СКІНЧЕННО-ЕЛЕМЕНТНЕ МОДЕЛЮВАННЯ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ЕЛЕМЕНТІВ КУЛЬШОВОГО СУГЛОБА В ЕКСПЛУАТАЦІЇ НА ОСНОВІ ДАНИХ КОМП’ЮТЕРНОЇ ТОМОГРАФІЇ

Анотація

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2026.01.073

Створення новітніх технологій ендопротезування кульшового суглоба людини, розробка сучасних конструкцій ендопротезів, зокрема ацетабулярних компонентів, удосконалення способів їх фіксації в системі “чашка – тазова кістка” та техніки виконання хірургічного втручання дають можливість повністю відновити функціонування кінцівок і повернути людині свободу руху без болю та дискомфорту, покращити якість життя людини, повернути їй працездатність. Сучасними тенденціями в ендопротезування кульшового суглоба є удосконалення існуючих та розробка нових конструкцій ендопротезів кульшового суглоба на основі результатів біомеханічних досліджень стабільності фіксації ацетабулярних компонентів, розвиток технологій створення індивідуального ендопротеза шляхом побудови віртуальних 3D моделей тазових кісток з використанням даних комп’ютерної томографії з метою поліпшення довготривалої експлуатаційної надійності ендопротеза кульшового суглоба. Актуальними проблемами прикладної біомеханіки, пов’язаними з ортопедією та травматологією, є математичне моделювання та аналіз поведінки різних конструкцій ацетабулярних компонентів ендопротеза кульшового суглоба в умовах травматичних дефектів вертлюжної западини. Метою досліджень, викладених в статті, є розробка на основі даних комп’ютерної томографії скінченно-елементної моделі для дослідження напружено-деформованого стану (НДС) елементів кульшового суглоба при експлуатаційних навантаженнях та детального аналізу контактної взаємодії головки стегнової кістки з вертлюжною западиною. В статті наведено розроблений алгоритм побудови з використанням даних комп’ютерної томографії геометричної моделі для дослідження міцності кульшового суглоба людини, а також розроблену за цим алгоритмом 3D геометричну модель, яка включає крижову кістку хребтового стовпа, клубову, сідничу, лобкову кістки, кульшову западину на бічній поверхні тазової кістки та головку стегнової кістки кульшового суглоба. На основі цієї геометричної моделі розроблено скінченно-елементну модель для дослідження НДС елементів кульшового суглоба та для детального аналізу контактної взаємодії головки стегнової кістки з вертлюжною западиною при експлуатаційних навантаженнях. Запропонована модель може бути використана при розробці скінченно-елементних моделей для дослідження напружено-деформованого стану елементів кульшового суглоба, що має дефекти вертлюжної западини, з ендопротезом при експлуатаційних навантаженнях, а також для порівняльного аналізу роботи кульшового суглоба та його ендопротеза при біомеханічній оцінці стабільності фіксації різних конструкцій ацетабулярних компонентів ендопротеза кульшового суглоба.

ПОСИЛАННЯ

1. Exploring Recent Trends and Innovations in Total Hip Arthroplasty. URL: https://orthospinenews.com/2025/06/23/exploring-recent-trends-and-innovations-in-total-hip-arthroplasty/ (дата звернення: 24.07.2025).

2. Ендопротезування кульшового суглоба (заміна кульшового суглоба). URL: https://medicalplaza.ua/uk/content/endoprotezirovanie-tazobedrennogo-sustava (дата звернення: 24.07.2025).

3. Эндопротез тазобедренного сустава – индивидуальный подбор модели и материала для пациента. URL: https://ortoped-klinik.com/orthopedic-services/osteoarthritis-of-the-hip/modeli-endoprotezov-tazobedren
nogo-sustava.html (дата звернення: 24.07.2025).

4. 3D Printing For Orthopedic Implant. URL: https://www.eplus3d.com/3d-printing-for-orthopedic-implant.html (дата звернення: 24.07.2025).

5. Hip joint endoprosthesis replacement. URL: https://kneeandpelvis.com/hip-arthroplasty/(дата звернення: 24.07.2025).

6. Лоскутов О. О. Диференційоване ендопротезування кульшового суглоба при диспластичному коксартрозі: дис. … д-ра мед. наук : затв. 24.12. 20. Київ, 2020.  387 с.

7. Сучасні погляди на ендопротезування. URL: https://www.vz.kiev.ua/suchasni-poglyadi-na-endoprotezuvannya/ (дата звернення: 24.07.2025).

8. Лоскутов О. Є., Олійник О. Є., Лоскутов О. О., Синєгубов Д. А. Розвиток національного ендопротезування суглобів (результати 30-річних досліджень). Трансплантація та штучні органи.  2021. № 2 (03).  C. 28–36.

9. Населення за показником індексу маси тіла та статтю. URL: https://ukrstat.gov.ua/gend_rivnist/metadata_gr/06/data/6.8.xls (дата звернення: 24.07.2025).

10. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975.  541 с.

