Журнал «Травма» Том 14, №4, 2013

Вступ

Однією з актуальних та до кінця не вирішених проблем артрології є повноцінне відновлення анатомічної будови та функції колінного суглоба, спричинене травмою хряща. Складна анатомічна будова, багатогранна біомеханіка рухів, значні функціональні навантаження обумовлюють підвищений ризик механічних ушкоджень суглобового хряща колінного суглоба (Котельников Г.П., 1998; Миронов С.П., 2000; Warren L.F. et al.; Muller W., 1983; Tillmann В., 1987; Zamber R.W. et al., 1989), що характеризуються поліморфністю клінічних форм і проявів (Миронова З.С., 1962; Бахтиозин Ф.Ш., 1990; Muller W., 1983).

Ушкодження колінного суглоба становлять 10–24 % випадків від усіх ушкоджень нижньої кінцівки та 50 % — від усіх травм суглобів, отриманих під час занять спортом (Королев А.В., 2003). Серед осіб молодого віку частота ушкоджень досягає 80 % (Назаров Е.А., 1994; Маланин Д.А., 2002; Spector T.D. et al., 1992; Sagist­ron A. еt al., 1997; Noyes F.R. et al., 1997). Відсоток ізольованого ушкодження хряща колінного суглоба або поєднаного з ушкодженнями інших внутрішньосуглобових структур сягає 48–61,5 % (Kohn D., 1986; Zamber R.W. et al., 1989; Newman A.P., 1998; Angerman P. et al., 2002).

Залишаються необґрунтованими можливість, послідовність та оптимальна методика відновлення хряща колінного суглоба при ізольованих, множинних і поєднаних ушкодженнях з іншими внутрішньосуглобовими структурами (Andres B.M., 2001; Sgaglione N.A., 2002; Moti A.W., 2003; Cole B.J., 2003; Upmeier H., 2006).

Під час нормального функціонування колінного суглоба навантаження на суглобовому хрящі коливаються від нуля до значень, що у 3–4 рази перевищують вагу тіла (BW). По краях контактної поверхні при цьому можуть розвиватися досить значні деформації [13]. Особливості розподілу навантажень у колінному суглобі при наявності дефекту хряща визначають темпи прогресування дегенеративних змін. Роботами багатьох авторів [1, 3, 5] доведено, що за дегенеративні зміни суглобової поверхні відповідальне зменшення контактної зони, збільшення пікового контактного тиску та середнє контактне зусилля.

Своєчасна хірургічна обробка ізольованого дефекту може затримати або призупинити розвиток генералізованого остеоартрозу. При цьому значно поширена думка відносно відсутності необхідності відновлення цілісності суглобового хряща в зоні дефекту при його розмірі менше ніж 1 см. У такій ситуації велика роль менісків у передачі компресуючих зусиль по хрящовій поверхні виростків колінного суглоба. При інтактних менісках підвищення контактного навантаження по краю дефекту суглобового хряща значною мірою компенсується еластичністю самих менісків.

При розгляді величини компресуючого зусилля в тібіофеморальній зоні потрібно не забувати про те, що розподіл сили на виростки змінюється залежно від кута згинання в колінному суглобі [6]. Так, площа поверхні тібіофеморального контакту більша при розігнутому положенні суглоба. Відповідно тиск на одиницю площі менше при однаковому компресуючому зусиллі.

У попередній роботі на біологічному матеріалі проведено дослідження зміни площі контактної поверхні у меніско-феморальній зоні медіального виростка стегна [16]. Визначені величини критичних рівнів контактного тиску та крайових ефектів у зоні травматичного дефекту суглобового хряща при різній його площі і різних кутах згинання в колінному суглобі під дією функціональних навантажень з використанням вимірювальної плівки Fuji Prescale Pressure Measuring System. Травматичне ушкодження хрящової тканини медіального виростка стегна змінює площу сполучення контактних поверхонь. У результаті змінюється фактична площа контактуючих тіл, що призводить до перерозподілу зусиль і виникнення зон концентрації напружень, що примикають до краю дефекту.

Мета дослідження: на основі математичного моделювання методом кінцевих елементів визначити напружено-деформований стан (НДС) елементів біомеханічної моделі колінного суглоба за наявності дефектів суглобового хряща в умовах дії функціонального навантаження при одноопорному стоянні (1BW).

Матеріали та методи

Для оцінки напружено-деформованого стану методом кінцевих елементів побудовані розрахункові комп’ютерні 3D-моделі інтактного колінного суглоба (Solid) та суглоба з наявністю дефекту суглобового хряща по точках, взятих із КТ-сканів пацієнта. Програмними засобами Mimics КТ-скани перетворені в полілінії та в середовищі SolidWorks побудовано модель колінного суглоба. На наступному етапі модель експортована у програму ANSYS для проведення розрахунків НДС.

На рис. 1 зображений загальний вигляд тривимірної геометричної моделі колінного суглоба, що включає 6 твердотільних елементів: проксимальний відділ великогомілкової кістки (рис. 2), дистальний відділ стегнові кістки (рис. 3), суглобовий хрящ медіального та латерального надвиростків стегнової кістки (рис. 4) та меніски (рис. 5).

В автоматичному режимі згенеровано кінцево-елементну сітку дискретної моделі, що налічує 156 868 вузлів та 86 153 елементи (рис. 6).

Здійснений аналіз напружено-деформованого стану твердотільних елементів моделі, ефективності геометричних даних, адекватності моделі з виходом на етапи подальшого моделювання. Значення модуля пружності та коефіцієнта Пуассона наведені у табл. 1.

Схема навантаження моделі перерахованою масою тіла, що діє на колінний суглоб, F = 750 Н (середньостатистична вага тіла людини 75 кг в положенні стоячи на одній нозі) наведена на рис. 7.

