Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.



СІМЕЙНІ ЛІКАРІ ТА ТЕРАПЕВТИ

НЕВРОЛОГИ, НЕЙРОХІРУРГИ, ЛІКАРІ ЗАГАЛЬНОЇ ПРАКТИКИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ

КАРДІОЛОГИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, РЕВМАТОЛОГИ, НЕВРОЛОГИ, ЕНДОКРИНОЛОГИ

СТОМАТОЛОГИ

ІНФЕКЦІОНІСТИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, ПЕДІАТРИ, ГАСТРОЕНТЕРОЛОГИ, ГЕПАТОЛОГИ

ТРАВМАТОЛОГИ

ОНКОЛОГИ, (ОНКО-ГЕМАТОЛОГИ, ХІМІОТЕРАПЕВТИ, МАМОЛОГИ, ОНКО-ХІРУРГИ)

ЕНДОКРИНОЛОГИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, ПЕДІАТРИ, КАРДІОЛОГИ ТА ІНШІ СПЕЦІАЛІСТИ

ПЕДІАТРИ ТА СІМЕЙНІ ЛІКАРІ

АНЕСТЕЗІОЛОГИ, ХІРУРГИ

"Тrauma" Том 22, №4, 2021

Back to issue

Comparative analysis of stress-strain state of mathematical models for an individual endoprosthesis and allocomposite endoprosthesis in case of replacement of long bone defects

Authors: Вирва О.Є., Головіна Я.О., Малик Р.В., Карпінський М.Ю., Яресько О.В.
ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна

Categories: Traumatology and orthopedics

Sections: Clinical researches

print version


Summary

Актуальність. Заміщення післярезекційних дефектів довгих кісток у разі їх ураження пухлинним процесом завжди є актуальною проблемою ортопедії. Серед багатого різноманіття матеріалів і методик реконструкції післярезекційних дефектів довгих кісток найбільшої поширеності набули індивідуальне, модульне ендопротезування та біореконструктивні втручання. Для вивчення механічних властивостей обраних нами конструкцій проведено моделювання різних видів заміщення післярезекційних дефектів стегнової кістки за допомогою методу кінцевих елементів. Мета дослідження — порівняти дані напружено-деформованих станів у математичних моделях «алокомпозитний ендопротез» та «індивідуальний ендопротез» проксимального відділу стегнової кістки. Матеріали та методи. Створено математичні моделі стегнової кістки з формуванням післярезекційного дефекту її проксимального відділу, що заміщений сегментарним кістковим алотрансплантатом у комбінації з індивідуальним ендопротезом. Модель наведена у двох варіантах — з формуванням поперечної остеотомії та з формуванням східцеподібної остеотомії. Кожна модель досліджувалася окремо з цементним і безцементним прошарком у зоні ніжки ендопротеза. Для порівняння обрана модель з повною заміною проксимального кінця стегнової кістки індивідуальним ендопротезом без кісткової пластики. Результати. Виконання остеотомії стегнової кістки у вигляді сходинки дозволяє значно знизити рівень напружень саме в зоні остеотомії. Це відбувається завдяки тому, що виконання східцеподібної остеотомії дозволяє кістковим фрагментам надавати спротив зсувним переміщенням. Використання кісткового цементу дозволяє значно знизити рівень напружень навколо ніжки ендопротеза при обох варіантах виконання остеотомії стегнової кістки (поперечна та східцеподібна). Це відбувається за рахунок того, що кістковий цемент, маючі модуль пружності за проміжною величиною між титаном і кістковою тканиною, утворює між ними прошарок, який виконує демпферну функцію, чим згладжує різницю величин деформації металу та кісткової тканини, тим самим знижуючи рівень напружень в них. Ендопротезування без виконання кісткової пластики призводить до виникнення підвищених напружень у кістковій тканині завдяки наявності жорсткої опори ендопротеза на кортикальну кістку в діафізі по лінії її резекції. Висновки. Виконання остеотомії стегнової кістки у вигляді сходинки дозволяє вдвічі знизити рівень механічних напружень саме в зоні остеотомії порівняно з моделями з поперечною остеотомією, що має особливе значення на ранніх післяопераційних етапах. Використання кісткового цементу для фіксації ніжки ендопротеза також дозволяє значно знизити рівень напружень у всіх варіантах досліджених моделей за рахунок утворення демпферного прошарку між металом і кістковою тканиною. Рівень напружень в моделях ендопротезування без кісткової пластики не залежить від використання кісткового цементу, а визначається наявністю жорсткої опори ендопротеза на кортикальну кістку по лінії її резекції.

