Войти на сайт

или
Регистрация

Навигация


Анализ прочности трубчатых костей после секторальной резекции

12214
знаков
10
таблиц
21
изображение

1. Введение

Основным методом лечения доброкачественных опухолей и опухолеподобных поражений трубчатых костей является хирургический, который заключается в выполнении секторальной резекции (иссечении пораженного участка с сохранением непрерывности кости). В результате этой операции прочностные характеристики пораженной кости неизбежно снижаются. В настоящее время рекомендации по применению различных способов компенсации потери прочности пораженного сегмента или отказа от них (ограничение нагрузок, внешняя иммобилизация или армирование кости) имеют исключительно описательный характер. Выбор их осуществляется, как правило, эмпирически, в зависимости от опыта хирурга и установок, сложившихся в конкретном медицинском учреждении.

Для выбора оптимального метода и стандартизации показаний к применению «превентивного остеосинтеза» после выполнения секторальной резекции представляется необходимым использование объективных методов исследования прочностных характеристик кости до и после оперативного вмешательства.


2. Цели дипломной работы:

· Выполнить конечно-элементный расчет напряженно-деформированного состояния бедренной кости с пострезекционным дефектом, возникающего под действием статической сжимающей нагрузки эквивалентной собственному весу человека, при различной длине и угловом размере дефекта, а также его при локализации в верхней, средней и нижней третях кости.

· В соответствии с критерием разрушения Коломбо-Мора (Coulomb-Mohr, CM), определить меры поврежденности кости.

· На основании данных медицинской статистики о наблюдениях за пациентами, подвергавшимися секторальной резекции, и результатов расчета мер поврежденности разработать компьютерную программу прогнозирования потери прочности бедренной кости.

3. Моделирование секторальной резекции

А

1.jpg

В

2.jpg

Рисунок 1 - Схема секторальной резекции 1:

A – фрагмент трубчатой кости до резекции (1 – новообразование, 2 – линии иссечения кости);

B – фрагмент трубчатой кости после выполнения резекции (3 – пострезекционный дефект).

· Стереолитографическая (STL) модель неповрежденной бедренной кости получена в пакете ScanIP(SimplewereLtd., UK) на основании томографических данных (STL-модель показана на рисунке 2).

· STL-модели преобразованы в твердотельные с применением CAD-пакета CATIAV5 (DassaultSystémes, France).

· Костная ткань является однородной изотропной средой; модуль упругости костной ткани 3.jpg ГПа, коэффициент Пуассона 4.jpg (компактная костная ткань).

· Нагрузка на бедренную кость действует от верхнего полюса головки бедра к середине расстояния между крайними нижними отделами мыщелков бедра; зона приложения нагрузки составляет ½ верхнего сегмента головки; нижние отделы мыщелков бедра жестко заделаны (граничные условия показаны на рисунке 3, 4).

Величина сжимающей статической нагрузки для всех моделей составляет 800 Н.

5.jpg

6.jpg

7.jpg

8.jpg

9.jpg

10.jpg

Рунок 2 -

STL-модель бедренной кости

Рисунок 3 - Нагрузка, прикладываемая к бедренной кости с вырезом, локализованным в средней трети кости

Рисунок 4 - Область приложения нагрузки (сверху) и заделки,  (снизу). Слева - Ansys WorkBench, Справа - Ansys Mechanical APDL


· Расчеты эквивалентных напряжений проведены при локализации дефекта в верхней, средней и нижней третях кости, а также на внутренней, внешней, передней и задней поверхностях.

· Длина дефекта изменяется от11.jpgдо12.jpg с шагом 11.jpg (11.jpg- диаметр срединной поверхности кости).

· Угловой размер пострезекционного дефекта принимает значения, равные 15.jpg, 16.jpg, 17.jpg, 18.jpg и 19.jpg (на рисунке 5 показана генерация пострезекционного дефекта в верхней трети кости длиной 12.jpg и угловым размером 15.jpg).

· Для всех моделей задается свободное конечно-элементное разбиение (размер конечного элемента 3 мм; размер конечного элемента у концентраторов изменялся от 0,1 мм до 0,7 мм).

