CC BY
46
I
Орипнальы досл1дження
Original Researches
Травма
УДК 616.718.4-002.27-001.5-089.227.84
ЛАЗАРЕВ I.A., ГУКЮ.М., ОЛ1ЙНИКЮ.В., СКИБАН М.В. ДУ «1нститут травматологи та ортопедИ НАМН Украни», м. Кив
напружено-деформований стан проксимального в|дд|лу стегново1 Юстки 3 наявнютю порожнистого дефекту (осередок ф1брозно1 дисплазп) в умовах остеосинте3у р13ними типами ф1ксатор1в
Резюме. Розвиток аномальноi фiброзноí тканини на окремихдлянках стегново!'юстки при фiбрознiй дис-плазИ призводить до змн ii бiомеханiчних властивостей i спричинюе патолопчн переломи та деформа-цП. Проведено сюнченно-елементний аналiз напружено-деформованого стану бiомеханiчноf системи «стегнова юстка — фiксатор» i3 наявнстю порожнистого дефекту в проксимальному вддш стегновоi юстки Омта^йна модель осередковоi форми фiброзноi дисплазП) з метою обгрунтування ефективност методик остеосинтезу рiзними типами фiксаторiв при данiй патологи. На пiдставi комп'ютерноi томографа сканiв бiомеханiчноi моделi стегновоi юстки Sawbones за допомогою програмних пакет Mimics та SolldWorks створенi iмiтацiйнi комп'ютернi 3D-моделi iнтактноi стегновоi юстки, стегновоi юстки з порож-нистим дефектом та рiзними типами металофiксаторiв: пластини LCP (locking compression plate), кутовоi пластини для проксимального в^лу стегна АВР (angled blade plate) та стегнового блокуючого стрижня FN (femoral interlocking nail). Аналiз напружено-деформованого стану у програмному середовищi ANSYS проводився на основнихелементахстегновоiюстки та металофiксаторiв за показниками напруження (а) за Мiзисом та деформа^й (е). Наявнсть порожнистого дефекту в проксимальному вддл стегновоi юстки призводить до зростання показниюв напруження та деформащй на 67,8 % по верхнiй поверхнi шийки та на 34,2 % по нижнй поверхнi шийки порiвняно з iнтактною стегновою юсткою, що вказуе на значний ризик виникнення патолопчного перелому. В умовах рiзних методик остеосинтезу з'ясовано об'ективно неза-перечливi переваги пластини для проксимального в^лу стегна (LCP) та стегнового блокуючого стрижня (FN) над кутовою пластиною (АВР).
Ключов слова: напружено-деформований стан, фiброзна дисплазiя, патолопчний перелом, металоостео-синтез.
Вступ
Фiброзна дисплазiя (ФД) — вроджене неспадкове захворювання исток скелета, що характеризуемся розвитком аномально! фiброзно! тканини на окремих дшянках ыстки. За формою ураження ФД може бути як моноосальною, так i полюсальною, за обся-гом ураження — осередковою чи дифузною [1, 4]. Ло-кальш структурш порушення в ыстковш тканиш при ФД призводять до змш Н фiзичних характеристик та е причиною патолопчних переломiв i деформацш, що значно ускладнюють переб^ захворювання, призводять до швалщизаци та сощально! дезадаптаци хворих
[4, 9, 10].
Одшею з ключових проблем у лшуванш хворих iз фiброзною дисплазiею е варусна деформащя проксимального вщдшу стегново! ыстки (ПВСК), вщо-ма в лiтературi як деформащя «палищ пастуха», що зустрiчаеться при рiзних формах захворювання та
мае тенденцш до прогресування [4, 6]. Формуван-ня варусно! деформацп стегна призводить до сут-тевих бюмехашчних порушень, значно обмежуючи функщональш можливост хворого, та потребуе xi-рурпчно! корекцп [5, 6, 10]. Зпдно з лгтературними даними, при xiрургiчному лшуванш патолопчних переломiв та деформацш ПВСК при ФД застосову-ються як наыстков^ так i iнтрамедулярнi фшсато-ри промислового чи шдивщуального виробництва [2—6, 9, 10]. Така рiзноманiтнiсть металоконструкцш вказуе на вiдсутнiсть бiомеxанiчно обГрунтовано-го пiдxоду щодо вибору методики остеосинтезу при даному захворюванш та спонукае нас до додаткових дослщжень.
