Научный руководитель: к.м.н., доцент Челнокова Н.О.

Введение

Несмотря на то, что большеберцовая кость способна выдерживать значительные статические и динамические нагрузки на долю диафизарных переломов костей голени приходится от 54,4 до 87,9%, что обусловлено действием высокой сверхнагрузки [3].

Математическое моделирование биологических объектов представляет собой аналитическое описание идеализированных процессов и систем, адекватных реальным. Построение 3D моделей широко используется в современной медицине, в частности травматологии. Компьютерное моделирование дает возможность для описания различных возможных механизмов развития повреждений и осложнений. Для выбора оптимального метода оперативного вмешательства требуется детальное моделирование с последующим анализом полученных результатов, который и определяет выбор конкретного алгоритма лечения с учетом развития возможных осложнений [1, 2]. Биомеханическую модель органа невозможно создать без знания его морфологических и биомеханических параметров.

Цель исследования – изучить биомеханические свойства большеберцовой кости и определить их роль при формировании переломов.

Материалы и методы

С целью построения биомеханической модели большеберцовой кости изучены ее морфологические и биомеханические характеристики на различных уровнях.

Материалом послужили мацерированные препараты 40 большеберцовых костей от 20 трупов взрослых мужчин в возрасте от 30-60 лет. Применялись методы антропометрии и остеометрии. Измеряли длину тела, длину голени, общую длину большой берцовой кости, ширину верхнего, нижнего эпифизов и ширину диафиза в верхней, средней и нижней трети, а также угол скрученности диафиза и угол ретроверсии верхнего эпифиза большеберцовой кости.

При проведении натурного эксперимента по исследованию биомеханических свойств данной кости изымались участки костной ткани толщиной 3мм и длиной 10 мм вдоль трех осей ортогональной системы координат со следующих отделов: проксимального эпифиза, верхней трети диафиза, средней трети диафиза, нижней трети диафиза, дистального эпифиза большеберцовой кости.

Исследование биомеханических свойств проводилось на одноосной разрывной машине Instron 5944. Было наложено ограничение по степеням свободы на поверхности большой и малой берцовой кости со стороны нижних эпифизов. Нагрузка была приложена на латеральный и медиальный мыщелок большой берцовой кости. Рассмотрены три значения нагрузки. Анализировалось распределение нагрузки при относительной норме (без патологии опорно-двительного аппарата). Были проанализированы две ситуации: нагрузка на одну ногу и нагрузка на две ноги.

Результаты

Средняя длина тела составила 169,7±2 см. Длина голени в среднем равна 37,0±1,5 см. Общая длина большеберцовой кости в среднем равна 36,3±0,5 см. Выявлена связь с типом телосложения. Угол скрученности диафиза большеберцовой кости составляет 46,6±1,0º. Угол ретроверсии верхнего эпифиза большеберцовой кости равен 71,4±0,9º.

На основе полученных морфометрических и биомеханических параметров, томограмм большеберцовой кости построена компьютерная 3D модель программном комплексе SolidWorks. Разбили модель на конечно-элементную сетку. Использовали нерегулярную тетраэдрическую сетку с размером грани равным 0.002 м. Для осуществления нагрузок, был создан материал, приближенный к действительности.

Численный анализ с помощью программной платформы ANSYS Workbench. Для расчета напряженно-деформированного состояния тел и конечно-элементного анализа заданы параметры, наиболее приближенные к исследуемому материалу: плотность 2400кг/м³, модуль Юнга 1E+0,8 Па и коэффициент Пуассона 0,49.

Нагрузка была приложена на латеральный и медиальный мыщелок большой берцовой кости. Для случая нормы были проанализированы две ситуации: нагрузка на одну ногу и нагрузка на две ноги у субъектов с массой тела 60 кг, 80 кг и 100 кг. Картина максимальных перемещений представлена в таблице.

При нагрузке 300H и 600H у субъектов с массой тела 60 кг при условии стояния на 2-х ногах минимальное значение эквивалентных по Мизесу напряжений установлено в верхнем эпифизе большеберцовой кости оно составило 1,0979*10⁷ Па, в нижнем эпифизе – 3,2783*10⁷ Па, в области наименьшей окружности нижнего эпифиза – 8,7291*10⁷ Па. Максимальное значение эквивалентных по Мизесу напряжений большеберцовой кости отмечено в области наименьшей окружности диафиза большеберцовой кости (4,3646*10⁷ Па).

Заключение

Конечно-элементное моделирование с учетом биомеханических параметров костной ткани позволяет определить наиболее уязвимые участки большой берцовой кости.