22.jpg

23.jpg

Рисунок 5 - Генерация пострезекционного дефекта в  бедренной кости

Рисунок 6 - Распределение эквивалентных напряжений в окрестности дефекта (размер конечного элемента 0,1 мм)


4. Меры поврежденности

· Опасный объем 24.jpg (объем материала с критическим уровнем в нем напряжений); определен из условия 25.jpg.

· В соответствии с критерием Коломбо- Мора (Coulomb-Mohr, CM)

26.jpg,

27.jpg- главные напряжения; 28.jpg- предел прочности кортикальной кости на сжатие; 29.jpg- предел прочности кортикальной костной ткани на растяжение.

· Абсолютная 30.jpg и относительная поврежденности 31.jpg:

32.jpg, 33.jpg.

· Эквивалентные напряжения и меры поврежденности для различных размеров конечного элемента у концентратора при локализации пострезекционного дефекта в средней трети (линейный и угловой размеры дефекта 34.jpg и 35.jpg)

Размер конечного элемента у концентратора

0,7 мм

0,5 мм

0,3 мм

0,1 мм

36.jpg, МПа

182

273

288

451

24.jpg, 38.jpgм3

2,4515

2,1786

2,5189

2,3269

30.jpg, 38.jpg м3

2,4358

2,9133

3,2563

3,3660

31.jpg

1,3792

1,5708

1,6143

1,6606


Различные разбиения в окрестности концентратора

0,1 мм

42.jpg

0,1 мм

43.jpg

0,5 мм

44.jpg

0,7 мм

45.jpg

5.  Качественный анализ поврежденностей

А

46.jpg

В

47.jpg

С

48.jpg

D

49.jpg

Рисунок 7 - Распределение эквивалентных напряжений в окрестности дефекта с учетом удаленных конечных элементов (верхняя треть бедра, внешняя сторона, 2Pi, 3d): А - на пятом шаге расчета; В - на десятом шаге расчета; С- на двадцатом шаге расчета; D- на тридцатом шаге расчета


A

50.jpg

B

51.jpg

C

52.jpg

Рисунок 10 - Распределение эквивалентных напряжений в окрестности дефекта с учетом удаленных конечных элементов (верхняя треть бедра, внешняя сторона, 2Pi, 2d): А - общий вид дефекта; В - визуализвция распространения трещины в верхнем левом угле дефекта; С- визуализвция распространения трещины в нижнем левом угле дефекта


Таблица 1. Рекомендации по предупреждению патологического перелома при локализации пострезекционного дефекта в средней трети с внешней стороны кости

90?

длина выреза

Максимальные эквивалентные напряжения

Величина опасного объема

Абсолютная поврежденность

относительная поврежденность

Рекомендация

1d

49,498

0

0

0

разгрузочный режим

2d

41,955

0

0

0

разгрузочный режим

3d

41,274

0

0

0

разгрузочный режим

4d

41,791

0

0

0

разгрузочный режим

120?

длина выреза

Максимальные эквивалентные напряжения

Величина опасного объема

Абсолютная поврежденность

относительная поврежденность

1d

67,862

0

0

0

разгрузочный режим

2d

68,782

0

0

0

разгрузочный режим

3d

70,653

0

0

0

разгрузочный режим

4d

69,908

0

0

0

разгрузочный режим

180?

длина выреза

Максимальные эквивалентные напряжения

Величина опасного объема (мм.куб)

Абсолютная поврежденность

относительная поврежденность

1d

112,8

0

0

0

разгрузочный режим

2d

112,86

25,1886

28,043

1,1133

Иммобилизация

3d

112,38

37,9368

44,659

1,1772

Иммобилизация

4d

112,24

49,2247

51,41

1,0444

Иммобилизация

240?

длина выреза

Максимальные эквивалентные напряжения

Величина опасного объема

Абсолютная поврежденность

относительная поврежденность

1d

187,097

23,4318

24,432

1,0427

Иммобилизация

2d

187,988

31,009

33,0867

1,0670

Иммобилизация

3d

188,024

61,875

67,093

1,0843

Иммобилизация

4d

189,112

87,098

92,91

1,0667

Иммобилизация

270?