© Лазарев I.A., Гук Ю.М., Олшник Ю.В., Скибан М.В., 2015 © «Травма», 2015 © Заславський О.Ю., 2015
На сучасному етапi розвитку технологш мате-матичне моделювання бiомеханiчних систем е одним з основних способiв аналiзу рiзних варiантiв остеосинтезу. Бюмехашчним дослiдженням трав-матичних ушкоджень та ортопедичних захворю-вань iз застосуванням моделей стегново! кiстки в лiтературi придiлено досить багато уваги. Проте математично! оцiнки поведiнки шстки й 11 напру-жено-деформованого стану при структурному по-рушеннi шстки при фiбрознiй дисплазп та шших диспластичних захворюваннях кiсток скелета в умовах металоостеосинтезу в доступнш нам лгге-ратурi не знайдено.
Мета дослвдження: математичний аналiз поведш-ки бюмехашчно! системи «стегнова KicTKa — фшсатор» в умовах наявного порожнистого дефекту ПВСК при статичному навантаженш середньостатистичною ма-сою тiлa та обГрунтування ефективноcтi методик остеосинтезу ПВСК i3 рiзними типами фiкcaторiв при фiбрознiй дисплази.
Матер1али та методи
На оcновi комп'ютерно! томографп (КТ) ска-нiв бюмехашчно! моделi стегново! кicтки Sawbones, проведено! на рентгешвському мультиcпiрaльному комп'ютерному томогрaфi Light Speed Pro 32 фiрми
Рисунок 2.1нтактна модель стегновоi кстки
Рисунок 3.
Порожнистий дефект проксимального в'щд'лу стегновоi кстки
Рисунок 4. Стегнова юстка з патологчним осередком i пластиною для проксимального в'1дд'1лу стегна LCP (locking compression plate) (1-й тип фiксацil)
Таблиця 1. Ф'1зико-механ1чн1 характеристики б'юлопчних тканин i матер!ал1в ф!ксатор1в
Бюлопчш тканини Модуль пружност Е, МРа Коефщент Пуассона,^
Кортикальна юстка 17 600 0,32
Губчаста юстка 500 0,4
Матерiал фiксаторiв
Медична сталь 12Х18Н10Т 200 000 0,3
Рисунок 5. Стегнова к!стка з патолопчним осередком i стегновим блокуючим стрижнем FN (femoral interlocking nail) (2-й тип фiксацil)
General Electric за допомогою програмного пакета Mimics в автоматичному та нашвавтоматично-му режим^ вщтворена геометрiя стегново! ыстки (рис. 1) та засобами SolidWorks створена iмiтaцiйнa комп'ютерна 3Б-модель штактно! стегново! ыстки (рис. 2).
На наступному етат у моделi сформовано порож-нистий дефект ПВСК (рис. 3) та встановлеш елементи остеосинтезу (рис. 4—6).
Розрахунки НДС методом сынченних елеменпв (МСЕ) проведено на 5 моделях стегново! ыстки:
1) штактна стегнова ыстка (рис. 2);
2) стегнова ыстка з «патолопчним осередком» (по-рожнистим дефектом) на pÍBrn проксимального вщдту (рис. 3);
3) стегнова ыстка з патолопчним осередком i фшсатором 1-го типу — пластина для проксимального вщдту стегна LCP (locking compression plate) (рис. 4);
4) стегнова ыстка з патолопчним осередком i фшсатором 2-го типу — стегновий блокуючий стри-жень FN (femoral interlocking nail) (рис. 5);
5) стегнова ыстка з патолопчним осередком i фшсатором 3-го типу — пластина для проксимального вщдту стегна ABP (angle blade plate) (рис. 6).
