УДК: 612.76+616.727.2-001-008.63

АНАЛІЗ ЗМІ­Н НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ В СУГЛОБОВІЙ ГУБІ ЛОПАТКИ В УМОВАХ РІЗНИХ ТИПІВ ЇЇ ПОШКОДЖЕННЯ

Лазарев І.А., Страфун С.С., Ломко В.М., Скибан М.В.

ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України»

Вступ. Під час артроскопічного втручання з приводу ушкоджень суглобової губи плечового суглоба, досить часто спостерігається ушкодження задньої порції губи різного типу. Подібні механіч­ні ушкодження є однією з причин розвитку задньої нестабільності плечового суглоба. В такій ситуації хірург повинен визначитись стосовно тактики лікування. Можливі варіанти хірургічних маніпуляцій зале­жать від багатьох факторів, головним з яких, є тип ушкод­ження суглобової губи. Поєднання цих важливих факторів обумовлює терміни функціонування структур плечового суглоба та його стабільність в умовах повсякденного наван­таження. Неврахування їх призводить до досить швидкого розвитку та прогресування дегенеративних змін у плечовому суглобі та розвитку реалізованої задньої нестабільності. В умовах поєднаного ушкодження головки та губи, тактика хірурга націлена, передусім, на усу­нення біомеханічного дисбалансу в порожни­ні суглоба і полягає в фіксації ушкодженої частини губи, та відновлення суглобової поверхні плечової кістки. Так, край дефекту ушкодженої губи, являє собою місця концентрації локальних на­пружень і деформацій за рахунок зменшення кон­тактної зони та збільшення середнього контакт­ного зусилля.

Величини напруження на голівці плеча та суглобовій губі збільшуються в залежності від типу дефекту губи.

Наявність пошкоджень в  суглобовій губі гленоїдальної западини, збільшує на­пруження на структурах плечового суглоба. В залежності від типу пошкодження губи  в умовах рухів в плечовому суглобі та при навантаженні, рівень напруження на суглобовий хрящ значно збільшується, що призводить до швидкого прогресу­вання дегенеративних змін в плечовому суглобі, артрозу та реалізації задньої нестабільності плеча. Така ситуація націлює хірурга на визначення тактики оперативного втручання, спрямованої на розвантаження ушкодженої ділянки.

Мета дослідження — вивчення клінічно значимих ушкоджень суглобової губи лопатки на основі біомеханічного аналізу змі­н напружено-деформованого стану (НДС) контактних поверхонь плечового суглоба та обґрунтування тактики лікування цих ушкоджень.

Матеріали та методи

На основі СКТ сканів інтактного плечевого суглобу, за допомогою програмного пакету Mimics в автоматичному та напівавтоматичному режимах відтворена просторова геометрія плечового суглоба (ПС) (Рис.1). Засобами SolidWorks створені імітаційні комп’ютерні 3D-моделі інтактного плечевого суглобу та з різними типами ушкодження суглобової губи (Рис.2).

Рис.1 Відтворення просторової геометрії моделі ПС

Для розрахунків застосовували імітаційні моделі інтактного ПС (Рис. 2 а) та з відслоюванням ділянки суглобової губи у задньому відділі ПС (І тип) (Рис. 2 б), з відслоюванням ділянки суглобової губи та її розривом (ІІ тип) (Рис. 2 в), з розривом суглобової губи без її відслоювання (ІІІ тип) (Рис. 2 г).

Рис. 2. Імітаційні моделі інтактного ПС (а),  плечевого суглобу з І типом (б), ІІ типом (в) та ІІІ типом (г) ушкодження суглобової губи

Фізико-механічни властивості біологічних тканин, що застосовувались у моделях, отримані з літературних джерел наведені у таблиці 1.

Таблиця 1.

Фізико-механічни характеристики біологічних тканин

плечевого суглоба

При розрахунках розглянутої біомеханічної системи методом скінченних елементів були прийняті наступні основні гіпотези і припущення:

– всі матеріали вважали однорідними та ізотропними з відомими фізико-механічними характеристиками (Табл. 1);

– завдання статичного аналізу вирішувалося в фізично і геометрично лінійній постановці, при цьому розглядали малі деформації і переміщення, в силу чого підтверджувався закон Гука для опису поведінки матеріалу.

Розрахункова модель плечового суглобу представлена на рисунку 3. Модель закріплювали по всій поверхні лопатки та прикладали силу 55Н на плечеву кістку, направлену в центр суглобової западини.

