Paediatric Surgery (Ukraine).2022.4(77):75-83; doi 10.15574/PS.2022.77.75
Хмызов С. А., Якушкин Е. Ю., Карпинский М. Ю., Яресько А. В.
ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов имени профессора М.И. Ситенко НАМН Украины», г. Харьков

Для цитирования: Khmyzov SO, Yakushkin EYu, Karpinsky MYu, Yaresko OV. (2022). Mathematical modeling of the stress-strain state of the knee joint model with aplasia of the cruciate ligaments and after restoration of the ligamentous apparatus. Paediatric Surgery (Ukraine). 4(77): 75-83; doi 10.15574/PS.2022.77.75.
Статья поступила в редакцию 24.09.2022 г., принята к печати 16.12.2022 г.

Пороки закладки и развития крестообразных связок являются одной из основных причин развития нестабильности коленного сустава при врожденных продольных пороках развития нижних конечностей. Данная патология встречается с частотой 0,017 на 1000 новорожденных. Отсутствие крестообразных связок приводит к изменению формы суставных поверхностей коленного сустава и формируется за счет гипоплазии мыщелков бедренной кости, отсутствия межмыщелковой ямки бедренной кости и отсутствия межмыщелкового возвышения большеберцовой кости.
Цель — изучить напряженно-деформированное состояние коленного сустава при аплазии крестообразных связок до и после реконструктивных вмешательств; сравнить полученные результаты с нормой.
Материалы и методы. Разработана базовая конечно-элементная модель нижней конечности, дополненная коллатеральными и крестообразными связями коленного сустава. На основе базовой модели разработана модель с аплазией крестообразных связок коленного сустава и модель, отражающая состояние коленного сустава после выполнения реконструктивного оперативного вмешательства по методике SUPER KNEE по D. Paley. Модель изучена под влиянием вертикальной нагрузки в положении сгибания коленного сустава под углом 135°.
Результаты. Результаты проведенного математического моделирования показали, что аплазия крестообразных связок приводит к повышению уровня напряжений как в костных элементах модели, так и в элементах связочного аппарата. Восстановление связочного аппарата коленного сустава искусственными материалами по методике SUPER KNEE по D. Paley позволяет снизить уровень напряжений в костных элементах модели, при этом напряжения в бедренной кости определяются меньшим даже по сравнению с моделью в норме. Связки из искусственного материала принимают на себя основные нагрузки в коленном суставе и обеспечивают равномерную нагрузку лавсановой ленты с обеих сторон сустава. Высокий уровень напряжений в лавсановой ленте по сравнению с нормальными связями обусловлен более высоким модулем упругости материала и меньшей его пластичностью.
Выводы. Аплазия крестообразных связок приводит к повышению уровня напряжений как в костных элементах модели, так и в элементах связочного аппарата. Восстановление связочного аппарата коленного сустава позволяет снизить уровень напряжений в костных элементах модели с аплазией связок и приближает значение к параметрам модели в норме. Напряжение в связочном аппарате коленного сустава после его восстановления значительно возрастает, что обусловлено механическими свойствами искусственного материала, заменяющего связки. Повышенный уровень напряжений, возникающий в лавсановой ленте, свидетельствует о том, что она прочно держит нагрузки, возникающие в суставе.
Исследование выполнено в соответствии с принципами Хельсинкской декларации. Протокол исследования одобрен Локальным этическим комитетом участвующего учреждения.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Ключевые слова: крестообразные связи, аплазия, напряжение.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алямовский АА. SolidWorks/COSMOSWorks. (2004). Инженерный анализ методом конечных элементов. Москва: ДМК Пресс: 432.

2. Cowin SC (ed). (2001). Bone mechanics handbook. CRC Press Reference. https://doi.org/10.1201/b14263; PMCid:PMC2190562

3. Giorgi B. (1956). Morphologic variations of the intercondylar eminence of the knee. Clinical Orthopaedics. 8: 209-217.

4. Gul VE. (1966). Struktura i mehanicheskie svoystva polimerov. Moskva: Vyisshaya shkola: 240.

4. Гуль ВЕ. (1966). Структура и механические свойства полимеров. Москва: Высшая школа: 240.

5. Khmyzov S, Yakushkin Y, Katsalap Y. (2021). Knee joint instability in conditions of congenital malformations of the lower extremities. Оrthopaedics, traumatology and prosthetics. 1: 80-85. https://doi.org/10.15674/0030-59872021180-85

6. Корольков ОІ, Кацалап ЄС, Карпінський МЮ, Яресько ОВ. (2018). Напружено-деформований стан кульшового суглоба в дітей з асептичним некрозом головки стегнової кістки (повідомлення перше). Ортопедия, травматология и протезирование. 3: 85-92. https://doi.org/10.15674/0030-59872018385-92.

7. Образцов ИФ, Адамович ИС, Барер ИС и др. (1988). Проблема прочности в биомеханике. Учебное пособие для технич. и биол. спец. ВУЗов. Москва: Высш. школа: 311.

8. Paley D, Standard SC, Wiesel SW. (2010). Treatment of congenital femoral deficiency. Operative techniques in orthopaedic surgery. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins: 1202-1223.

9. Тяжелов АА, Карпинская ЕД, Карпинский МЮ, Браницкий АЮ. (2020). Влияние контрактур тазобедренного сустава на силу мышц бедра. Georgian medical news. 9 (306): 10-18. PMID: 33130638.

10. Тяжелов АА, Карпинский МЮ, Карпинская ЕД, Гончарова ЛД, Климовицкий РВ. (2017). Моделирование работы мышц тазового пояса после эндопротезирования тазобедренного сустава при различной величине общего бедренного офсета. Травма. 18 (6): 133-140. https://doi.org/10.22141/1608-1706.6.18.2017.121191.

11. Тяжелов АА, Карпінський МЮ, Юрченко ДА, Карпінська ОД, Гончарова ЛЄ. (2022). Математичне моделювання як інструмент дослідження функції м’язів тазового пояса при диспластичному коксартрозі. Травма. 23 (1): 4-11. https://doi.org/10.22141/1608-1706.1.23.2022.876.

12. Vidal-Lesso A, Ledesma-Orozco E, Daza-Benítez L, Lesso-Arroyo R. (2014). Mechanical Characterization of Femoral Cartilage Under Unicompartimental Osteoarthritis. Ingeniería Mecánica Tecnología Y Desarrollo. 4 (6): 239-246.

13. Woo SL-Y, Abramowitch SD, Kilger R, Liang R. (2006). Biomechanics of knee ligaments: injury, healing, and repair. Journal of Biomechanics. 39: 1-20. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2004.10.025; PMid:16271583

14. Зенкевич ОК. (1978). Метод конечных элементов в технике. Москва: Мир: 519.