У табл. 1 подаш фiзико-механiчнi характеристики бюлопчних тканин, що використовувались у роз-рахунку напружено-деформованого стану, яы були отримаш з лггературних джерел [7].
Для забезпечення мщносп елеменпв фiксацii вiдламкiв у дтянщ перелому за граничнi показни-ки вважали значення напруження для гвинпв та пластини зi сталi 12Х18Н10Т, що не перевищують 568 МРа.
При розрахунках МКЕ розглянутоi бю-механiчноi системи в програмному комплексi ANSYS були прийнятi такi основш гiпотези та припущення:
— уш матерiали вважали однорщними та iзотропними з вiдомими фiзико-механiчними характеристиками (табл. 1);
— завдання статичного аналiзу виршувалися у фiзично- i геометрич-но-лiнiйний постановщ, при цьому розглядали малi деформаци i пере-мiщення, внаслiдок чого шдтверджувався закон Гука для опису поведшки матерiалу.
Модель закршле-на в дистальному кiнцi
J_1
Рисунок 6. Стегнова кстка з патолопчним осередком i пластиною для проксимального в '1дд 'шу стегна ABP (angle blade plate) (3-й тип фiксацil)
Рисунок 7.
Розрахункова модель
Рисунок 8. Сюнченно-елементна модель
стегново! кiстки, на головку яко! у напрямку мiж-виросткового пiдвищення колшного суглоба при-кладена сила 750 Н. Розрахункова модель подана на рис. 7.
Подготовлена засобами SolidWorks твердотшь-на модель експортована в програмне забезпечення ANSYS, де створена сынченно-елементна модель (рис. 8), що нал1чувала 1 047 894 вузлiв та 639 498 елеменпв, середнiй розмiр скiнченного елемента не бiльше 1 мм. При цьому переважали тетраедричш елементи з квадратичною апроксимацiею функцш. З метою пiдвищення точностi розрахуныв у критич-них зонах сынченно-елементна сггка була ущшьне-на. Аналiз НДС за показниками напруження (ст) за Мiзисом та деформацiй (е) проводили на основних елементах моделi — стегновiй кiстцi та елементах ме-талофiксаторiв.
Результати розрахунюв НДС бюмехашчно!' моделi штактно!' стегново!" юстки без патологiчного осередка
За розрахунком показниыв НДС моделi штактно! стегново! ыстки виявлено напруження, що зосеред-жено на шийщ стегново! кустки, максимальш зна-чення яких становили: по нижнш поверхнi шийки — 6,12 МРа; по верхнш поверхнi шийки — 4,62 МРа. Показники деформацш на шийцi були 0,0012 мм, по-казники перемiщення моделi — 39,89 мм (рис. 9).
Отримаш показники взято до уваги для порiвняль-ного аналiзу в подальших розрахунках.
Результати розрахункв бюмехашчно!' моделi стегново!' к1стки з патологчним осередком
За розрахунком показникiв НДС моделi з патоло-гiчним осередком виявлено зростання показниыв напруження на шийщ стегново! ыстки по нижнш поверхш на 43,13 % — до 8,21 МРа; по верхнш поверхш на 67,75 % — до 7,75 МРа (рис. 10).
Результати розрахункв бюмехашчно!' моделi стегново'!' юстки з патолопчним осередком i фжсатором
1-го типу
За розрахунком показниыв НДС моделi з патолопчним осередком та фшсатором 1-го типу виявлено зменшення показниыв напруження на шийщ стегново! ыстки по нижнш поверхш на 65,84 % — до 2,09 МРа; по верхнш поверхш на 74,89 % — до 1,16 МРа порiвняно з показниками моделi без фш-сатора (рис. 11).
