Біомеханічне дослідження напружено-деформованих станів системи «ендопротез — плечова кістка» за умов резекції пухлин

Abstract

Objective: To compare the stress-strain state of the «prosthesis – humerus» system with loading on tension, bending and torsion in the case of resection in the upper, middle and lower thirds of the humeral diaphysis. Methods: It was developed a mathematical model that simulated cases of defects in the upper third, half and 2/3 of the proximal humerus formed after resection of the tumor and substituted with endoprosthesis. We investigated two types of implants: the first was fixed exclusively by intramedullary stem, the second had a combined mounting system and was fixed not only with the help of intramedullary stem but with the help of extracor­tical plates attached to the body of the endoprostesis and fixedly embraced the distal humerus. We tested models with three types of loadins — tension, bending and torsion.Results: Having examined the first type of endoprosthesis we found that under tensile loading maximal stresses occur in the distal part of the bone at the level of the end of the intramedullary stem, and the most favorable situa­tion is the resection of the humerus at the level of the upper third. Research on flexing showed that the maximal loading concentrates in the central part of the model and does not depend on the level of resection of the humerus. The worst option was resection of the upper half of the humerus due to the critical area of maximum stress occurring in the basis of endoprosthesis at the junction of the body of the implant into the bone. The study of the second type of endoprosthesis revealed that for all kinds of loading additional extracortical plates give an opportunity to reduce the level of stresses in the bone tissue as well as the loading onto the critical zone. This combined system of fixing of the endoprosthesis will al­low to significantly reduce the amount of complications associated with the implant and the bone in the early and late postoperative period.

Цель: сравнить напряженно-деформированное состояние системы «эндопротез – плечевая кость» при нагрузке на растяжение, сгибание и кручение в случае резекции в верхней, средней и нижней третях диафиза плечевой кости.Методы: создана математическая модель, которая имитировала случаи дефектов верхней трети, половины, а также 2/3 проксимального отдела плечевой кости, образовавшихся после резекции опухолей и замещенных эндопротезом. Исследовали два типа эндопротезов: первый фиксировался исключительно за счет интрамедуллярной ножки, второй имел комбинированную систему крепления — фиксировался не только с помощью интрамедуллярной ножки, но и экстракортикальными пластинами, крепившимися к телу эндопротеза и прочно охватывающими дистальный отдел плечевой кости. Модели испытывали тремя видами нагрузок — на растяжение, сгибание и кручение.Результаты: изучив первый тип эндопротеза, установили, что при растягивающей нагрузке максимальные напряжения возникают в дистальной части кости на уровне конца интрамедуллярной ножки, а наиболее благоприятной ситуацией является резекция плечевой кости на уровне верхней трети. Исследование на сгибание продемонстрировало, что максимальная нагрузка концентрируется в средней части модели и не зависит от уровня резекции плечевой кости. Наиболее неблагоприятным вариантом оказалась резекция верхней половины плечевой кости из-за критической зоны максимальных напряжений, возникающей в основании ножки эндопротеза на месте перехода тела имплантата в кость. В результате исследования второго типа эндопротеза выявлено, что при всех видах нагрузки дополнительные экстракортикальные пластины дают возможность снизить уровень напряжений в костной ткани, а также нагрузку на критическую зону. Данная комбинированная система фиксации эндопротеза позволит значительно снизить количество осложнений, связанных с имплантатом и костью в раннем и позднем послеоперационном периоде.

Мета: порівняти напружено-деформований стан системи «ендопротез — плечова кістка» за умов навантаження на розтягнення, згинання і кручення в разі резекції у верхній, середній і нижній третинах діафіза плечової кістки.Методи: створено математичну модель, яка імітувала випадки дефектів верхньої третини, половини, а також 2/3 проксимального відділу плечової кістки, утворених після резекції пухлин і заміщених ендопротезом. Досліджували два типи ендопротезів: перший фіксувався виключно завдяки інтрамедулярної ніжки, другий мав комбіновану систему кріплення –– фіксувався не тільки за допомогою інтрамедулярної ніжки, а й екстракортикальними пластинами, які кріпляться до тіла ендопротеза й міцно охоплюють дистальний відділ плечової кістки. Моделі випробовували трьома видами навантажень –– на розтягнення, згинання і кручення.Результати: після вивчення першого типу ендопротеза встановлено, що за умов розтягувального навантаження максимальні напруження виникають у дистальній частині кістки на рівні кінця інтрамедулярної ніжки, а найсприятливішою ситуацією є резекція плечової кістки на рівні верхньої третини. Дослідження на згинання продемонструвало, що максимальне навантаження концентрується в середній частині моделі та не залежить від рівня резекції плечової кістки. Найбільш несприятливим варіантом виявилася резекція верхньої половини плечової кістки через критичну зону максимальних напружень, яка виникає в основі ніжки ендопротеза на місці переходу тіла імплантата в кістку. У результаті дослідження другого типу ендопротеза виявлено, що за всіх видів навантаження додаткові екстракортикальні пластини дають можливість знизити рівень напружень у кістковій тканині, а також навантаження на критичну зону. Зазначена комбінована система фіксації ендопротеза дасть змогу значно знизити кількість ускладнень, пов’язаних з імплантатом і кісткою в ранньому та пізньому післяопераційному періоді.