Оцінювання впливу кута нахилу тібіального плато на зусилля в передній схрещеній зв’язці

Abstract

Today, a number of factors have been identified that theoretically increase the risk of anterior cruciate ligament (ACL) graft rupture. An increased posterior tibial slope is considered one of the potential risk factor. Objective: to investigate the influenceof posterior tibial slope angle on the loading forces in the ACL. Methods: the research was made in the program complex for the design and calculation of building structures LIRA-SAPR 2013 R5. The main aim of our study was to determine the loading forces in the ACL according to various angles α (0°, 5°, 10°, 15°). For maximum simplification of the model, the joint was depicted as two planes that correspond to the cross-sections of femoraland tibial bones at the level of ligaments attachment. Two variants of loading were assumed: 1) the movement of the femoral fragment in the horizontal plane in the direction «forward-backward » was set, the displacement amount was 10 mm; 2) when the conditions of the 1-st task were fulfilled, vertical (axial) movement of the femur was also determined in the direction of physiological loading, with value of 5 mm. Results: with an increase of angles α, loading forces in ACL also increase both in calculations with no vertical displacement and with its account. The smallest forces were obtained at the angle α = 0°.The greatest forces were obtained in the model with a slope angle α = 15°: 6.1 kN for the first type of calculation, which is 6.83, 4.27 and 1.84 % more than at α = 0°, 5°, 10°, respectively; 5.9 kN for the second type, by 14.56, 9.26 and 4.24 %, respectively. With increase of posterior slope angle, the differences in loading forces obtained in the first and second types of calculations are reduced. Conclusions: in all angles of posterior tibial slope (0°, 5°, 10°, 15°), the increase in loading forces didn’t exceed 15 %. The forces are higher in the model without axial displacement. The proposed mathematical model is quite effective in studying the loading in ACL, however, it is necessary to expand the modifiable components of this model to approach the biomechanics of the human knee.

Сегодня определен ряд факторов, теоретически повышающих риск повреждения имплантата передней крестообразной связки (ПКС), среди которых увеличенный кзади наклон суставной поверхности большеберцовой кости. Цель: изучить влияние угла наклона суставной поверхности большеберцовой кости (угол α) на усилия в ПКС. Методы: исследование выполнено в программном комплексе для проектирования и расчета строительных конструкций ЛИРА-САПР 2013 R5. Определяли усилия в ПКС при различных величинах угла α — 0°, 5°, 10°, 15°. Для упрощения построения модели сустав изображен в виде двух характерных плоскостей, соответствующих сечениям бедренной и большеберцовой костей на уровне крепления связок. Выполнены два варианта нагрузки: 1-й — задавали перемещения (10 мм) фрагмента бедренной кости в горизонтальной плоскости в направлении «вперед – назад»; 2-й — дополнительно к 1-му задавали вертикальное (осевое) перемещение (5 мм) в направлении действия физиологической нагрузки. Результаты: с увеличением угла α усилия в ПКС возрастали при обоих вариантах нагрузки. Наименьшие усилия получены, когда угол α равен 0°. Максимальными они были при величине угла α 15°: в 1-м варианте расчета — 6,1 кН (на 6,83; 4,27 и 1,84% больше чем в случае угла α в 0°, 5° и 10° соответственно); во 2-м — 5,9 кН (14,56; 9,26 и 4,24 % соответственно). С увеличением угла α назад уменьшилась разница величин усилий, полученных в 1 и 2-м вариантах расчетов. Выводы: при исследуемых углах наклона α 0°, 5°, 10° и 15° прирост усилий в ПКС не превышал 15 %. Большими оказались усилия в модели без осевого смещения. Предложенная математическая модель достаточно эффективна в изучении нагрузки ПКС, однако необходимо расширение модифицируемых ее составляющих для приближения к биомеханике коленного сустава человека.

Сьогодні визначено низку чинників, які теоретично підвищують ризик пошкодження імплантата передньої схрещеної зв’язки (ПСЗ), серед яких збільшений назад нахил суглобової поверхні великогомілкової кістки. Мета: вивчити вплив кута нахилу суглобової поверхні великогомілкової кістки (кут α) на зусилля в ПСЗ. Методи: дослідження виконано в програмному комплексі для проектування та розрахунку будівельних конструкцій ЛІРА-САПР 2013 R5. Визначали зусилля в ПСЗ за різних величин кута α — 0°, 5°, 10°, 15°. Для спрощення побудови моделі суглоб зображено у вигляді двох характерних площин, які відповідають зрізам стегнової та великогомілкової кісток на рівні кріплення зв’язок. Виконано два варіанти навантаження: 1-й — задавали переміщення (10 мм) фрагмента стегнової кістки в горизонтальній площині в напрямку «вперед – назад»; 2-й — додатково до 1-го задавали вертикальне (осьове) переміщення (5 мм) у напрямку дії фізіологічного навантаження. Результати: зі збільшенням кута α зусилля в ПСЗ зростали за обох варіантів навантаження. Найменші зусилля отримані, коли кут α дорівнював 0°. Найбільшими вони були за умов величини кута α 15°: у 1-му варіанті розрахунку — 6,1 кН (на 6,83; 4,27 і 1,84 % більше ніж у разі кута α в 0°, 5° і 10° відповідно); у 2-му — 5,9 кН (14,56; 9,26 і 4,24 % відповідно). Зі збільшенням кута α назад зменшилася різниця величин зусиль, отриманих у 1 і 2-му варіантах розрахунків. Висновки: за умов величин кута α 0°, 5°, 10° і 15° зростання зусиль у ПСЗ не перевищило 15 %. Більшими виявилися зусилля в моделі без осьового переміщення. Запропонована математична модель є досить ефективною у вивченні навантаження ПСЗ, проте необхідно розширити її складові для наближення до біомеханіки колінного суглоба людини.