длина выреза

Максимальные эквивалентные напряжения

Величина опасного объема

Абсолютная поврежденность

относительная поврежденность

1d

258,36

51,98

55,409

1,0660

Иммобилизация

2d

255,14

55,43

60,076

1,0838

Иммобилизация

3d

254,81

65,452

67,643

1,0335

Иммобилизация

4d

257,05

90,654

96,53

1,0648

Иммобилизация


Таблица 2. Рекомендации по предупреждению патологического перелома при локализации пострезекционного дефекта в средней трети с внутренней стороны кости

90?

длина выреза

Максимальные эквивалентные напряжения

Величина опасного объема

Абсолютная поврежденность

относительная поврежденность

Рекомендация

1d

53,035

0

0

0

разгрузочный режим

2d

60,609

0

0

0

разгрузочный режим

3d

65,649

0

0

0

разгрузочный режим

4d

72,657

0

0

0

разгрузочный режим

120?

длина выреза

Максимальные эквивалентные напряжения

Величина опасного объема

Абсолютная поврежденность

относительная поврежденность

1d

86,764

0

0

0

разгрузочный режим

2d

97,704

0

0

0

разгрузочный режим

3d

99,085

0

0

0

разгрузочный режим

4d

115,543

0

0

0

разгрузочный режим

180?

длина выреза

Максимальные эквивалентные напряжения

Величина опасного объема (мм.куб)

Абсолютная поврежденность

относительная поврежденность

1d

148,98

0

0

0

разгрузочный режим

2d

155,65

0

0

0

разгрузочный режим

3d

172,74

65,53

69,76

1,0646

Армирование

4d

253,64

45,455

62,43

1,3734

Иммобилизация

240?

длина выреза

Максимальные эквивалентные напряжения

Величина опасного объема

Абсолютная поврежденность

относительная поврежденность

1d

231,097

34,456

37,55

1,0898

Армирование

2d

242,335

54,311

55,653

1,0247

Армирование

3d

269,055

66,54

73,32

1,1019

Иммобилизация

4d

301,343

76,64

81,23

1,0599

Иммобилизация

270?

длина выреза

Максимальные эквивалентные напряжения

Величина опасного объема

Абсолютная поврежденность

относительная поврежденность

1d

402,42

32,331

33,321

1,0306

Армирование

2d

428,82

56,009

57,653

1,0294

Иммобилизация

3d

476,93

76,453

82,211

1,0753

Иммобилизация

4d

728,79

65,11

66,55

1,0222

Иммобилизация


Статистика послеоперационных осложнений (Республиканский научно-практический центр травматологии и ортопедии)

ФИО

Диагноз

Локализация

Размер

примечание

Линейный

(в ø кости)

Угловой

Федотова Ю.В.

хондрома

в/3 бедра

2

1/3

Грапов А.Г.

АКК

в/3 бедра

3,5

1/3

иммобилизация

Коржов А.И.

СКК

в/3 бедра

3

1/3

Галынкин В.Н.

ОО

с/3 бедра

1,5

1/3-1/2

перелом

Запорожец А.П.

ФКД

н/3 бедра

2

1/3-1/2

перелом

Малевич Н.В.

ФКД

н/3 бедра

0,7

1/6

Ивашкевич А.В.

ФД

н/3 бедра

3

1/2

Превентивный остеосинтез

Сачук А.С.

АКК

в/3 бедра

4

2/3

Гипс

КНО

Остеомиелит

с/3 бедро

1

½

перелом

Музыко А.С.

АКК

в/3 плеча

2,5

½

6. Заключение

На основании анализа полученных результатов расчетов можно сформулировать следующие рекомендации по предупреждению патологического перелома:

1. Разгрузочный режим (при отсутствии опасных объемов, 53.jpg).

2. Армирование (на первом шаге нагружения возникают опасные объемы54.jpg,при удалении элементов с опасными объемами на определенном шаге конечно-элементного расчета происходит такое уменьшение эквивалентных напряжений, что становится 53.jpg).

3. Иммобилизация (области конечных элементов с опасными объемами и концентраторов дефекта смыкаются, на всех шагах расчета 54.jpg)


Информация о реферате «Анализ прочности трубчатых костей после секторальной резекции»
Раздел: Медицина, здоровье
Количество знаков с пробелами: 12214
Количество таблиц: 10
Количество изображений: 21

0 комментариев


Наверх