Особливості напружено-деформованого стану конічної ніжки ендопротеза кульшового суглоба за різних типів її фіксації

Abstract

Objective: To study stress state of the femur and the conical femoral stem of the hip endoprosthesis KS «ORTEN» in differ­ent types of fixation and functional loadings.Methods: The finite element modeling with using the software complex «ANSYS» and computational model «bone – implant».Results: it was found that regardless of level of fixation maximal tensile stresses arise on the lateral surface of the femoral stem and bone, and squeezing ones were on the medial surface. In cases of diaphyseal fixation type we determined maximal stresses in the endoprosthesis when the surface area of contact with the bone is too small (less than 40 %). Increasing the contact area of the femoral stem with the bone increases the rigidity of the system «bone - implant» and reduces tensile and compressive stresses in the body of the femoral stem. In case of diaphyseal fixation there can occur stress concen­tration in the distal femur leading to the risk of stress-shielding effect and instability of the implant. In case of metaphyseal fixation we revealed a uniform distribution of stress on the bone which eliminates excessive concentration of mechanical stress. Optimal stress distribution in the femur may be achieved in case when the contact area of the femoral stem with the bone is 50 % or more. Conclusion: The value of the maximum stresses in the conical femoral stem of KS «ORTEN» with metaphyseal-diaphyseal type of fixation was 34 ÷ 140 MPa, and for the femur was 5,8 ÷ 7,15 MPa. For all types of fixation of the endoprosthesis maximal tensile stresses were found on the lateral surface of its stem and squeezing ones on the medial. In case of diaphyseal fixation of the conical femur stem stress concentration occurs in the distal femur which increases the risk of stress-shielding effect and instability of the endoprosthesis. In cases of metaphyseal and metaphyseal-diaphyseal fixation stresses distribute evenly ensuring continued functioning of the endoprosthesis.

Цель: изучить напряженное состояние бедренной кости и конической ножки эндопротеза ТБС «ОРТЭН» при различных типах ее фиксации и функциональных нагрузках.Методы: моделирование методом конечных элементов с использованием программного комплекса «ANSYS» и расчетной модели «кость – имплантат».Результаты: установлено, что независимо от уровня фиксации максимальные растягивающие напряжения возникают на латеральной поверхности ножки эндопротеза и кости, а сжимающие –– на медиальной. При диафизарном типе фиксации установлены максимальные напряжения в эндопротезе, когда площадь контакта его поверхности с костью слишком мала (меньше 40 %). Увеличение площади контакта ножки с костью приводит к повышению жесткости системы «кость – имплантат» и снижению значений растягивающих и сжимающих напряжений в теле ножки. В случае диафизарной фиксации может возникать концентрация напряжения в дистальном отделе бедренной кости, что приводит к риску развития stress-shielding эффекта и нестабильности эндопротеза. При метафизарной фиксации выявлено равномерное распределение напряжения по кости, что исключает чрезмерную концентрацию механических напряжений. Оптимальное распределение напряжений в бедренной кости достигается в случае, когда площадь контакта ножки эндопротеза с костью составляет 50 % или более. Вывод: значение максимальных напряжений в конической ножке эндопротеза ТБС «ОРТЭН» метафизарно-диафизарного типа фиксации составила 34 ÷ 140 МПа, а для бедренной кости –– 5,8 ÷ 7,15 МПа. При всех типах фиксации эндопротеза максимальные растягивающие напряжения обнаружены на латеральной поверхности его ножки, а сжимающие –– на медиальной. В условиях диафизарной фиксации конической ножки возникает концентрация напряжений в дистальном отделе бедренной кости, вследствие чего увеличивается риск развития stress-shielding эффекта и нестабильности эндопротеза. В случае метафизарной и метафизарно-диафизарной фиксации напряжения распределяются равномерно, обеспечивая длительное функционирование эндопротеза.

Мета: вивчити напружений стан стегнової кістки й конічної ніжки ендопротеза КС «ОРТЕН» за різних типів її фіксації та функціональних навантажень.Методи: моделювання методом кінцевих елементів з використанням програмного комплексу «ANSYS» та розрахункової моделі «кістка – імплантат». Результати: з’ясовано, що незалежно від рівня фіксації максимальні розтягувальні напруження виникають на латеральній поверхні ніжки ендопротеза й кістки, а стискальні — на медіальній. За діафізарного типу фіксації встановлені максимальні напруження в ендопротезі, коли площа контакту його поверхні з кісткою занадто мала (менше ніж 40 %). Збільшення площі контакту ніжки з кісткою призводить до підвищення жорсткості системи «кістка – імплантат» та зниження значень розтягувальних і стискальних напружень у тілі ніжки. У разі діафізарної фіксації може виникати концентрація напруження в дистальному відділі стегнової кістки, що призводить до ризику розвитку stress-shielding ефекту й нестабільності ендопротеза. У разі метафізарної фіксації виявлено рівномірний розподіл напруження по кістці, що виключає надмірну концентрацію механічних напружень. Оптимальний розподіл напружень у стегновій кістці досягається у випадку, коли площа контакту ніжки ендопротеза з кісткою дорівнює 50 % або більше. Висновок: значення максимальних напружень у конічній ніжці ендопротеза КС «ОРТЕН» метафізарно-діафізарного типу фіксації становила 34÷140 МПа, а для стегнової кістки — 5,8÷7,15 МПа. За всіх типів фіксації ендопротеза максимальні розтягувальні напруження виявлено на латеральній поверхні його ніжки, а стискальні — на медіальній. За умов діафізарної фіксації конічної ніжки виникає концентрація напруження в дистальному відділі стегнової кістки, внаслідок чого збільшується ризик розвитку stress-shielding ефекту й нестабільності ендопротеза. У разі метафізарної та метафізарно-діафізарної фіксації напруження розподіляються рівномірно, забезпечуючи тривале функціонування ендопротеза.