ПИТАННЯ ПОБУДОВИ СУЧАСНИХ МАТЕМАТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ БІОМЕХАНІКИ ПРИ ВИРІШЕННІ ПРОБЛЕМ ЕНДОПРОТЕЗУВАННЯ КУЛЬШОВОГО СУГЛОБА

Заголовок (російською):

ВОПРОСЫ ПОСТРОЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ БИОМЕХАНИКИ ПРИ РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМ ЭНДОПРОТЕЗИРОВАНИЯ ТАЗОБЕДРЕННОГО СУСТАВА

Заголовок (англійською):

CONSIDERATION OF THE MODERN MATHEMATICAL BIOMECHANIC MODELS TO SOLVE PROBLEMS OF HIP JOINT ENDOPROSTHETIC

Автор(и):

І.В. Гужевський

І.І. Солодей

Автор(и) (англ):

Guzhevsky I.V.

Solodei I.I.

Ключові слова (укр):

біомеханіка, математична модель, ендопротезування, імплантант, кістка, кульшовий суглоб, метод скінченних елементів, фізико-механічні характеристики матеріалів, критерії міцності, модель навантаження, умови закріплення

Ключові слова (рус):

биомеханика, математическая модель, эндопротезирование, имплантант, кость, тазобедренный сустав, метод конечных элементов, физико-механические характеристики материалов, критерии прочности, модель нагрузки, условия закрепления

Ключові слова (англ):

biomechanics, mathematical model, endoprosthetic, implant, bone, hip joint, finite element method, physical and mechanical characteristics of materials, strength criteria, load model, boundary conditions

Анотація (укр):

В роботі проведено аналіз сучасного стану проблеми вивчення механічних аспектів ендопротезування кульшового суглоба. Особливу увагу приділено питанням вибору фізико-механічних характеристик матеріалів, критеріїв міцності, моделі навантаження та умов закріплення. Наведені результати розгляду низки розрахункових схем, які дозволили окреслити подальші кроки при пошуку найбільш ефективних шляхів розвитку означених біомеханічних моделей.

Анотація (рус):

В работе проведен анализ современного состояния проблемы изучения механических аспектов эндопротезирования тазобедренного сустава. Особое внимание уделено вопросам выбора физико-механических характеристик материалов, критериев прочности, модели нагрузки и условий закрепления. Приведены результаты рассмотрения ряда расчетных схем, которые позволили определить дальнейшие шаги при поиске наиболее эффективных путей развития указанных биомеханических моделей.

Анотація (англ):

Endoprosthetics is now a widespread way of treating diseases of the musculoskeletal system. Implantation of an artificial joint allows to eliminate or significantly reduce the pain syndrome, to ensure endurance of the limb, to restore movement in the joint. Although total endoprosthetics is one of the most successful of all surgical procedures, a number of issues related to design, materials, implant placement remain open. Nowadays, there is no complete understanding of the real processes that determine the biomechanical behavior of artificial joints in real physiological conditions under various anatomical variants of the structure of articular structures. Therefore, the study of the behavior of the implant-bone system by experimental methods, as well as methods based on mathematical analysis, becomes more and more important. A large number of studies aimed at studying the mechanical aspects of the interaction of endoprosthesis and bone tissue, special attention is paid to determining the impact of the design of the endoprosthesis on the stress-strain state of the bone. Experimental studies reveal the peculiarities of the influence of the design of the endoprosthesis on the redistribution of external load in the bone tissue. But, nevertheless, the disadvantage are technical limitations that do not allow to simulate complicated loading conditions of the bone-implant system due to human physiological activity. In addition, to describe the processes occurring in the bone tissue, it is necessary to record tension within the bone, which is extremely difficult in the experimental approach. Therefore, methods of mathematical modeling of mechanical behavior of the bone-endoprosthesis system are becoming increasingly popular. The paper analyzes the current state of the problem of studying the mechanical aspects of hip arthroplasty. Particular attention is paid to the choice of physical and mechanical characteristics of materials, strength criteria, load models and boundary conditions. The results of a several design schemes consideration that allowed to determine the further steps in the search for the most effective ways of development of these biomechanical models are presented.