Підготовлена засобами SolidWorks твердотільна модель експортована у програмне середовище ANSYS, де створена скінченно-елементна модель (Рис.4), яка налічувала 196 540 вузлів та  94 101  елементів. При цьому переважали тетраедричні елементи з квадратичною апроксимацією функцій. В зонах контакту та в деяких визначених місцях, з метою підвищення точності розрахунків, скінченно-елементна сітка була ущільнена і середній розмір скінченого елементу становив не більше 1 мм. Аналіз НДС проводили. Аналіз результатів розрахунків НДС проводили на основних елементах моделі плече-лопаткового суглобу (суглобова западина лопатки та голівка плечової кістки) за показниками напружень за Мізисом та деформацій, в залежності від типу пошкодження суглобової губи, при різних значеннях кута відведення та ротації плечової кістки (нейтральне, відведення верхньої кінцівки 0°-60°, внутрішня ротація 0°-40° та  комбінація цих рухів).

Для зручності сприйняття результатів аналізу НДС на структурах суглобової западини лопатки, ці елементи моделі у подальшому розташовані у положенні, як показано на рисунку 5.

Результати дослідження

За результатами розрахунківбуло встановлено, що в залежності від типу ушкодження губи та при зміні положення кінцівки, розподіл напружень суттєво змінюється (Табл. 2). Так, максимальні показники напружень для інтактного суглоба при нейтральному положенні не перевищують 1,47 МРа (суглобова губа) і зосередженні на поверхні западини та головки рівномірно. Показники максимальних деформацій не перевищують 0,86 мм і в основному зосереджені на суглобовій губі, яка є більш еластичною (Рис. 6а). Показники НДС інтактної моделі прийняті як референтні для подальшого порівняльного аналізу.

У випадку пошкодження I типу при нейтральному положенні, максимальні показники напружень сягають значень 12,62 МРа в зоні пошкодження суглобової губи, максимальні деформації збільшуються до значень 7.52 мм і також зосереджені в зоні пошкодження суглобової губи (Рис. 6б). При пошкодженнях II типу максимальні показники напружень значно зростають до значень 45,36 МРа в зоні пошкодження суглобової губи, деформації також значно збільшуються, сягаючи значень 27,04 мм (Рис. 6в).

При пошкодженні суглобової губи III типу максимальні показники напружень менші ніж значення при пошкодженнях I та II типів – 4,68 МРа, з локалізацією в ділянці, яка примикає до зони пошкодження. Спостерігається зміщення максимальних деформацій у передньо-верхню ділянку суглобової губи з показниками 1,28 мм, хоча у власне  зоні розриву суглобової губи, показники не перевищують значень 0,41 мм (Рис. 6г).

При здійсненні найбільш типових рухів в плечовому суглобі (відведення та ротація) показники напружень та деформацій значно зростають. Так при внутрішній ротації верхньої кінцівки до 40°, напруження в інтактному суглобі  не перевищують 2.90МРа, а деформації – 1.28 мм (Рис. 7а). При пошкодженні суглобової губи І типу показники напружень зростають незначно – 4,68 МРа, а деформації  зростають у 2 рази, сягаючи значень 2,53 мм (Рис. 7б). При пошкодженні II типу, показники НДС зростають у більше ніж у 6 разів і складають 17.95 МРа та 10.67 мм відповідно (Рис. 7в), тоді як при III типі – зовсім не відрізняються від данних, які зафіксовані в інтактному суглобі (Рис. 7г).

При відведенні верхньої кінцівки до 60° напруження та деформації на дослідній ділянці губи в інтактному суглобі складає 3,97МРа та 1,89мм, тоді як при пошкодженні II – го типу збільшуються у 20 разів й сягають 82.57 МРа та 49,10 мм. (Рис.8)

Великі значення показників деформацій в зоні пошкодження суглобової губи демонструють подальше руйнування тканин цієї ділянки.

Найбільші напруження на суглобових структурах виникає при пошкодженнях І-го та II-го типів, тоді як при ушкодженнях III-го типу показники майже не відрізняються від показників в інтактному суглобі.

Напруження та деформація збільшується й при пошкодженні I – го типу в 6 разів, тоді як при III – му типі майже не відрізняється від інтактного суглоба та переміщується у передні відділи. (Рис.8) відведення 60°.

Максимальні показники напружень та деформації були виявленні при відведенні до 60° та внутрішній ротації 40° в плечовому суглобі при пошкодженні II – го типу та склали 101.68МРа і 60,77 мм (Рис.9), данні які зафіксували при I – му типі, також були значні 29.87 МРа та 17,87мм., III – й тип, традиційно майже не відрізнявся від інтактного суглоба 6.43 МРа та 3,31 мм.

