Імітаційне комп’ютерне моделювання й натурне стендове дослідження напружено-деформованого стану біомеханічної системи «фіксатор – кістка» за умов надкісточкових коригувальних остеотомій

Abstract

Objective: to study the stability of internal fixation at various types of the supramalleolar corrective osteotomies of the distal tibia bone. To examine the parameters of stiffness and durability of the «fixator-bone» systems at computer simulation by finite elements method; to assess the adequacy of this method by comparisons with the results of field full-scale studies.Methods: the 3D distal tibia bone model is based on the CT of an intact tibia in the ANSYS software package. In-situ study we used 5 intact distal tibia bone species of dead people. In the models we recreated supramalleolar corrective osteotomies specified zones with fixation with various blocked plates with angular stability.Results: systems with medial blocked «puddi-plate» and anterior lateral blocked L-shaped plates had the highest stiffness and stability. The allowable efforts for compression were 217 and 308 N, for bending — 34 and 73 N, for torsion — 18.8 and 17.9 N/m, respectively. The smallest compressive stiffness (151 N), bending (19 N) and torsion (2.46 N/m) were found at a medial blocked plate. Similar distribution of maximal static and cyclic loads was obtained in full-scale bench research.Conclusions: the adequacy of imitation 3D-models and parameters of biological materials incorporated in them was confirmed. In the case of a medial supramalleolar corrective osteotomies with an open wedge, the medial blocked plate «puddi-plate» provided the greatest stability and rigidity of fixation. For lateral supramalleolar corrective osteotomies with closed wedge and anterior focal dome correcting osteotomies — optimally used anterior-lateral L-shaped blocked plate.Цель: изучить стабильность внутренней фиксации при выполнении различных видов надлодыжечных корригирующих остеотомий (КО) дистального отдела большеберцовой кости (ББК) путем исследования параметров жесткости и прочности систем «фиксатор — кость» при имитационном компьютерном моделировании методом конечных элементов; оценить адекватность данного метода путем сравнения с результатами натурных стендовых исследований.Методы: 3D-модель ББК создана на основе КТ неповрежденной голени в программном комплексе ANSYS. В натурном исследовании использованы 5 неповрежденных ББК умерших людей. В моделях воссоздана КО указанной зоны с фиксацией различными блокированными пластинами с угловой стабильностью.Результаты: наиболее жесткими и стабильными оказались системы с медиальной блокированной «puddi-plate» и передне-латеральной блокированной L-образной пластинами, где допустимые усилия на сжатие составили 217 и 308 Н, изгиб — 34 и 73 Н, кручение — 18,8 и 17,9 Н/м соответственно. Наименьшая жесткость на сжатие (151 Н), изгиб (19 Н) и кручение (2,46 Н/м) выявлена в случае медиальной блокированной пластины. Подобное распределение максимальных статических и циклических нагрузок получено в натурном стендовом исследовании.Выводы: подтверждена адекватность имитационных 3D-моделей и заложенных параметров биологических материалов. При медиальной надлодыжечной КО с открытым клином наибольшую стабильность и жесткость фиксации обеспечивает медиальная блокированная пластина «puddi-plate», с закрытым клином — медиальная блокированная пластина с минивинтами. Для латеральной с закрытым клином, передней и фокусной купольной корригирующих остеотомий оптимально использовать передне-латеральную L-образную блокированную пластину.Мета: вивчити стабільність внутрішньої фіксації за умов виконання різних видів надкісточкових коригувальних остеотомій (КО) дистального відділу великогомілкової кістки (ВГК) шляхом дослідження параметрів жорсткості та міцності систем «фіксатор – кістка» за умов імітаційного комп’ютерного моделювання методом скінченних елементів; оцінити адекватність методу шляхом порівняння з результатами натурних стендових досліджень.Методи: 3D-модель ВГК створена на основі КТ неушкодженої гомілки в програмному комплексі ANSYS. У натурному дослідженні використані 5 неушкоджених ВГК померлих людей. У моделях відтворена КО зазначеної зони з фіксацією різними блокованими пластинами з кутовою стабільністю.Результати: найжорсткішими та найстабільнішими виявилися системи з медіальною блокованою «puddi-plate» та передньо-латеральною блокованою L-образною пластинами, де допустимі зусилля на стискання склали 217 і 308 Н, згинання — 34 і 73 Н, кручення — 18,8 і 17,9 Н/м відповідно. Найменша жорсткість на стискання (151 Н), згинання (19 Н) і кручення (2,46 Н/м) виявлена в разі медіальної блокованої пластини. Подібний розподіл максимальних статичних і циклічних навантажень отримано в натурному стендовій дослідженні.Висновки: підтверджено адекватність імітаційних 3D-моделей і закладених параметрів біологічних матеріалів. У разі медіальної надкісточкової КО з відкритим клином найбільшу стабільність і жорсткість фіксації забезпечує медіальна блокована пластина «puddi-plate», зі закритим клином — медіальна блокована пластина з мінігвинтами. Для латеральної з закритим клином, передньої та фокусної купольної коригувальних остеотомій оптимально використовувати передньо-латеральну L-подібну блокувальну пластину.