Публікатор:

Київський національний університет будівництва і архітектури

Назва журналу, номер, рік випуску (укр):

Опір матеріалів і теорія споруд, 2017, номер 99

Назва журналу, номер, рік випуску (рус):

Сопротивление материалов и теория сооружений, 2017, номер 99

Назва журналу, номер, рік випуску (англ):

Strength of Materials and Theory of Structures, 2017, number 99

Мова статті:

Українська

Формат документа:

application/pdf

Документ:

07-99.pdf

Дата публікації:

25 Декабрь 2017

Номер збірника:

Університет автора:

Інститут травматології та ортопедії НАМН України, Київ Бульварно-Кудрявська вул., 27, м. Київ, 01601 , Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ Повітрофлотський просп., 31, м. Київ, 03680

Литература:

1. Баженов В.А., Кривенко О.П., Соловей Н.А. Нелинейное деформирование и устойчивость упругих оболочек неоднородной структуры: Модели, методы, алгоритмы, малоизученные и новые задачи. – М.: Книжный дом «ЛИБРИКОМ», 2013. – 336 с.2. Баженов В.А., Гуляр О.І., Пискунов С.О., Сахаров О.С. Напіваналітчний метод скінчених елементів в задачах континуального руйнування // К.: Каравела, 2014. – 236 c.3. Баженов В.А., Гуляр О.І., Солодей І.І. Сахаров О.С. Напіваналітичний метод скінчених елементів в задачах динаміки просторових тіл // К.: Каравела, 2012. – 248 c.4. Беляев Н.М. Сопротивление материалов / Н.М. Беляев. – М.: ГИТТЛ, 1956. – 856 с.5. Загородний Н.В., Елкин Д.В., Банецкий М.В., Мамонов А.М., Карпов В.Н. Применение метода математического моделирования в оценке функционирования тотальных эндопротезов тазобедренного сустава // Вестник новых медицинских технологий - 2007 Том XIV - №4 - С 6-9.6. Карлов А.В., Шахов В.П. Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики. - Томск: STT, 2001. - 480 с.7. Обысов А.С. Надежность биологических тканей / А.С. Обысов. – М., 1971. – 104 с.8. Разрушение /Под ред. Г. Либовец // Пер. с англ.; В 7т. – Т.7: часть 2. – Разрушение неметаллов и композитных материалов. – М.: Мир, 1976. – 471с.9. Сегерлинд Л.Дж. Применение метода конечных элементов / Сегерлинд Л.Дж // – М.: Мир, 1979.– 392 с.10. Сіменач Б. Методологія як спосіб наукової діяльності / Б. Сіменач, П. Снісаренко, О. Бабуркина, І. Зеленецький // Ортопедия, травматология и протезирование. – 2006. – №3. – С. 110 – 115.11. Шпилевский И.Э. Оценка прочности бедренной кости при секторальной резекции // Мед. новости.-2010, №9.-С.100-105.12. Шидловський Н.С. Механічні дослідження різних способів з’єднання переломів вертлюгової ділянки стегнової кістки людини / Н.С. Шидловський, Л.М. Юрійчук, Д.Ю. Шпак // Вісник Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут", Серія Машинобудування, – К: 2010. – № 59 – С. 271-276.13. Юрійчук Л.М. Біомеханічна оцінка різних способів фіксації при нестабільних переломах вертлюгової ділянки стегнової кістки в експерименті та застосування результатів дослідження в клініці / Л.М. Юрійчук, М.В. Полулях, М.С. Клепач, М.С. Шидловський, А.І. Баран, Ю.І. Попович // Літопис травматології та ортопедії. – № 1-2/2014 (29-30) – С.88-91.14. Bergmann G., Deuretzbacher G., Heller M., Graichen F., Rohlmann A., Strauss J., Duda G.N. Hip contact forces and gait patterns from routine activities. / G. Bergmann, G. Deuretzbacher, M. Heller, F. Graichen, A. Rohlmann, J. Strauss, G.N. Duda. // Journal of Biomechanics 34 (2001) 859–871. 22 February 200115. Currey J.D. Mechanical propertis of vertebrate hard tissues / J.D. Currey // Proc. Inst. Mech. Engrs. - 1998. - Vol. 212, Part H. -P. 399-411.16. Edwards W.B. Finite element prediction of surface strain and fracture strength at the distal radius // Med. Eng. Phys.-2012.-Vol. 34.-P. 290-298.17. Elias J.J. The open section effect in a long bone with a longitudinal defect - a theoretical modeling study // J. Biomech.-2000.-Vol. 33.-P. 1517-1522.18. Keyak J.H. Prediction of femoral fracture load using finite element models: an examination of stress- and strain-based failure theories // J. Biomech.-2000.-Vol. 33.-P. 209-214.19. Lawson A.C. Collagen-calcium-phosphate composites / A.C. Lawson, J.T. Czernuszka // Proc. Inst. Mech. Engrs. - 1998. - Vol. 212, Part H. - P. 413-425.20. Li S. Cutting of Cortical Bone Tissue: Analysis of Deformation and Fracture Process // Loughborough, 2013. Chapter 2.-P. 20.21. Pistoia W. Estimation of distal radius failure load with micro-finite element analysis models based on three-dimensional peripheral quantitative computed tomography images // Bone.-2002.-Vol. 30.-P. 842–848.22. Rubin C., Rubin J. 2006 Biomechanics and Mechanobiology of Bone // American Society for Bone and Mineral Research-2006.-Chapter 6, p36-42.23. Schileo E. Subject-specific finite element models implementing a maximum principal strain criterion are able to estimate failure risk and fracture location on human femurs tested in vitr // J. Biomech.-2008.-Vol. 41.-P. 356–367.24. Wirtz D.C., Schiffers N., Pandorf T., Radermacher K., Weichert D., Forst R. Critical evaluation of known bone material properties to realize anisotropic FE-simulation of the proximal femur. / D.C. Wirtz, N. Schiffers, T. Pandorf, K. Radermacher, D. Weichert, R. Forst // Journal of Biomechanics 33 (2000) 1325-1330 6 March 2000.25. Zioupos P. Changes in the stiffness, strength, and toughness of human cortical bone with age / P. Zioupos, J.D. Currey // Bone. ‑ 1998. ‑ Vol. 22, No. 1. ‑ P. 57-66.

