Математичне моделювання грудної клітки, її лійкоподібної деформації та торакопластики

Abstract

The most common method of treating of the congenital funnel-shaped chest is thoracoplasty method by D. Nuss. During this surgery, a significant mechanical effect is created on the ribs, sternum, spinal column, which act instantly and continuously for a long time and create new biomechanical conditions for the «chest – rib – spine» system. Objective. To construct a functional model of the chest with a spinal column, which takes into account the movements in the costal-vertebral joints, it allows modeling the funnel-shaped deformation in conditions close to the reality, its operative correction, predicting the results and choosing the optimal parameters of thoracoplasty. Methods. Normal and funnel-shaped chest models based on the articular connection of the ribs to the spine were created using SolidWorks. The main calculations were made using the ANSYS program. To estimate the stress-strain state (SSS), stresses are selected by Mises. Results. The created dynamic mathematical model of the chest makes it possible to conduct a reliable analysis of the biomechanical interaction of the plate with the chest, to analyze the stress-strain state of the constructed models in the norm, with and without taking into account the movements in the costal-vertebral joints. In addition, it allows to simulate the operation by D. Nuss and to study the biomechanical changes in conditions close to reality, occurring in the «chest – rib – spine» system, to determine the areas of maximum loads and safety boundaries. Conclusions. The reproduction of articular ribs rotation in the dynamic model changes the picture of the SSS distribution. In the case of modeling the correction of funnel-shaped deformation of the chest by the method by D. Nuss, the largest zone of stress concentration was found on the outer posterior surface of the sixth pair of ribs. The most tense vertebrae were ThV– ThVI, but the maximum values did not exceed the permissible values. In the case of a lower plate conduction, the correction is achieved with better SSS values in the higher elements of the «chest – ribs – spine» system.

Найпоширенішим способом лікування вродженої лійкоподібної деформації грудної клітки (ГК) є торакопластика за методикою D. Nuss. Під час цієї операції створюється значний механічний вплив на ребра, грудину та хребтовий стовп, який діє постійно протягом тривалого часу, та виникають нові біомеханічні умови функціонування системи «грудина – ребра – хребет». Мета. Побудувати функціональну модель ГК із хребтовим стовпом, в якій враховані рухи в реброво-хребцевих суглобах, що дозволяє моделювати лійкоподібну деформацію за наближених до реальності умов, її хірургічну корекцію, прогнозувати результати й обирати оптимальні параметри торакопластики. Методи. Моделі ГК у нормі та з лійкоподібною деформацією з урахуванням суглобового з’єднання ребер із хребтовим стовпом створені за допомогою програми SolidWorks. Основні розрахунки зроблені з використанням програми ANSYS. Для оцінювання напружено-деформованого стану (НДС) обрані напруження за Мізесом. Результати. Створена динамічна математична модель дає можливість провести достовірний аналіз біомеханічної взаємодії пластини з ГК, аналізувати НДС побудованих моделей у нормі, з і без урахування рухів у реброво-хребцевих суглобах. Крім того, дає змогу відтворити операцію за D. Nuss і вивчити біомеханічні зміни в системі «грудина – ребра – хребет» за наближених до реальності умов, визначити ділянки максимальних навантажень і меж безпечності. Висновки. Відтворення в динамічній моделі можливості суглобової ротації ребер змінює картину розподілу НДС. У разі моделювання корекції лійкоподібної деформації ГК за методикою D. Nuss найбільшу зону концентрації напружень виявлено на зовнішній задній поверхні шостої пари ребер. Найбільш напруженими були хребці ThV–ThVI, але максимальні показники не перевищували допустимі значення. У разі більш низького проведення пластини необхідна корекція досягається з кращими показниками НДС у розташованих вище елементах системи «грудина – ребра – хребет».