Математичне моделювання нового ендопротеза для міжтілового спондилодезу поперекового відділу хребта

Abstract

Objective: using mathematical modeling with the finite element method to develop a model of the interbody implant with an additional fastening element and to evaluate the stress-strain state of the system «vertebral body – implant». Methods: models were designed in SolidWorks software. Two designed schemes with implants were developed and studied: 1) titanium cylindrical; 2) titanium cylindrical with an additional fastening element — a spike. The condition of the Ist stage of the study is the absence of movements of the elements of the contact pair «implant – vertebral body», the IInd — a small relative slip between them with zero friction. Bending loads on the segment were created. Re­sults: the application of an additional fastener significantly in­creases the rigidity of the entire system. Redistribution of stresses occurs with their decrease in the implant with an additional fastening element by 30 % than without it. The equivalent stresses of cortical tissues for the first and second calculation schemes of the first stage of the study turned out to be close in values, the difference is 2 %. For stage II, the difference was 43 %, higher stresses were observed in the case of implant with a spike. Contact pressure indices in models with two types of implants in the absence of movements in the «implant – vertebral body» system are close, the difference is 5 %. In the case of modeling of a small relative slip between them with zero friction (stage II), the difference in values rises up to 54 %, and the lower pressure corresponds to the implant model with a spike. Conclusions: the use of an improved design of the interbody implant with an additional fastening element in the form of a spike is more effective to achieve stabilization in the system of the «vertebral body – implant» compared with a conventional cylindrical implant.

Цель: с помощью математического моделирования с использованием метода конечных элементов разработать модель межтелового эндопротеза с дополнительным элементом крепления и оценить напряженно-деформированное состояние системы «тело позвонка – имплантат». Методы: модели созданы в программном продукте SolidWorks. Разработаны и исследованы две расчетные схемы с эндопротезами: 1) титановым цилиндрическим; 2) титановым цилиндрическим с дополнительным элементом крепления — шипом. Условие I этапа работы — отсутствие перемещений элементов контактной пары «имплантат – тело позвонка», II — небольшое относительное скольжение между ними с нулевым трением. Создавали сгибающие нагрузки на сегмент. Результаты: применение дополнительного элемента крепления существенно повышает жесткость всей системы. Происходит перераспределение напряжений с их снижением в эндопротезе с дополнительным элементом крепления на 30 %. Эквивалентные напряжения корковых тканей для первой и второй расчетных схем I этапа исследования оказались близкими по значениям, разница равна 2 %. Для ІІ этапа разница составила 43 %, большие напряжения наблюдали в случае эндопротеза с шипом. Показатели контактного давления в моделях с двумя типами эндопротезов в условиях отсутствия перемещений в системе «имплантат – тело позвонка» близки, разница равна 5 %. В случае моделирования небольшого относительного скольжения между ними с нулевым трением (II этап) разность значений повышается до 54 %, причем меньшее давление соответствует модели эндопротеза с шипом. Выводы: применение усовершенствованной конструкции межтелового эндопротеза с дополнительным элементом крепления в виде шипа является более эффективным для достижения стабилизации в системе «тело позвонка – имплантат» по сравнению с обычным цилиндрическим эндопротезом.

Мета: за допомогою математичного моделювання з використанням методу скінченних елементів розробити модель міжтілового ендопротеза з додатковим елементом кріплення й оцінити напружено-деформований стан системи «тіло хребця – імплантат». Методи: моделі створені в програмному продукті SolidWorks. Розроблено та досліджено дві розрахункові схеми з ендопротезами: 1) титановим циліндричним; 2) титановим циліндричним із додатковим елементом кріплення — шипом. Умова I етапу роботи — відсутність переміщень елементів контактної пари «імплантат – тіло хребця», II — невелике відносне ковзання між ними з нульовим тертям. Створювали згинальне навантаження на сегмент. Результати: застосування додаткового елемента кріплення істотно підвищує жорсткість усієї системи. Відбувається перерозподіл напружень з їхнім зниженням в ендопротезів із додатковим елементом кріплення на 30 %. Еквівалентні напруження коркових тканин для першої та другої розрахункових схем I етапу дослідження виявилися близькими за значеннями, різниця дорівнювала 2 %. Для ІІ етапу різниця склала 43 %, великі напруження спостерігали в разі ендопротеза з шипом. Показники контактного тиску в моделях з обома типами ендопротезів за умов відсутності переміщень в системі «імплантат – тіло хребця» близькі, різниця дорівнює 5 %. У разі моделювання невеликого відносного ковзання між ними з нульовим тертям (II етап) різниця значень підвищується до 54 %, причому менший тиск відповідає моделі ендопротеза з шипом. Висновки: застосування вдосконаленої конструкції міжтілового ендопротеза з додатковим елементом кріплення у вигляді шипа є ефективнішим для досягнення стабілізації в системі «тіло хребця – імплантат» порівняно зі звичайним циліндричним ендопротезом.