References:

1. Bazhenov V.A. Nelineynoe deformirovanie i ustoychivost uprugih obolochek neodnorodnoy strukturyi: Modeli, metodyi, algoritmyi, maloizuchennyie i novyie zadachi. (Nonlinear deformation and stability of elastic shells of an inhomogeneous structure: Models, methods, algorithms, little-known and new problems) / V.A. Bazhenov, O.P. Krivenko, N.A. Solovey // – M.: Knizhnyy dom «LIBRIKOM», 2013. – 336 p.2. Bazhenov V.A. Napivanalitchnyi metod skinchenykh elementiv v zadachakh kontynualnoho ruinuvannia (Semi-analitic finite element method in problems of continual fracture) / V.A. Bazhenov, O.I. Gulyar, S.O. Pyskunov, O.S. Sakharov // – K.: Karavela, 2014. – 236 p.3. Bazhenov V.A. Napivanalitychnyi metod skinchenykh elementiv v zadachakh dynamiky prostorovykh til (Semi-analitic finite element method in the problems of the dynamics of spatial bodies) / V.A. Bazhenov, O.I. Gulyar, I.I. Solodei, O.S. Sakharov // – K.: Karavela, 2012. – 248 p.4. Belyaev N.M. Soprotivlenie materialov (Strength of materials). - Moscow: GITTL, 1956. - 856 p.5. Zagorodniy N.V. Primenenie metoda matematicheskogo modelirovaniya v otsenke funktsionirovaniya totalnyih endoprotezov tazobedrennogo sustava (The method of mathematical modeling in the evaluation of the functioning of total hip joint endoprostheses) / N.V. Zagorodniy, D.V. Yelkin, M.V. Banetskiy, A.M. Mamonov, V.N. Karpov // Bulletin of new medical technologies – 2007, XIV – №4 – P. 6-9.6. Karlov A.V., Shakhov V.P. Sistemyi vneshney fiksatsii i regulyatornyie mehanizmyi optimalnoy biomehaniki (External fixation systems and regulatory mechanisms of optimal biomechanics). - Tomsk: STT, 2001. – 480 p.7. Obysov A.S. Nadezhnost biologicheskih tkaney (Reliability of biological tissues). - M., 1971. - 104 p.8. Razrushenie (Destruction) / Ed. G. Libovets // Transl. from the English; In 7T. - T.7: Part 2. - Destruction of non-metals and composite materials. - Moscow: Mir, 1976. - 471 p.9. Segerlind L.J. Primenenie metoda konechnyih elementov (The finite element method). – M.: Mir, 1979. – 392 p.10. Sіmenach B. Metodolohiia yak sposib naukovoi diialnosti (Methodology as a way of scientific activity) / B. Sіmenach, P. Sіnisarenko, О. Baburkina, І. Zelenetsky // Orthopedics, traumatology and prosthetics. - 2006. - №3. - P. 110 - 115.11. Shpilevskiy I.E. Otsenka prochnosti bedrennoy kosti pri sektoralnoy rezektsii (Evaluation of the strength of the femur with sectoral resection) // Med. News. – 2010, №9. – P. 100-105.12. Shidlovsky N.S. Mekhanichni doslidzhennia riznykh sposobiv ziednannia perelomiv vertliuhovoi dilianky stehnovoi kistky liudyny (Mechanical researches of various ways of the human femur fractures stabilization) / N.S. Shidlovsky, L.M. Yuriychuk, D.Yu. Shpak // Bulletin of the National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute", Series of Machine-Building, – K: 2010. – No. 59 – P. 271-276.13. Yuriychuk L.M. Biomekhanichna otsinka riznykh sposobiv fiksatsii pry nestabilnykh perelomakh vertliuhovoi dilianky stehnovoi kistky v eksperymenti ta zastosuvannia rezultativ doslidzhennia v klinitsi (Biomechanical estimation of different fixation ways for unstable fractures of the femur via experiment and usage of the study results in the clinic) / L.