Известия Саратовского университета. Новая серия.

Серия Математика. Механика. Информатика

ISSN 1816-9791 (Print)
ISSN 2541-9005 (Online)

Для цитирования:

Полиенко А. В., Иванов Д. В., Киреев С. И., Бессонов Л. В., Мулдашева А. М., Оленко Е. С. Численный анализ напряженно-деформированного состояния остеотомий первой плюсневой кости // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2023. Т. 23, вып. 4. С. 496-511. DOI: 10.18500/1816-9791-2023-23-4-496-511, EDN: OZSOKF

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.11.2023
Полный текст:
скачать
(downloads: 621)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Механика
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
531/534:[57+61]
DOI: 
10.18500/1816-9791-2023-23-4-496-511
EDN: 
OZSOKF

Численный анализ напряженно-деформированного состояния остеотомий первой плюсневой кости

Авторы: 
Полиенко Асель Валерьевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Иванов Дмитрий Валерьевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Киреев Сергей Иванович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Бессонов Леонид Валентинович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Мулдашева Алина Мирболатовна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Оленко Елена Сергеевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Отклонение первого пальца стопы кнаружи, взаимосвязанное с отклонением первой плюсневой кости кнутри, встречается у 46% пациентов старшей возрастной группы и называется вальгусной деформацией первого пальца стопы. Негативное влияние данной патологии на качество жизни пациентов является причиной обращения за медицинской помощью, золотым стандартом оказания которой считается хирургическая коррекция, а базисной хирургической техникой служит остеотомия (распиливание кости и фиксация ее фрагментов имплантатами) первой плюсневой кости. При этом идеальная остеотомия должна обеспечивать первоначальную стабильность в раннем послеоперационном периоде. Однако большое число способов выполнения остеотомии, а также преимущества и недостатки каждого из хирургических приемов не позволяют считать какой-то из них наиболее успешным. В этой связи цель работы состояла в разработке и валидации биомеханической модели остеотомии первой плюсневой кости для анализа ее стабильности и надежности в зависимости от типа остеотомии, степени смещения фрагментов кости, а также количества скрепляющих винтов. В данном исследовании проведено биомеханическое моделирование наиболее часто используемых вариантов остеотомии первой плюсневой кости стопы при хирургическом лечении ее вальгусной деформации. С этой целью было создано 10 моделей остеотомий отдельной первой плюсневой кости, которые затем были подвергнуты статическому нагружению для анализа их напряженно-деформированного состояния и оценки их успешности. Выявлены успешные (стабильные и надежные) варианты лечения, а также неуспешные. Неуспешными приняты два из десяти рассмотренных вариантов — остеотомии типа scarf со смещением фрагментов кости на 2/3 ее диаметра и закрепленными одним винтом. Выявлено, что остеотомии типа сhevron показали более высокую стабильность в сравнении со scarf-остеотомиями. В  данном исследовании впервые проведены численные эксперименты для сравнительного анализа стабильности и прочности наиболее часто используемых вариантов остеотомий на базе модели одной кости. Разработана и валидирована на основе натурных экспериментов биомеханическая модель scarf-остеотомии первой плюсневой кости.

