Математичне моделювання ендопротезування колінного суглоба зі заповненням дефекту кісток імплантатами з різних матеріалів

Abstract

Defects in the proximal tibia significantly complicate the process of implanting an artificial knee joint.Objective: due to mathematical modeling to determine the optimal combination of implant stem and material, depending on the size of the tibia defect at joint replacement.Methods: using the finite element method, the stresses in the lower limb models with knee implant were studied. Reproduced the defect tibia size 25, 50 and 75 % of the area of the supporting surface of the endoprosthesis. For each case, an implant without stem, with short or long one was modeled. We studied options for filling defects with bone chips, bone cement and porous tantalum.Results: the presence of defect of 25 % leads to an increase in stresses on its face under the elements of implant, which decrease with increasing length of its stem. When filling the defect with bone chips, the stresses in the bone tissue decrease, in addition — with an increase in the length of the endoprosthesis stem. When using bone cement, the stress level in the model is reduced more effectively compared to bone chips, regardless of the length of the stem of the implant. The zone of maximum loads is shifted to the stiffener of the endoprosthesis in the region of the defect 50 %. When filling it with cement, the combination with a long-stem implant seemed most effective. Large defects (75 %) do not cause significant stress in the bone tissue, but their level increases at grafting with bone chips. You can reduce it by using an endoprosthesis with a long stem and bone cement instead of chips.Conclusions: at 25 % tibia defect the most biomechanically effective is the using of implant with long or short stem and bone cement, at 50 % defect — a combination of a long stem of implant with filling the defect with bone cement or a short or long stem with a tantalum implant; at 75 % defect — grafting of defect with tantalum augments in combination with long stem.

Дефекты проксимального отдела большеберцовой кости (ББК) значительно усложняют процесс установки искусственного коленного сустава.Цель: на математической модели определить оптимальные комбинации длины ножки эндопротеза и материала имплантата в зависимости от величины дефекта ББК при эндопротезировании коленного сустава.Методы: с помощью метода конечных элементов изучены напряжения в моделях нижней конечности с эндопротезом коленного сустава. Воспроизводили дефект ББК размером 25, 50 и 75 % от площади опорной поверхности эндопротеза (ПОПЭ). Для каждого случая моделировали эндопротез без ножки, с короткой или длинной ножкой. Изучали варианты заполнения дефектов костными чипсами, костным цементом и пористым танталом.Результаты: наличие дефекта размером 25 % от ПОПЭ приводит к повышению напряжений на его грани под элементами эндопротеза, которые снижаются с увеличением длины его ножки. При заполнении дефекта костными чипсами уменьшаются напряжения в костной ткани, дополнительно — с увеличением длины ножки эндопротеза. При использовании костного цемента уровень напряжений в модели снижается эффективнее по сравнению с костными чипсами, независимо от длины ножки эндопротеза. Зона максимальных нагрузок смещена на ребро жесткости эндопротеза в области дефекта 50 % от ПОПЭ. При заполнении его цементом наиболее эффективным оказалось сочетание с эндопротезом на длинной ножке. Большие дефекты (75 %) не вызывают значительных напряжений в костной ткани, но уровень их повышается при пластике костными чипсами. Снизить его можно, использовав эндопротез с длинной ножкой и костный цемент вместо чипсов.Выводы: наиболее биомеханически эффективным при дефекте ББК размером 25 % является использование эндопротеза на длинной или короткой ножках и костного цемента; 50 % — комбинации длинной ножки эндопротеза с заполнением дефекта костным цементом или короткой или длинной ножек с танталовым имплантатом; 75 % — пластика дефекта танталовыми имплантатами в сочетании с эндопротезом на длинной ножке.

Дефекти проксимального відділу великогомілкової кістки (ВК) значно ускладнюють процес установлення штучного колінного суглоба.Мета: на математичній моделі визначити оптимальні комбінації довжини ніжки ендопротеза та матеріалу імплантата залежно від величини дефекту ВК за умов ендопротезування колінного суглоба.Методи: за допомогою методу скінченних елементів вивчені напруження в моделях нижньої кінцівки з ендопротезом колінного суглоба. Відтворювали дефект ВК розміром 25, 50 і 75 % від площі опорної поверхні ендопротеза (ПОПЕ). Для кожного випадку моделювали ендопротез без ніжки, з короткою або довгою ніжкою. Вивчали варіанти заповнення дефектів кістковими чіпсами, кістковим цементом і пористим танталом.Результати: наявність дефекту розміром 25 % від ПОПЕ призводить до підвищення напруження на його межі під елементами ендопротеза, які знижуються зі збільшенням довжини його ніжки. У разі заповнення дефекту кістковими чіпсами зменшуються напруження в кістковій тканині, додатково — зі збільшенням довжини ніжки ендопротеза. За умов використання кісткового цементу рівень напружень у моделі знижується ефективнішим, ніж кістковими чіпсами, незалежно від довжини ніжки ендопротеза. Зона максимальних навантажень зміщена на ребро жорсткості ендопротеза в зоні дефекту 50 % від ПОПЕ. У разі заповнення його цементом найефективнішим виявилося поєднання з ендопротезом на довгій ніжці. Великі дефекти (75 %) не викликають значних напружень у кістковій тканині, але рівень їх підвищується в разі пластики кістковими чіпсами. Знизити його можна, використавши ендопротез із довгою ніжкою і кістковий цемент замість чіпсів.Висновки: найбільш біомеханічно ефективним у разі дефекту ВК розміром 25 % є використання ендопротеза на довгій або короткій ніжках і кісткового цементу; 50 % — комбінації довгої ніжки ендопротеза зі заповненням дефекту кістковим цементом або короткої чи довгої ніжок із танталовим імплантатом; 75 % — пластика дефекту танталовими імплантатами в поєднанні з ендопротезом на довгій ніжці.