Надалі напружено-деформований стан оцінювали лише на більш клінічно важливих елементах біомеханічної моделі — надвиростках стегнової кістки та суглобовому хрящі медіального надвиростка стегна, що є найбільш навантажуваними.

Елементи біомеханічної моделі: стегнова кістка з хрящем (а) та суглобовий хрящ з дефектом різного діаметра на медіальному надвиростку наведені на рис. 8–11. Дослідження змін напруження й деформації проведені в зоні дефекту суглобового хряща залежно від його діаметра при навантаженні на колінний суглоб однією середньостатистичною вагою тіла.

Результати математичного моделювання з визначенням НДС в тібіофеморальній зоні

На рис. 12–16 надано розподіл навантаження (напруження за Мізисом) в інтактних структурах колінного суглоба. Максимальні напруження на виростках великогомілкової кістки становили 8,1 МРа (медіальний виросток), менісках — 5,13 МРа (задній ріг медіального меніска), на субхондральних ділянках надвиростків стегнової кістки — 7,36 (медіальний надвиросток), на інтактному хрящі — 3,5 МРа (медіальна зона) (рис. 13–16).

Розподіл навантаження на вищезазначених структурах колінного суглоба відбувається майже рівномірно по всій площині, без наявні зон концентрації напружень. Деякі зміщення навантаження на медіальні структури обумовлені особливостями проходження біомеханічної вісі нижньої кінцівки медіально відносно до колінного суглоба.

Отримані показники напруження на інтактному суглобовому хрящі стегнової кістки збігаються з показниками, визначеними з використанням вимірювальної плівки Fuji Prescale Pressure Measuring System [16]. Ці показники взяті за основу для подальшого порівняльного аналізу як референтні значення для інтактних структур колінного суглоба.

Результати розрахунків даних моделей подані на рис. 17, на якому простежується концентрація напружень на краях дефекту суглобового хряща. При інтактних менісках та наявності дефекту суглобового хряща медіального надвиростка стегна діаметром 5 мм відбувається збільшення рівня напружень по краю дефекту хряща до 5,81 МРа, що на 66 % більше, ніж при відсутності дефекту (інтактному хрящі). Напруження на субхондральній кістці становлять 7,3 МРа, що відповідають таким самим, як і при відсутності дефекту.

При розмірі дефекту суглобового хряща медіального надвиростка стегна діаметром 10 мм максимальні напруження в ділянках дефекту суглобового хряща досягають значень 8,76 МРа, що на 150,3 % більше, ніж при відсутності дефекту (інтактному хрящі). Максимальні напруження на субхондральній кістці становлять 7,4 МРа, що майже відповідають таким самим, як і при відсутності дефекту.

При розмірі дефекту суглобового хряща медіального надвиростка стегна діаметром 15 мм максимальні напруження в ділянках дефекту хряща досягають значення 9,28 МРа, що на 165,1% більше, ніж при відсутності дефекту (інтактному хрящі). Максимальні напруження на субхондральній кістці становлять 8,22 МРа, що на 12,6 % більше, ніж при відсутності дефекту.

При розмірі дефекту суглобового хряща медіального надвиростка стегна діаметром 20 мм відбувається подальше збільшення рівня максимальних напружень у ділянках дефекту суглобового хряща, сягаючи значення 9,84 МРа, що на 181,1 % більше, ніж при відсутності дефекту (інтактному хрящі). Максимальні напруження на субхондральній кістці становлять 9,17 МРа, що на 25,6% більше, ніж при відсутності дефекту.

На підставі вищенаведених даних побудований графік залежності напружень на субхондральній кістці та на краю дефекту суглобового хряща медіального надвиростка стегна залежно від діаметра дефекту (рис. 18).

З появою дефекту хряща напруження на ньому різко зростають (рис. 18) за рахунок крайового ефекту. Тобто край дефекту є концентратором напружень, і зі зростанням розміру дефекту напруження зростають. Уже при дефекті 5 мм напруження збільшуються на 66,0 %, а при 20 мм — на 181,14 % (зростають майже в 3 рази) порівняно з інтактним хрящем. Отримані дані збігаються з результатами досліджень із використанням контактної вимірювальної плівки Fuji Film Prescale [16]. Тобто дані, отримані експериментальним дослідженням на натурній моделі, підтверджуються даними аналізу розподілу навантажень у контактних ділянках тібіофеморальної зони методом кінцевих елементів.

Значний вплив дефектів суглобового хряща медіального надвиростка стегнової кістки на субхондральні ділянки кістки спостерігається при великих розмірах дефекту. Так, при збільшенні дефекту суглобового хряща до діаметра 15 мм напруження на субхондральній кістці збільшуються на 12,6 %, а при 20 мм — на 25,6 % порівняно з моделлю інтактного колінного суглоба. Збільшення напруження на субхондральній кістці може порушувати кровообіг і кровопостачання суглобового хряща в зоні його дефекту, тим самим сприяючи дегенеративним змінам.

Висновки

Збільшення напруження у тібіофеморальній зоні спостерігаються вже при дефекті 5 мм — на 66,0 %. Зі збільшенням розміру дефекту суглобового хряща значно збільшується руйнуючий вплив навантаження як на суглобовий хрящ (на 181,14 %), так і на субхондральну кістку в зоні дефекту (на 25,6 %). В умовах динамічних рухів у повсякденному житті такі напруження можуть сприяти швидкому прогресуванню дегенеративних змін у структурах колінного суглоба. Результати проведених досліджень визначають тактику, об’єм оперативних втручань на колінному суглобі та реабілітаційні заходи при наявності пошкодження суглобового хряща.