Журнал «Травма» Том 16, №3, 2015

Статья опубликована на с. 33-38

Гонартроз является одним из самых распространенных заболеваний коленного сустава. Согласно теории Б.И. Сименача о наследственной предрасположенности к заболеваниям [1, 2] и предложенной им модели «Артроз» [3], возможны два варианта развития этого недуга. В первом случае (артрозирующая деформация) наличие врожденной или приобретенной деформации коленного сустава приводит к изменению условий его нагружения, далее к разрушению хряща и артрозу. Во втором случае (деформирующий артроз) наличие наследственных или приобретенных метаболических факторов вызывает воспалительный процесс в хрящевой ткани, далее разрушение хряща, изменение условий нагружения коленного сустава и развитие деформации. Остается дискуссионным вопрос: что имеет ключевое значение в условиях нагружения коленного сустава — наличие деформации или отсутствие хряща?

Отсюда вытекает цель работы: изучить напряженно–деформированное состояние коленного сустава в зависимости от величины варусной деформации и толщины суставного хряща.

Материалы и методы исследования

Для решения поставленной задачи в лаборатории биомеханики ГУ «ИППС им. проф. М.И. Ситенко НАМНУ» были разработаны конечно–элементные модели нижней конечности в вариантах нормы и варусной деформации величиной 10 и 15° (рис. 1). Вальгусную деформацию решили не рассматривать, т.к. характер изменений напряженно–деформированного состояния моделей должен соответствовать варусной деформации с перемещением пиковых напряжений на противоположный мыщелок.

Модели состояли из следующих элементов: бедренная кость (БК), большеберцовая кость (ББК), надколенник, суставной хрящ.

Модель суставного хряща выполнялась в виде двух слоев, что позволяло уменьшить толщину хряща в 2 раза. Таким образом мы моделировали 2 состояния сустава с толщиной хряща 2 и 1 мм (рис. 2).

При моделировании использовали механические характеристики биологических тканей согласно данным В.А. Березовского (1990) [4]. Механические свойства материалов, использованных при моделировании, приведены в табл. 1.

Модель имела жесткое закрепление на дистальном конце большеберцовой кости. К головке бедренной кости прикладывали распределенную нагрузку величиной 700 Н, что соответствует нагрузке на конечность при одноопорном стоянии.

Результаты исследования

На первом этапе работы мы изучали влияние величины варусной деформации на распределение напряжений как в элементах нижней конечности в целом, так и в коленном суставе в частности. Картина напряженно–деформированного состояния моделей с разными величинами варусной деформации представлена на рис. 3.

Как видим, наличие варусной деформации приводит к увеличению напряжений по медиальной и латеральной поверхностям бедренной и большеберцовой костей. Причем величина максимальных значений напряжений возрастает с увеличением угла деформации. При этом уровень напряжений на фронтальных и задних поверхностях этих костей снижается, а в шейке бедренной кости остается практически неизменным.

Такая же картина наблюдается и на суставной поверхности коленного сустава (рис. 4).

На суставной поверхности коленного сустава наблюдается повышение уровня напряжений по медиальной стороне с ростом величины варусной деформации. В числовом выражении величины максимальных напряжений в разных отделах моделей в зависимости от величины варусной деформации представлены в табл. 2.

Более наглядно характер изменений величин напряжений в различных элементах моделей в зависимости от величины варусной деформации представлен на диаграмме (рис. 5).

В результате проведенного исследования можно заключить, что в норме напряжения в диафизах бедренной и большеберцовой костей распределяются равномерно по всей окружности. Наличие варусной деформации приводит к перераспределению напряжений с передней и задней поверхностей диафизов костей на их медиальные и латеральные поверхности, причем на медиальные в большей степени. На суставных поверхностях также наблюдается повышение напряжений на медиальной стороне. Максимальные значения напряжений в указанных зонах возрастают с увеличением величины деформации.

На следующем этапе работы мы выясняли влияние толщины суставного хряща на распределение напряжений в элементах моделей. Картина напряженно–деформированного состояния моделей в зависимости от толщины хряща в коленном суставе представлена на рис. 6.

Как показали наши исследования, изменение толщины хряща никак не сказывается на уровне напряжений в костных структурах. На суставных поверхностях присутствуют незначительные изменения. Их можно разглядеть на рис. 7.

В хрящевых структурах наиболее заметные изменения выявлены на мыщелках бедренной кости. С уменьшением толщины хряща напряжения на медиальном мыщелке снижаются с 2,3 до 1,6 МПа, на латеральном — повышаются от 0,4 до 0,7 МПа. На суставной поверхности большеберцовой кости изменения крайне незначительны. В абсолютных величинах значения максимальных напряжений в элементах моделей в зависимости от толщины хряща представлены в табл. 3.

Более наглядно характер изменений напряжений в элементах моделей в зависимости от толщины хряща представлен на диаграмме (рис. 8).

Как видим, изменение толщины хряща вносит очень незначительные изменения в картину напряженно–деформированного состояния моделей.

Выводы

Напряжения в диафизах бедренной и большеберцовой костей в норме распределяются равномерно по всей окружности. Наличие варусной деформации приводит к перераспределению напряжений с передней и задней поверхностей диафизов костей на их медиальные и латеральные поверхности, причем на медиальные в большей степени. На суставных поверхностях также наблюдается повышение напряжений на медиальной стороне. Максимальные значения напряжений в указанных зонах возрастают с увеличением величины деформации.

Изменения толщины суставного хряща в коленном суставе практически не сказываются на распределении напряжений как в костных структурах, так и на суставных поверхностях.