленной работы обусловлена большим количеством осложнений и неудовлетворительных результатов хирургического лечения пациентов с патологией тазобедренного сустава. В статье отражены вопросы, имеющие большое значение для хирургов, занимающихся проблемами лечения патологии таза и тазобедренного сустава. В последние годы с целью усовершенствования методик операций в ортопедии и травматологии широко используют математическое моделирование. Однако исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) костей таза и тазобедренного сустава во время ходьбы отсутствуют. Цель: проанализировать НДС в костях таза и тазобедренном суставе в различные фазы шага на основе разработанной авторами модели таза человека. Методы: в основу построения геометрической модели таза заложена методика создания модели с геометрическими сечениями, полученными из томографических снимков. В модели учтены углы наклона бедренной кости и таза для трех фаз цикла шага. Геометрическую модель строили в программе SolidWorks. Основные расчеты сделаны с использованием программы ANSYS. Для оценки НДС выбраны напряжения Мизеса. Проведены исследования на трех моделях костей таза: в момент отрыва носка стопы неопорной ноги, во время полного одноопорного положения и во время удара пяткой неопорной ноги. Результаты: более напряженное состояние наблюдают в I и III фазах шага. Больше всего повысилось напряженное состояние в задней части вертлужной впадины по сравнению с одноопорным стоянием. В I фазе шага более напряженными оказались передняя и задняя стенки вертлужной впадины, а в III — передняя. В зоне большой ягодичной вырезки уровень НДС значительно увеличен в I и III фазах шага. Выводы: применение модели таза с учетом изменений НДС во время ходьбы дает возможность адекватно отразить НДС в костях таза по сравнению с ранее используемыми моделями.Актуальність представленої роботи обумовлена великою кількістю ускладнень і незадовільних результатів хірургічного лікування пацієнтів з патологією кульшового суглоба. У статті відображені питання, що мають велике значення для хірургів, які займаються проблемами лікування патології таза і кульшового суглоба. Останніми роками з метою удосконалення методик операцій в ортопедії і травматології широко використовують математичне моделювання. Проте дослідження напружено-деформованого стану (НДС) кісток таза та кульшового суглоба під час ходьби відсутні.Мета: проаналізувати НДС у кістках таза і кульшовому суглобі в різні фази кроку на підставі розробленої авторами моделі таза людини.Методи: в основу побудови геометричної моделі таза закладено методику створення моделі за геометричними перерізами, отриманими з томографічних знімків. У моделі враховано кути нахилу стегнової кістки і таза для трьох фаз циклу кроку. Геометричну модель будували в програмі SolidWorks. Основні розрахунки зроблено з використанням програми ANSYS. Для оцінювання НДС обрано напруження Мізеса. Проведено дослідження на трьох моделях кісток таза: в момент відриву носка стопи неопорної ноги, під час повного одноопорного положення та під час удару п’яткою неопорної ноги.Результати: більш напружений стан спостерігають у І та ІІІ фазах кроку. Найбільше підвищився напружений стан у задній частині кульшової западини порівняно з одноопорним стоянням. У І фазі кроку більш напруженими виявилися передня та задня стінки кульшової западини, а в ІІІ — передня. У ділянці великої сідничної вирізки рівень НДС значно збільшений у І та ІІІ фазах кроку.Висновки: застосування моделі таза з урахуванням змін НДС під час ходьби дає можливість адекватно відобразити НДС у кістках таза порівняно з раніше використовуваними моделями.