М. Yuriychuk, M.V. Poluliy, M.S. Klepach, M.S. Shidlovsky, A.I. Baran, Yu.I. Popovich // Chronicle of traumatology and orthopedics. – No. 1-2 / 2014 (29-30) – P. 88-91.14. Bergmann G., Deuretzbacher G., Heller M., Graichen F., Rohlmann A., Strauss J., Duda G.N. Hip contact forces and gait patterns from routine activities. / G. Bergmann, G. Deuretzbacher, M. Heller, F. Graichen, A. Rohlmann, J. Strauss, G.N. Duda. // Journal of Biomechanics 34 (2001) 859–871. 22 February 200115. Currey J.D. Mechanical propertis of vertebrate hard tissues / J.D. Currey // Proc. Inst. Mech. Engrs. - 1998. - Vol. 212, Part H. -P. 399-411.16. Edwards W.B. Finite element prediction of surface strain and fracture strength at the distal radius // Med. Eng. Phys.-2012.-Vol. 34.-P. 290-298.17. Elias J.J. The open section effect in a long bone with a longitudinal defect - a theoretical modeling study // J. Biomech.-2000.-Vol. 33.-P. 1517-1522.18. Keyak J.H. Prediction of femoral fracture load using finite element models: an examination of stress- and strain-based failure theories // J. Biomech.-2000.-Vol. 33.-P. 209-214.19. Lawson A.C. Collagen-calcium-phosphate composites / A.C. Lawson, J.T. Czernuszka // Proc. Inst. Mech. Engrs. - 1998. - Vol. 212, Part H. - P. 413-425.20. Li S. Cutting of Cortical Bone Tissue: Analysis of Deformation and Fracture Process // Loughborough, 2013. Chapter 2.-P. 20.21. Pistoia W. Estimation of distal radius failure load with micro-finite element analysis models based on three-dimensional peripheral quantitative computed tomography images // Bone.-2002.-Vol. 30.-P. 842–848.22. Rubin C., Rubin J. 2006 Biomechanics and Mechanobiology of Bone // American Society for Bone and Mineral Research-2006.-Chapter 6, p36-42.23. Schileo E. Subject-specific finite element models implementing a maximum principal strain criterion are able to estimate failure risk and fracture location on human femurs tested in vitr // J. Biomech.-2008.-Vol. 41.-P. 356–367.24. Wirtz D.C., Schiffers N., Pandorf T., Radermacher K., Weichert D., Forst R. Critical evaluation of known bone material properties to realize anisotropic FE-simulation of the proximal femur. / D.C. Wirtz, N. Schiffers, T. Pandorf, K. Radermacher, D. Weichert, R. Forst // Journal of Biomechanics 33 (2000) 1325-1330 6 March 2000.25. Zioupos P. Changes in the stiffness, strength, and toughness of human cortical bone with age / P. Zioupos, J.D. Currey // Bone. -1998. - Vol. 22, No. 1. - P. 57-66.1. ‑ P. 57-66.