Таблиця 2.

 Зміни напружено деформованого стану суглобової губи лопатки в інтактному суглобі та при 3 типах пошкодження губи у різних положеннях плечового суставу

Положення кінцівки	Інтактна модель	I тип ушкодження	II тип  ушкодження	III тип  ушкодження
	напруження (σ,Мра)	деформації (ε,мм)	напруження (σ,Мра)	деформації (ε,мм)	напруження (σ,Мра)	деформації (ε,мм)	напруження (σ,Мра)	деформації (ε,мм)
Губа	Голів ка	Губа	Голів ка	Губа	Голів ка	Губа	Голів ка	Губа	Голів ка	Губа	Голів ка	Губа	Голів ка	Губа	Голівка
нейтральне положення	1.47	1.51	0.86	2.61	12.62	1.84	7.52	2.98	45.36	4.0	27.04	8.24	4.68	2.28	1.28	3.6
20º внутрішньої ротації	3.76	2.39	1.28	4.22	5.11	3.44	2.72	5.93	13.96	5.34	8.35	10.40	3.76	5.24	1.28	10.14
відведення 40ºвнутрішня ротація 40º	5,03	2,23	2,96	3,61	27.76	3.24	16.63	5.46	94.82	4.03	56.73	6.77	5,89	2,99	3,17	4,75
відведення 60ºвнутрішня ротація 20º	5,22	2,83	3.07	6.32	27.93	3.52	16.98	7.87	95.31	4.12	56.91	9.22	5.86	3.09	3.07	6.91
відведення 60ºвнутрішня ротація 40º	5,62	3,92	3,31	6,31	29.87	4.83	17.87	7.83	101.68	5.61	60.77	9.15	6.43	4.21	3.31	6.86

Рис.12. Ділянки концентрації напружень на поверхні суглобового хряща голівки плечової кістки

Рис. 13. Порівняльний аналіз показників НДС голівки плечової кістки

Значимі зміни показників НДС на суглобовому хрящі голівки плечової кістки спостерігались при пошкодженні суглобової губи І типу у положенні відведення кінцівки до кута 60º та внутрішньої ротації 40º, при пошкодженні суглобової губи ІІ типу – в усіх положеннях відведення та ротації кінцівки, при пошкодженні суглобової губи ІІІ типу – у положенні   внутрішньої ротації 20º. Зростання показників НДС відбувалось переважно за рахунок збільшення значень деформацій на суглобовому хрящі голівки плечової кістки. Навантаження на передньо-медіальну поверхню голівки в положенні відведення 20° при III типі пошкодження зростає майже у 2,5 рази (Рис.11). Це найбільше навантаження на суглобовий хрящ головки при усіх положеннях кінцівки які досліджувалися.  Ділянки концентрації контактних напружень на поверхні суглобового хряща голівки плечової кістки представлені на рисунку 12.

Заключення

Усі типи пошкодження суглобової губи при різних положеннях кінцівки у плечовому суглобі призводять до значного збільшення показників напружень та деформацій в контактній зоні.

У  нейтральному положенні кінцівки пошкодження суглобової губи І типу викликає збільшення напружень на губі – у 8 разів, пошкодження ІІ типу – збільшення напружень у 30 разів,  ІІІ типу – у 3 рази, у порівнянні з інтактною моделлю.

У положенні відведення кінцівки до кута 60º та внутрішнєю ротацією 40º  пошкодження суглобової губи І типу викликає збільшення напружень на губі – у 5 разів, пошкодження ІІ типу – збільшення напружень у 18 разів,  ІІІ типу – на 14%, у порівнянні з інтактною моделлю.

Максимальні значення НДС на елементах плечового суглоба (суглобова губа, голівка плечової кістки) спостерігаються у положенні відведення кінцівки до 60º та внутрішній ротації 40º, вищі, ніж у нейтральному положенні кінцівки. В умовах пошкодження суглобової губи ІІ типу спостерігається екстремальне зростання показників напружень в усіх положеннях у плечовому суглобі, як на самій суглобовій губі (у 30 разів), так і на голівки плечової кістки (у 2,7 рази). Із збільшенням кута відведення та внутрішньої ротації у суглобі значення НДС на самій суглобовій губі значно збільшуються (у 18 разів), сягаючи значень напружень 101,68 МРа та деформацій 60.77мм у положенні відведення кінцівки до 60º та внутрішній ротації 40º. Зростають показники НДС і на голівки плечової кістки (у 1,4 рази).

Менше зростання  НДС на елементах плечового суглоба спостерігається в умовах пошкодження суглобової губи І типу (. 