Background. Replacement of post-resection defects of long bones in case of a tumor process is always an urgent problem of orthopedics. Among the wide variety of materials and methods for reconstruction of post-resection defects of long bones, the most common are individual, modular arthroplasty and bioreconstructive interventions. To study the mechanical properties of the structures we have chosen, various types of post-resection femoral bone defect replacement were simulated using the finite element method. The purpose was to compare the data on stress-strain states in mathematical models “allocomposite endoprosthesis” and “individual endoprosthesis” of the proximal femur. Material and methods. Mathematical models of the femur with the formation of a post-resection proximal defect replaced by a segmental bone allograft in combination with an individual endoprosthesis have been created. The model is presented in two versions, with the formation of transverse and step-cut osteotomy. Each model was examined separately with cement and cementless attachment in the area of the endoprosthesis stem. For comparison, we chose a model with complete replacement of the proximal end of the femur with an individual endoprosthesis without bone grafting. Results. Femur step-cut osteotomy can significantly reduce the level of stress in the osteotomy area. This is due to the fact that performing the step-cut osteotomy allows the bone fragments to provide resistance to shearing movement. The use of bone cement can significantly reduce the level of stress around the stem of the endoprosthesis in both variants of femoral osteotomy (transverse and step-cut). This is due to the fact that bone cement, which has an elastic modulus at an intermediate value between titanium and bone tissue, forms a layer between them, performs a damper function, that smoothes the difference in deformation values of the metal and bone tissue, thereby reducing the level of stress in them. Arthroplasty without performing bone grafting leads to increased stresses in the bone tissue due to the presence of a rigid support on the cortical bone endoprosthesis in the diaphysis along the line of its resection. Conclusions. Performing step-cut osteotomy of the femur reduces the level of mechanical stresses in the osteotomy area by half compared to models with transverse osteotomy, which is of particular importance in the early postoperative stages. The use of bone cement for fixing the stem of the endoprosthesis can also significantly reduce the level of stress in all variants of the studied models, due to the formation of a damping layer between the metal and the bone tissue. The level of stress in models without bone grafting does not depend on the use of bone cement, but is determined by the presence of a rigid support of the endoprosthesis on the cortical bone along the line of its resection.


Keywords

ендопротезування; остеотомія; напруження; навантаження

arthroplasty; osteotomy; stress; load


For the full article you need to subscribe to the magazine.