Наявнють фшсатора, що бере на себе основне на-вантаження, змщуе дтянки концентраций напруження у дистальному напрямку вщ патолопчного осередку.
Результати розрахунюв бюмехашчно!' моделi стегново!' юстки з патологчним осередком i фжсатором
2-го типу
За розрахунком показниыв НДС моделi з патолопчним осередком та фiксатором 2-го типу виявлено
Рисунок 9. НДС бюмехашчноI моделI /нтактноI стегновоI кстки
Рисунок 10. НДС 61омехан1чно1 моделi стегновоi кстки з патолопчним осередком
Рисунок 11. НДС б!омехан!чноi моделi стегновоi юстки з патолопчним осередком та фксатором 1-го типу
Рисунок 12. НДС б'юмехашчноi модел/ стегновоi к/стки з патолопчним осередком i фксатором 2-го типу
Рисунок 13. НДС б'юмехатчно)' моделi стегновоï юстки з патолопчним осередком та фксатором 3-го типу
зменшення показник1в напруження на шииц1 стегново1 к1стки по нижнш поверхн1 на 66,18 % — до 2,07 МРа; по верхнш поверхш на 25,54 % — до 5,8 МРа; показни-ки максимальних деформац1И на шиИц1 не змшились, проте показники перем1щення модел1 зменшились на 53,25 % — до 18,65 мм пор1вняно з показниками модел1 без ф1ксатора (рис. 12).
Результата розрахунюв бюмехашчно! модел1 стегново! к1стки з патолопчним осередком i фжсатором 3-го типу
За розрахунком показниыв НДС модел1 з патоло-г1чним осередком та ф1ксатором 3-го типу виявлено зменшення показниыв напруження на шиИц1 стегново! Таблиця 2. Показники НДС на моделях стегновоï юстки
ыстки по нижнш поверхш на 21,73 % — до 4,79 МРа; по верхнш поверхш на 15,58 % — до 3,9 МРа; показники максимальних деформацш на шийщ зменшились на 25 % — до 0,009 мм; показники перемщення модел1 зменшились на 25,6 % — до 29,68 мм пор1вняно з показниками модел1 без фшсатора (рис. 13).
Пор1вняльний анал1з показниыв НДС на моделях стегново! ыстки подано у табл. 2.
Показники напруження (МРа), деформацш (мм) на нижнш та верхнш поверхш шийки модел1 стегново! ыстки та перемщення модел1 (мм) залежно вщ типу фшсатора подаш на д1аграмах (рис. 14).
1з наведених граф1ыв (рис. 14) можна спостерь гати, що при остеосинтез1 фшсаторами 1-го та 2-го
Показник Модель стетовоТ юстки
1нтактна стегнова кютка Патолопчний осередок проксимального BiAqrny стегновоГ кютки Фшсатор
1-й тип* 2-й тип** 3-й тип***
^тах, MPa Д(%) ^тах, MPa Д(%) ^тах, MPa Д(%) ^тах, MPa Д(%)
Напруження (нижня поверхня шийки), МРа 6,12 8,21 +34,2 2,09 -65,84 2,07 -66,18 4,79 -21,73
Напруження(верхня поверхня шийки), МРа 4,62 7,75 +67,8 1,16 -74,89 5,8 +25,54 3,9 -15,58
Деформаци (на шийцО, мм 0,012 0,017 +41,7 0,003 -75 0,012 0 0,009 -25
Перемщення модел^ мм 39,89 40,37 + 1,2 22,37 -43,92 18,65 -53,25 29,68 -25,6
Примтки: * — пластина для проксимального в '!дд 'шу стегна (LCP); ** — стегновий блокуючий стрижень (FN); *** — кутова пластина для проксимального в'1дд'шу стегна (ABP).