Ключевые слова: 
биомеханика
плюсневая кость
вальгусная деформация
МКЭ
напряжения по Мизесу
валидация численной модели
Благодарности: 
Работа выполнена в рамках государственного задания № FSRR-2023-0009.
Список источников: 
  1. Nix S., Smith M., Vicenzino B. Prevalence of hallux valgus in the general population: A systematic review and meta-analysis // Journal of Foot and Ankle Research. 2010. Vol. 27, iss. 3. P. 21. https://doi.org/10.1186/1757-1146-3-21
  2. Ray J. J., Friedmann A. J., Hanselman A. E., Vaida J., Dayton P. D., Hatch D. J., Smith B., Santrock R. D. Hallux Valgus // Foot & Ankle Orthopaedics. 2019. Vol. 4, iss. 2. Art. 2473011419838500. https://doi.org/10.1177/2473011419838500
  3. Sammarco V. J., Acevedo J. Stability and fixation techniques in first metatarsal osteotomies // Foot and Ankle Clinics. 2001. Vol. 6, iss. 3. P. 409–432. https://doi.org/10.1016/S1083-7515(03)00105-0
  4. Unal M., Baran O., Uzun B., Turan A.T. Comparison of screw-fixation stabilities of first metatarsal shaft osteotomies: A biomechanical study // Acta Orthopaedica et Traumatologica Turcica. 2010. Vol. 44, iss. 1. P. 70–75. https://doi.org/10.3944/AOTT.2010.2209
  5. Matzaroglou C., Bougas P., Panagiotopoulos E., Saridis A., Karanikolas M., Kouzoudis D. Ninety-degree chevron osteotomy for correction of hallux valgus deformity: Clinical data and finite element analysis // The Open Orthopaedics Journal. 2010. Vol. 4. P. 152–156. https://doi.org/10.2174/1874325001004010152
  6. Голядкина А. А., Полиенко А. В., Киреев С. И., Курманов А. Г., Киреев В. С. Анализ биомеханических параметров остеотомии первой плюсневой кости // Российский журнал биомеханики. 2019. Т. 23, № 3. С. 400–410. https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2019.3.06
  7. Li Y., Wang Y., Tang K., Tao X. Modified scarf osteotomy for hallux valgus: From a finite element model to clinical results // Journal of Orthopaedic Surgery. 2022. Vol. 30, iss. 3. Art. 10225536221143816. https://doi.org/10.1177/10225536221143816
  8. Shih K. S., Hsu C. C., Huang G. T. Biomechanical Investigation of Hallux Valgus Deformity Treated with Different Osteotomy Methods and Kirschner Wire Fixation Strategies Using the Finite Element Method // Bioengineering (Basel). 2023. Vol. 10, iss. 4. Art. 499. https://doi.org/10.3390/bioengineering10040499
  9. Xie Q., Li X., Wang P. Three dimensional finite element analysis of biomechanics of osteotomy ends with three different fixation methods after hallux valgus minimally invasive osteotomy // Journal of Orthopaedic Surgery. 2023. Vol. 31, iss. 2. Art. 10225536231175235. https://doi.org/10.1177/10225536231175235
  10. Shin K. S., Hsu C. C., Lin T. W., Huang K. T., Hou Sh. M. Biomechanical evaluation of different hallux valgus treatment with plate fixations using single first metatarsal bone model and musculoskeletal lower extremity model // Journal of Biomechanical Science and Engineering. 2021. Vol. 16, iss. 2. P. 1–12. https://doi.org/10.1299/jbse.21-00073
  11. Guo J., Wang L., Mao R., Chang C., Wen J., Fan Y. Biomechanical evaluation of the first ray in pre-/post-operative hallux valgus: A comparative study // Clinical Biomechanics. 2018. Vol. 60. P. 1–8. https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2018.06.002
  12. Wong D. W., Wang Y., Chen T. L., Yan F., Peng Y., Tan Q., Ni M., Leung A. K., Zhang M. Finite element analysis of generalized ligament laxity on the deterioration of hallux valgus deformity (bunion) // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2020. Vol. 8. Art. 571192. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.571192
  13. Favre P., Farine M., Snedeker J. G., Maquieira G. J., Espinosa N. Biomechanical consequences of first metatarsal osteotomy in treating hallux valgus // Clinical Biomechanics. 2010. Vol. 25, iss. 7. P. 721–727. https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2010.05.002
  14. Коробейников С. Н. Нелинейное деформирование твердых тел. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2000. 262 с.
  15. Goldstein S. A. The mechanical properties of trabecular bone: Dependence on anatomic location and function // Journal of Biomechanics. 1987. Vol. 20, iss. 11–12. Р. 1055–1061. https://doi.org/10.1016/0021-9290(87)90023-6
  16. Titanium Alloys in Medical Applications // AZoM. 2023. URL: https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=1794 (дата обращения: 05.04.2023).
  17. Material Data Sheet // SLM solutions. Ti-Alloy Ti6Al4V ELI (Grade 23). URL: https://www.slm-solutions.com/fileadmin/Content/Powder/MDS/MDS_Ti-Alloy_... (дата обращения: 05.04.2023).
  18. Havaldar R., Pilli S. C., Putti B. B. Insights into the effects of tensile and compressive loadings on human femur bone // Advanced Biomedical Research. 2014. Vol. 3. Art. 110. https://doi.org/10.4103/2277-9175.129375
  19. Иванов Д. В. Биомеханическая поддержка решения врача при выборе варианта лечения на основе количественных критериев оценки успешности // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2022. Т. 22, вып. 1. С. 62–89. https://doi.org/10.18500/1816-9791-2022-22-1-62-89
  20. Ma Q., Liang X., Lu J. Chevron osteotomy versus scarf osteotomy for hallux valgus correction: A meta-analysis // Foot and Ankle Surgery. 2019. Vol. 25, iss. 6. P. 755–760. https://doi.org/10.1016/j.fas.2018.09.003
Поступила в редакцию: 
23.08.2023
Принята к публикации: 
28.09.2023
Опубликована: 
30.11.2023
  • 836 просмотров