11. Александров А. В., Потапов В. Д. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высшая школа, 1990. 400 с.

12. Каплун А. Б. Ansys в руках инженера : Практическое руководство. М.: Едиториал УРСС, 2003.  272 с.

13. Image Segmentation (3D Slicer’s documentation). URL: https://slicer.readthedocs.io/en/latest/
user_guide/image_segmenta tion.html (дата звернення: 24.07.2025).

14. MeshLab. References. URL: https://www.meshlab.net/#references (дата звернення: 24.07.2025).

15. Березовский В. А., Колотилов Н. Н. Биофизические характеристики тканей человека: К.: Наукова думка, 1990.  224 с.

16. Лазарев І. А., Костюк В. Ю., Дєдков А. Г., Скибан М. В. Біомеханічне комп’ютерне моделювання поведінки системи «кістка – фіксатор – ендопротез» при різних видах внутрішньої геміпельвектомії. Травма.  2018. Т. 19, № 6.  C. 28–36. https://doi.org/10.22141/1608-1706.6.19.2018.152218

17. Тяжелов А. А., Яресько А. В., Карпинский М. Ю., Федуличев П. Н., Гончарова Л. Д., Кузнецов А. А. Анализ напряженно-деформированного состояния крыла безымянной кости при использовании различных вариантов крепежного узла погружного аппарата для удлинения бедренной кости. Травма.  2013. Том 14, № 1. URL: http://www.mif-ua.com/archive/article/35436 (дата звернення: 24.07.2025).

18. Науменко Н. Ю., Лоскутов О. А., Горобець Д. В., Сирота С. А., Хрущ І. К. Розрахункові моделі для оцінки напружено-деформованого стану кісткової тканини при тотальному ендопротезуванні тазостегнового суглоба. Технічна механіка.  2014. № 1. С. 67–72. URL: https://journal-itm.dp.ua/docs//P-09-01-2014.pdf.

19. Науменко Н. Ю., Горобець Д. В., Лоскутов О. О., Сирота С. А. Чисельний аналіз напруг системи «кістка–імплантат» вертлужної западини тазостегнового суглоб. Технічна механіка. 2015.  № 1. С. 110– 115. URL: https://journal-itm.dp.ua/UKR/Publishing/12-01-2015_ukr.html (дата звернення: 30.07.2025).

20. Лоскутов А. Е., Красовский А. В., Олейник А. Е. и др. К методике определения модуля упругости спонгиозной костной ткани. Ортопедия, травматология и протезирование.  2000.  № 3. С. 28–31.

21. Омельченко Т. М., Бур’янов О. А., Лябах А. П., Мазевич В. Б., Шидловський М. С., Мусієнко О. С. Кореляція модуля пружності та рентгенологічної щільності кісткової тканини в зоні надп’ятково-гомілкового суглоба. /Ортопедия, травматология и протезирование.  2018.  № 3.  С. 80–84. https://doi.org/10.15674/0030-59872018380-84

22. Попсуйшапка К. О., Коверник О. В., Підгайська О. J., Карпінський М. Ю. Вивчення напружено-деформованого стану моделей заднього спондилодезу поперекового відділу хребта в разі нормальних показників сагітального балансу хребта і таза. Травма.  2023.  Т. 24, № 2. https://doi.org/10.22141/1608-1706.2.24.2023.939

23. Герасименко С. І., Полулях М. В., Тяжелов О. А., Яресько О. В., Полулях Д. М. Обґрунтування положення ацетабулярного компонента при ендопротезуванні кульшового суглоба у хворих із тяжким типом дисплазії. Вісник ортопедії, травматології та протезування. 2016.  № 1. С. 10–15.

24. Бондаренко С. Є. Ендопротезування в разі наслідків травм кульшової западини та проксимального відділу стегнової кістки : дис. … д-ра мед. наук : утв. 01.10.18. Харків, 2018. – 382 с. – 12345678988. – URL: https://sytenko.org.ua/wp-content/uploads/thesis/Bondarenko_SE_Thesis.pdf (дата звернення: 5.08.2025).

25. Björnsdóttir M. Influence of Muscle Forces on Stresses in the Human Femur. – Stockholm, 2014.  45 p. URL: https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:839895/FULLTEXT01.pdf (дата звернення: 30.07.2025).

26. Vidal-Lesso A., Ledesma-Orozco E., Daza-Benitez L., Lesso-Arroyo R. Mechanical Characterization of Femoral Car-tilage Under Unicompartimental Osteoarthritis. Ngenieria Mecanica Tecnologia Y Desarrollo.  2014.  4(6). P. 239–246.

27. Ma C., Du T., Niu X., Fan Yu. Biomechanics and mechanobiology of the bone matrix. Bone Research. 2022. № 10. 59 p. https://doi.org/10.1038/s41413-022-00223-y

28. Plagenhoef S., Evans F. G., Abdelnour T. Anatomical data for analyzing Hu7man Motion. Research Quarterly for Exercise and sport. 1983. V.54, No. 2.  P. 169–178. https://doi.org/10.1080/02701367.1983.10605290