Численное исследование напряженно-деформированного состояния тазобедренного сустава при ротационной остеотомии проксимального участка бедренной кости

Abstract

Актуальность данного исследования продиктована высокой частотой встречаемости болезни Легга-Кальве-Пертеса. Она занимает 25-30 % среди всех заболеваний тазобедренного сустава в детском возрасте. Усложняет ситуацию отсутствие обоснованных рекомендаций к тактике оперативных вмешательств в целом и ротационно-флексионных остеотомий в частности. Целью исследования является определение напряженно-деформированного состояния сустава при различных направлениях и величинах угла ротации. Расчеты проводились с помощью компьютерного моделирования тазобедренного сустава с учетом локализации дегенеративно-дистрофического процесса и тяжести поражения эпифиза у детей и подростков на примере болезни Легга-Кальве-Пертеса. Численные исследования выполнены с помощью метода конечных элементов в пакете Siemens NX. В работе было учтено влияние следующих мышц: mm. piriformis, rectus femoris, iliopsoas, obturatorius internus, gluteus minimus, medius et maximus. Расчеты позволяют определить усилия, возникающие в мышцах, реактивную силу и реактивный момент, действующие в суставе при различных углах ротации (эти величины актуальны для оценки жесткости аппарата внешней фиксации). Были определены максимальные касательные напряжения и напряжения по Мизесу, возникающие в вертлужной впадине и на проксимальном участке бедренной кости. Оценка прочности производилась по максимальным касательным напряжениям. Так, в вертлужной впадине при ротации более 25o вперед и при ротации более 35o назад наибольшие величины максимальных касательных напряжений превышают 1,7 МПа; при ротации более 30o назад величина аналогичных напряжений превышает 6,4 МПа; при ротации вперед до 50o наибольшие максимальные касательные напряжения достигают величины в 5,0 МПа. Таким образом, при рассмотрении тактики проведения ротации стоит отметить, что при вращении назад на величину угла более 30o максимальные касательные напряжения в суставе попадают в нижнюю область критических значений, при 35o в верхнюю область критических значений. При рассмотрении ротации вперед на угол более 25o максимальные касательные напряжения попадают в нижнюю область критических значений, перехода через верхнюю область критических значений при ротации до 50o не происходит.The relevance of this study is dictated by the high frequency of occurrence of the disease. Among all hip diseases, Legg-Calve-Perthes disease takes 25-30 % of diseases in childhood. There are no certain and founded recommendations for surgering in general and rotary flexion osteotomies in particular. The study is to determine the stress-strain state of the joint at different directions and magnitudes of the rotation angle. Calculations were carried out by using computer modelling of the hip joint based on localization of degenerative process and the severity of the degeneration of epiphysis in children and adolescents with Legg-Calve-Perthes diseases. Numerical studies were performed using the finite element method in Nastran Siemens NX. The paper took into account the effect of the following muscles: mm. piriformis, rectus femoris, iliopsoas, obturatorius internus, gluteus minimus, medius et maximus. The calculations allow us to determine the forces produced in the muscles, reactive power and reactive torque acting in the joint at different rotation angles (these values are relevant for assessing the stiffness of external fixation device). The maximum shear stresses and Mises stresses have been identified in the acetabulum and the proximal part of the femur. Evaluation of strength was determined by the maximum shear stresses. So, in the acetabulum with a rotation of 25° forward and rotation of 35° back, the greatest value of maximum shear stress exceeds 1.7 MPa; at the rotation of more than 30° back, the value of similar stress exceeds 6.4 MPa; at forward rotation to 50°, the highest maximum shear stresses reach a value of 5.0 MPa. Thus, when the rotation back to the angle over 30°, maximum shear stresses in the joint region are into the lower critical value, at 35,° they are situated in the upper region of the critical values. When considering forward rotation angle over 25°, maximum shear stresses are into the lower region of the critical values, crossing through the upper region of the critical values at rotation to 50° does not occur.