Рисунок 14. Графiки зм!ни показник!в НДС модел! стегново/ к!стки залежно вд типу фжсатора: А — напруження на нижнiй поверхн шийки; Б — напруження на верхнй поверхн! шийки; В — деформацИ; Г — перемщення
СР 1= сс X
СР
о X
о ^
о н
CÖ
X
А
О m х
v
о Ч W СР
Ф
о о
^ 'ir1
6, t2"
4, 79
И )
/ /
2,09 2,? V
СР СР СР
о о о
н н н
СО СО СО
о о о
□L z □L
О LL m
<
СР d
CÖ
X
СР
о X
о ^ ^ о
О et
cö ср X ф о о
7, 75
/ 5 8
4,6 2 Ä
У / \3 9
1 - / / 1 j
VI 16/
¡р
о н
CÖ
о
CL
о
¡р
о н
CÖ
о
¡р
о н
CÖ
о
CL
m <
ZS
CÖ
5 СР
0
■е-
W
ч
1 -О
CÖ
018 016 014 012 010 008 006 004 002 000
о со
¡р
о X
0,017
О m х
v
о Ч
W ср W о о
¡р
о н
CÖ
о
CL
О
СР
о н
CÖ
о
12 2 /
0,0 0,01 0,0 12
0,0 09
1
\0, J03/
/
¡р
о н
CÖ
о
CL
Ш <
45
40
35
30
25
20
15
10 5 5
ф 5 ^ 0
ф 0 х
ср о х
о ^
о н со X
О m
х
^
о
et
ф
СР ф
о о
39189 40139
29 69
2 37 .И
18, 35^
У
СР
о
СО
о
CL О
СР
о
СР
о
CL
CQ <
Б
В
Г
типу показники напруження на нижнш поверхнi шийки стегново! кiстки знижуються майже рiвно-мiрно — до 2,09 МРа (65,84 %) та 2,07 МРа (66,18 %) вщповщно. При остеосинтезi фшсатором 3-го типу показники напруження знижуються лише до 7,79 МРа (21,73 %).
Показники напруження на верхнш частин шийки мМмальш при остеосинтезi фшсатором 1-го типу (1,16 МРа) та збтьшуються на 25,54 % при остеосин-тезi фiксатором 2-го типу (до 5,8 МРа) та на 15,58 % при остеосиш^ фшсатором 3-го типу (3,9 МРа). Збтьшення показниыв напруження при застосуваннi фжсатора 2-го типу до 5,8 МРа, що перевищують на 25,54 % нормальн показники (4,62 МРа), пояснюеться самою методикою остеосинтезу, при якш iмплантацiя iнтрамедулярного стрижня проходить через медiальну частину великого вертлюга iз захватом частково ба-зально! частини шийки. Проте вщсутшсть змiн показниыв деформацш на шийцi стегново! ыстки вказуе на стабiльнiсть остеосинтезу фшсатором 2-го типу.
Показники деформацш на шийщ стегново! кустки при остеосит^ фiксатором 2-го типу (0,012 мм) вщ-
повiдають деформацiям стандартно! модел^ що вважа-ються за норму (0,012 мм). Показники деформацш на шийщ моделi з фшсатором 1-го та 3-го типу знижуються на 75 % (до 0,003 мм) та 25 % (до 0,009 мм) вщповщ-но, що може свщчити про бтьшу жорстысть фшсаци саме в дтянщ шийки при використанш пластини LСP та кутово! пластини АВР для проксимального вщдшу стегна.
В усiх випадках при статичному навантаженш показники НДС металоконструкцш не перевищували гранищ мiцностi та не призводили до руйнування фш-суючих елементiв.
Висновки
1. Проведений аналiз показникiв НДС iмiта-цiйно!' моделi стегново! ыстки при статичному навантаженш середньостатистичною масою тша виявив дшянки напруження та деформацш, що зосереджеш на верхнш та нижнш частинах шийки стегново! ыстки (дуги Адамса), що вщповщае загальноприйнятому факту та шдтверджуе валщ-шсть моделi.