Висновки

1. Показники (НДС) на суглобовій губі лопатки при I типі пошкодження в 5 разів перевищують, показники інтактного суглоба (5.62МРа та 3,31мм проти 29.87МРа та 17.87мм). Це призводить до подальшого руйнування статичних стабілізаторів суглоба та розвиток пошкодження II – го типу.
2. Таким чином виявлено, що показники напруження та деформації на суглобовій губі лопатки зростають у десятки разів при II – му типі пошкодження при найбільш типових рухах кінцівки, що веде до подальшого руйнування структур плечового суглоба та реалізації задньої нестабільності плеча.
3. При пошкодженнях суглобової губи III – го типу показники (НДС) в порівнянні з інтактним суглобом хоча й дещо вищі при деяких положеннях кінцівки, але майже не змінюються. 
4. Рухи у плечовому суглобі, а також збільшення навантаження на верхню кінцівку в умовах пошкодження суглобової губи може спричиняти збільшення показників НДС, що прискорить подальшу руйнацію елементів суглобової губи та поверхні хряща в зоні контакту з розвитком явищ артрозу.
5. Зростання навантаження на передньо-медіальну поверхню голівки плечової кістки з концентрацією напружень на суглобовий хрящ є фактором розвитку артрозу, а при реалізації задньої нестабільності може призводити до утворення зворотного дефекту Хілл – Сакса.

Література

1. Anglin, C., Tolhurst, P., Wyss, U.P., Oichora, D.R., 1999. Glenoid cancellous bone strength and modulus. Journal of Bioemechanics 32, 1091-1097.)
2. Carey, J., Small, C.F., Pichora, D.R., 2000. In situ compressive properties of the glenoid labrum. Journal of Biomedical Materials Research 51, 711-716.
3. Carpenter, J.E., Wening, J.D., Mell, A.G., Langenderfer, J.E., Kuhn, J.E., Hughes, R.E., 2005. Changes in the long head of the biceps tendon in rotator cuff tear shoulders. Clinical Biomechanics (Bristol, Avon) 20, 162-165.
4. Clavert, P., Zerah, M., Krier, J., Mille, P., Kempf, J.F., Kahn, J.L., 2006. Finite element analysis of the strain distribution in the humeral head tubercles during abduction: comparison of young and osteoporotic bone. Surgical and Radiologic Anatomy 28, 581–587.
5. Ellis, B.J., Debski, R.E., Moore, S.M., McMahon, P.J., Weiss, J.A., 2007. Methodology and sensitivity studies for finite element modeling of the inferior glenohumeral ligament complex. Journal of Biomechanics 40, 603-612.
6. Gatti, C.J., Maratt, J.D., Palmer, M.L., Hughes, R.E., Carpenter, J.E., 2010. Development and validation of a finite element model of the superior glenoid labrum. Annals of Biomedical Engineering 38, 3766-3776.
7. Huang, C.Y., Stankiewicz, A., Ateshian, G.A., Mow, V.C., 2005. Anisotropy, inhomogeneity, and tension-compression nonlinearity of human glenohumeral cartilage in finite deformation. Journal of Biomechanics 38, 799-809.
8. Smith, C.D., Masouros, S.D., Hill, A.M., Wallace, A.L., Amis, A.A., Bull, A.M., 2008. Tensile properties of the human glenoid labrum. Journal of Anatomy 212, 49-54.

АНАЛІЗ ЗМІ­Н НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ В СУГЛОБОВІЙ ГУБІ ЛОПАТКИ В УМОВАХ РІЗНИХ ТИПІВ ЇЇ ПОШКОДЖЕННЯ

Лазарев І.А., Страфун С.С., Ломко В.М., Скибан М.В.

ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України»

Ключові слова: плечовий суглоб, суглобова губа лопатки, задня нестабільність , кінцево-елементне моделювання, напруження і деформації.

Резюме. Пошкодження суглобової губи лопатки є досить розповсюдженою проблемою в плечовому суглобі. Наявність цієї патології в ділянці задньої порції суглобової губи та в залежності від типу її ушкодження, значно збільшує  показники напружень на суглобовий хрящ, що веде до розвитку та прогресу­вання дегенеративних змін в плечовому суглобі, прискорення артрозу та реалізації задньої нестабільності плеча. Така ситуація, націлює хірурга на визначення тактики оперативного втручання, спрямованої на розвантаження ушкодженої ділянки та усунення біомеханічного дисбалансу.

Мета дослідження — вивчення клінічно значимих ушкоджень суглобової губи лопатки в залежності від типу її пошкодження на основі біомеханічного аналізу змі­н напружено-деформованого стану (НДС) контактних поверхонь плечового суглоба та обґрунтування тактики лікування цих ушкоджень.