Bibliography

1. Gharedaghi M., Peivandi M.T., Mazloomi M. et al. Eva-luation of clinical results and complications of structural allograft reconstruction after bone tumor surgery. Arch. Bone Joint Surg. 2016. 4(3). 236-242.
2. Вирва О.Є., Головіна Я.О., Малик Р.В., Головіна О.О. Системний огляд і метааналіз результатів модульного й алокомпозитного ендопротезування за умов кістково-суглобових дефектів після резекції пухлини. Ортопедія, травматологія і протезування. 2020. 2. 5-15. DOI: 10.15674/0030-5987202025-15.
3. Bloebaum R.D., Merrell M., Gustke K., Simmons M. Retrieval analysis of a hydroxyapatite-coated hip prosthesis. Clin. Orthop. Relat. Res. 1991. 267. 97-102.
4. Calabró T., Van Rooyen R., Piraino I. et al. Reconstruction of the proximal femur with a modular resection prosthesis. Eur. J. Orthop. Surg. Traumatol. 2016. 26(4). 415-421. DOI: 10.1007/s00590-016-1764-0 [Epub 2016 Apr 4].
5. Sandoval P.P.G., Utrilla A.L., Trigueros-Rentero M.A., Lopez-Prats F.A. Mid- to long-term results of allograft-prosthesis composite reconstruction after removal of a distal femoral malignant tumor are comparable to those of the proximal tibia. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 2019. 27. 2218-2225. DOI: /10.1007/s00167-018-5110-4. 
7. Capanna R., Donati I.X., Masctti C. et al. Effect of electromagnetic fields on patients undergoing massive bone graft following bone tumor resection: a double blind study. Clin. Orthop. Rclat. Res. 1994. 306. 213-221.
8. Blunn G.W., Briggs T.W., Cannon S.R. et al. Cementless fixation for primary segmental bone tumor endoprostheses. Clin. Orthop. 2000. 372. 223-230.
9. Capanna R., Morris H.G., Campanacci D. et al. Modular uncemented prosthetic reconstruction after resection of tumours of the distal femur. J. Bone Joint Surg. Br. 1994. 76. 178-186.
10. Головіна Я.О. Хірургічний етап лікування пацієнтів з метастатичними ураженнями довгих кісток: Дис. … канд. мед. наук: 14.01.21. Харків, 2013. 170 с. 
11. Вырва О.Е., Головина Я.А., Малык Р.В. Аллокомпозитное эндопротезирование при хирургическом лечении пациентов со злокачественными опухолями длинных костей (обзор литературы). Ортопедия, травматология, протезирование. 2015. 2. 120-126. 
12. Вирва О.Є., Головіна Я.О., Суббота Я.А. Заміщення післярезекційних дефектів стегнової кістки у лікуванні хворих з метастатичними ураженнями. Ортопедия, травматология и протезирование. 2013. 2. 73-79. DOI: 10.15674/0030-59872013273-79.
13. Вирва О.Є., Головіна Я.О., Карпінський М.Ю., Яресько О.В., Малик Р.В. Дослідження напружено-деформованого стану в системі «імплантат — кістка» на моделі алокомпозитного ендопротеза проксимального відділу стегнової кістки. Травма. 2020. 21(1). 38-48. DOI: 10.22141/1608-1706.1.21.2020.197797.
14. Benedetti M.G., Bonatti E., Malfitano C., Donati D. Comparison of allograft prosthetic composite reconstruction and modular prosthetic replacement in proximal femur bone tumors: functional assessment by gait analysis in 20 patients. Acta Orthop. 2013. 84(2). 218-223. DOI: 10.3109/17453674.2013.773119.
15. McGoveran B.M., Davis A.M., Gross A.E., Bell R.S. Evaluation of the allograftprosthesis composite technique for proximal femoral reconstruction after resection of a primary bone tumour. Can. J. Surg. 1999. 42(1). 3716.
16. Gere J.M., Timoshenko S.P. Mechanics of Material. Boston: PWS Publishing Company, 1997. 912 p.
17. Образцов И.Ф., Адамович И.С., Барер И.С. и др. Проблема прочности в биомеханике: Учебное пособие для техн. и биол. спец. вуз. М.: Высшая школа, 1988. 311 с.
18. Алямовский А.А. SolidWorks/COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов. М.: ДМК Пресс, 2004. 432 с.
19. Calabró T., Van Rooyen R., Piraino I. et al. Reconstruction of the proximal femur with a modular resection prosthesis. Eur. J. Orthop. Surg. Traumatol. 2016. 26(4). 415-421. DOI: 10.1007/s00590-016-1764-0 [Epub 2016 Apr 4].

Back to issue