2. При наявносп порожнистого дефекту в проксимальному вщдш iмiтaцiйно! моделi стегново! кicтки показники напруження збшьшилися на 67,8 % (верх-ня поверхня шийки) та на 34,2 % (нижня поверхня шийки), що вказуе на значний ризик виникнення патолопчного перелому дано! локaлiзaцil.
3. Остеосинтез уйма трьома типами фiкcaторiв при наявност порожнистого дефекту на рiвнi проксимального вiддiлу стегново! истки забезпечуе надшнють фiкcaцi!, беручи основне навантаження на себе та зни-жуючи показники напруження та деформацш на ший-цi стегново! истки.
4. Пластина для проксимального вщдту стегна LCP (фiкcaтор 1-го типу) та стегновий блокуючий стрижень FN (фiкcaтор 2-го типу) при оcтеоcинтезi проксимального вiддiлу стегна з наявшстю порожнистого дефекту мають незаперечливу об'ективну перевагу над кутовою пластиною ABP (фiкcaтор 3-го типу).
Список л1тератури
1. Волков М.В., Самойлова Л.И. Фиброзная остеоди-сплазия. — М.: Медицина, 1973. — 167с.
2. Зубаиров Т.Ф. Хирургическое лечение полиоссаль-ных форм фиброзной дисплазии длинных трубчатых костей нижних конечностей у детей // Травматология и ортопедия России. — 2008. — № 2(48). — С. 25-31.
3. Снетков А.И. Оперативное лечение полиоссальной формы фиброзной остеодисплазии у детей и подростков // Вестник хирургии им. И.И. Грекова. — 1988. — № 6. — С. 85-89.
4. Di Caprio M.R. Fibrous dysplasia. Pathophysiology, evaluation, and treatment/ Di Caprio M.R., Enneking W.F. // J. Bone Joint Surg. Am. - 2005. - Vol. 87, № 8. - P. 848864.
5. Freeman B.H. Multiple osteotomies with Zickel nail fixation for polyostotic fibrous dysplasia involving the proximal part of the femur / B.H. Freeman, E.W. Bray, L.C. Meyer// J. Bone and Joint Surg. - 1987. - Vol. 69-A, № 4. -P. 691-698.
6. Guille J.T. Fibrous dysplasia of the proximal part of the femur. Long-term results of curettage and bone-grafting and mechanical realignment / Guille J.T., Kumar S.J., Mac-Ewen G.D. // J. Bone Joint Surg. Am. - 1998. - Vol. 80, № 5. - P. 648-658.
7. Kubichek M. Stress strain analysis of knee joint / Kubi-chek M., Florian Z. // Engineering mechanics. — 2009. — Vol. 16, № 5. - P. 315-322.
8. Riminucci M. Fibrous Dysplasia as a Stem Cell Disease /RiminucciM., Saggio I., Robey P.G., Bianco P. // J. Bone Miner. Res. - 2006. - Vol. 21, № 2. - P. 125131.
9. Stanton R.P. The surgical management of fibrous dysplasia of bone/ Stanton R.P., Ippolito E., Springfield D., Linda-man L., Wientroub S., A. Leet// Orphanet J. Rare Dis. — 2012. - № 7.
10. Stephenson R..B. Fibrous dysplasia. An analysis of options for treatment / Stephenson R.B., London M.D., Hankin F.M., Kaufer H. // J. Bone Joint Surg. Am. - 1987. -№ 69. - P. 400-409.
