Порівняльний скінченно-елементний аналіз напружено-деформованого стану двох тривимірних моделей реверсивних тотальних ендопротезів

Abstract

Мета. Провести скінченно-елементний аналіз (СЕА) напружено-деформованого стану (НДС) елементів плечового суглоба та імплантатів двох типів реверсивних ендопротезів плечового суглоба. Матеріал і методи. Після 3D-сканування композитної моделі лопатки та протеза плечової кістки, побудовано геометричну модель плечового суглоба в програмі SolidWorks 2019 SP 1.0 із наступним математичним моделюванням й аналізом НДС. Для порівняльного аналізу НДС системи «кістка – реверсивний ендопротез» створено тривимірні моделі двох типів реверсивних тотальних ендопротезів плечової кістки, які трансформовано в скінченно-елементі моделі й імплантовано в розроблену тривимірну модель плечового суглоба без цементу. Проведено розрахунки НДС елементів ендопротезів плечового суглоба для двох положень: абдукція 90° та згинання 90° з навантаженням 5 кг. Результати. Порівняно зі здоровим плечовим суглобом, моделі з реверсивними тотальними ендопротезами плечового суглоба мають значно інші контактні напруження та площі контакту. Встановлено, максимальне напруження в деталях контактних частин ендопротеза за відведення під кутом 90° не перевищувало +1,78 МПа, згинання +5,8 МПа. Максимальні напруження на вкладці за абдукції плеча +8,6 МПА, мінімальні –7,38 МПа, під час згинання відповідно +2,3 МПа та –2,45 МПа. Доведено, що контактні площі гемісфери та вкладки обох реверсивних ендопротезів за абдукції та згинання кінцівки на 90° значно більше (573 мм2 проти 1809–2081 мм2) порівняно зі здоровим плечовим суглобом, при цьому зміни площі між ендопротезами незначні та дорівнюють 2–3 %. Висновки. Аналіз НДС навантаження елементів реверсивних тотальних ендопротезів показав, що найбільші напруження виникають у їхніх контактних зонах. Доведено, що максимальні напруження на контактних структурах ендопротезів менше ніж на головці здорового суглоба, але площа контакту в разі імплантації реверсивного ендопротеза плечового суглоба значно збільшується (більше ніж у 3 рази).