Матеріали та методи. Розрахунки напружено-деформованого стану елементів плечового суглоба методом скінченних елементів були проведені на основі СКТ сканів інтактного плечевого суглобу, за допомогою програмного пакету Mimics в автоматичному та напівавтоматичному режимах, відтворена просторова геометрія плечового суглоба. Засобами SolidWorks створені імітаційні комп’ютерні 3D-моделі, інтактного плечевого суглобу та з трьома типами ушкодження суглобової губи. Вивчали НДС на структурах плечового суглоба  при різних значеннях кута відведення та ротації плечової кістки (нейтральне, відведення верхньої кінцівки 0°20°-40°-60°, внутрішня ротація 0°-20°-40° та  комбінація цих рухів). Критеріями оцінки напружено-деформованого стану були напруження за Мізисом, контактні напруження та максимальні деформації.

Результати. Усі типи пошкодження суглобової губи при різних положеннях кінцівки у плечовому суглобі призводять до значного збільшення показників напружень та деформацій в контактній зоні. У  нейтральному положенні кінцівки пошкодження суглобової губи І типу викликає збільшення напружень на губі – у 8 разів, пошкодження ІІ типу – збільшення напружень у 30 разів,  ІІІ типу – у 3 рази, у порівнянні з інтактною моделлю. У положенні відведення кінцівки до кута 60º та внутрішнєю ротацією 40º  пошкодження суглобової губи І типу викликає збільшення напружень на губі – у 5 разів, пошкодження ІІ типу – збільшення напружень у 18 разів,  ІІІ типу – на 14%, у порівнянні з інтактною моделлю. Максимальні значення НДС на елементах плечового суглоба (суглобова губа, голівка плечової кістки) спостерігаються у положенні відведення кінцівки до 60º та внутрішній ротації 40º, вищі, ніж у нейтральному положенні кінцівки. В умовах пошкодження суглобової губи ІІ типу спостерігається екстремальне зростання показників напружень в усіх положеннях у плечовому суглобі, як на самій суглобовій губі (у 30 разів), так і на голівки плечової кістки (у 2,7 рази). Із збільшенням кута відведення та внутрішньої ротації у суглобі, значення НДС на самій суглобовій губі значно збільшуються (у 18 разів), сягаючи значень напружень 101,68 МРа та деформацій 60.77мм у положенні відведення кінцівки до 60º та внутрішній ротації 40º. Зростають показники НДС і на голівки плечової кістки (у 1,4 рази).

Заключення. За даними дослідження наявність пошкодження задньої порції суглобової губи лопатки, порушує нормальну біомеханіку рухів в плечовому суглобі та призводить до перерозподілу навантажень та сприяє руйнування структур плечового суглоба, розвитку артрозу, а при реалізації задньої нестабільності до утворення зворотнього дефекту Хілл – Сакса. Показники (НДС) на суглобовій губі лопатки при I типі пошкодження в 5 разів перевищують, показники інтактного суглоба (5.62МРа та 3,31мм проти 29.87МРа та 17.87мм). Це призводить до подальшого руйнування статичних стабілізаторів суглоба та розвиток пошкодження II – го типу. Найбільш небезпечне, виявилось, пошкодження II – го типу, при якому, спостерігається екстремальне зростання показників напружень в усіх положеннях у плечовому суглобі, як на самій суглобовій губі, так і на голівки плечової кістки, що потребує обов’язкової фіксації губи. При пошкодженнях суглобової губи III – го типу показники (НДС) в порівнянні з інтактним суглобом хоча й дещо вищі при деяких положеннях кінцівки, але майже не змінюються. 

Виявлено, що найбільший дисбаланс стабілізуючих структур плечового суглоба виникає при відшаруванні суглобової губи та стає критичним при комбінації її з розривом, тоді як сам пособі розрив не призводить до критичних змін напруження та деформації на структурах плечового суглоба.

 Доцільно проводити фіксацію відшарованої ділянки суглобової губи при виявленні цієї патології при артроскопічному втручанні, це дозволить збалансувати напруження та деформації на структурах плечового суглоба при здійсненні найбільш типових рухів. Ця процедура дозволить уникнути ранного розвитку артроза та задньої нестабільності плечового суглоба. Також доцільно проводити артроскопічне дослідження суглоба при закритому вправленні заднього звиху плеча.

Матерьял взят з дисертаційної роботи «Діагностика та лікування задньої нестабільності в плечовому суглобі» Ломко В.М. Страфун С.С.