OmpuMaHO 04.04.15 ■
Лазарев И.А., ГукЮ.Н., ОлейникЮ.В., Скибан М.В. ГУ «Институт травматологии и ортопедии НАМН Украины», г. Киев
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОКСИМАЛЬНОГО ОТДЕЛА БЕДРЕННОЙ КОСТИ С НАЛИЧИЕМ ПОЛОСТНОГО ДЕФЕКТА (ОЧАГ ФИБРОЗНОЙ ДИСПЛАЗИИ) В УСЛОВИЯХ ОСТЕОСИНТЕЗА
РАЗНЫМИ ТИПАМИ ФИКСАТОРОВ
Резюме. Развитие аномальной фиброзной ткани в отдельных участках бедренной кости при фиброзной дисплазии приводит к изменениям ее биомеханических свойств и является причиной патологических переломов и деформаций. Проведен конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния биомеханической системы «бедренная кость — фиксатор» с наличием полостного дефекта в проксимальном отделе бедренной кости (имитационная модель очаговой формы фиброзной дисплазии) с целью обоснования эффективности методик остеосинтеза разными типами фиксаторов при данной патологии. На основании компьютерной томографии сканов биомеханической модели бедренной кости Sawbones, с помощью программных пакетов Mimics и SolidWorks созданы имитационные компьютерные 3Б-модели интактной бедренной кости, бедренной кости с полостным дефектом на уровне проксимального отдела и модели бедренной кости с полостным дефектом с разными типами металлофиксаторов: пластины LCP (locking compression plate), угловой пластины
для проксимального отдела бедра АВР (angled blade plate), бедренного блокируемого стержня FN (femoral interlocking nail). Анализ напряженно-деформированного состояния в среде ANSYS проводился на основных элементах модели бедренной кости и элементах металлофиксаторов по показателям напряжения (а) по Мизису и деформациям (е). Наличие полостного дефекта в проксимальном отделе бедренной кости определяет рост показателей напряжений и деформаций на 67,8 % по верхней поверхности шейки и на 34,2 % по нижней поверхности шейки по сравнению с интактной бедренной костью, что указывает на значительный риск возникновения перелома. В условиях разных методик остеосинтеза выявлены объективно неоспоримые преимущества пластины для проксимального отдела бедренной кости (LCP) и бедренного блокируемого стержня (FN) над угловой пластиной (ABP).
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, фиброзная дисплазия, патологический перелом, металло-остеосинтез.
LazarevI.A., Huk Yu.M., Oliinyk Yu.V, Skyban M.V.
State Institution «Institute of Traumatology and Orthopedics of National Academy of Medical Sciences of Ukraine», Kyiv
STRESS-STRAIN STATE OF THE PROXIMAL FEMUR WITH CAVITY DEFECT (FOCUS OF FIBROUS DYSPLASIA) IN OSTEOSYNTHESIS WITH DIFFERENT TYPES OF FIXATION DEVICES
Summary. The development of abnormal fibrous tissue in certain areas of the femur with fibrous dysplasia leads to the changes in its biomechanical properties and is the cause of pathological fractures and deformities. Finite element analysis of stress-strain state of the biomechanical system «femur — fixation device» with the presence of cavity defect in the proximal femur (simulation model of focal fibrous dysplasia) has been carried out in order to prove the effectiveness of osteosynthesis with different types of fixation devices in this pathology. Based on computed tomography scans of Sawbones biomechanical model of the femur, using Mimics and SolidWorks software packages, there were created simulation computer 3D-models of the intact femur, femoral bone with cavity defect and various types of fixation devices: LCP (locking compression plate), ABP (angled
blade plate) for proximal femur and FN (femoral interlocking nail). Analysis of stress-strain state in the ANSYS environment has been carried out on the main elements of the femur and fixation devices in terms of stress (a) by von Mises and deformities (e). The presence of the cavity defect in the proximal femur determines the growth in the parameters of stress and strain by 67.8 % at the superior surface ofthe neck and by 34.2 % at the inferior surface of the neck as compared to the intact femur, indicating a significant risk of pathological fracture. When using different techniques of osteosynthesis, there were identified objectively undeniable advantages of plates for proximal femur (LCP) and femoral locking nail (FN) over the angled plate (ABP).
Key words: stress-strain state, fibrous dysplasia, pathological fracture, osteosynthesis.
