Oszacowanie stabilizacji złamania trzonu kości udowej przez płytkę przykostną przy wykorzystaniu metody elementów skończonych

• Autorzy: Kozień M. S. , Lorkowski J. , Górka I. , Kornaga M. , Grzegorowska O. , Kotela A. , Kotela I.

Warianty tytułu

EN

Estimation of stabilization of femoral shaft fractures by paraosteal plate using finite element method

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Złamania kości długich mogą być leczone na kilka sposobów. Jednym z nich jest zastosowanie płytki przykostnej. Płytka zamocowywana do kości umożliwia przeprowadzenie leczenia, ale z drugiej strony jest źródłem powstawania dodatkowych naprężeń w obszarach gdzie jest ona przytwierdzona do kości za pomocą śrub. Wartości naprężeń zależą od rozmiaru płytki i śrub, miejsca zamocowań oraz obciążeń zewnętrznych działających na kość. Celem pracy było określenie przemieszczeń kości długiej stabilizowanej implantem przykostnym, szczególnie w rejonie złamania. Z uwagi na wykorzystaną metodę analizy przy okazji oszacowano wartości naprężeń występujących w kości. W oparciu o obrazy radiologiczne trzydziestu leczonych chorych, wykonano analizę obciążeń występujących w przypadku złamań o typie poprzecznym i skośnym. Uzyskano potwierdzenie biomechanicznej stabilności złamania przy stabilizacji nawet czasowej co najmniej sześcioma śrubami. Zwiększenie liczby śrub wpływa korzystnie na stabilizację, szczególnie w przypadku złamań skośnych. Liczba śrub jest jednak ograniczona z uwagi na możliwość zniszczenia struktury kości. Symulacja została przeprowadzona metodą elementów skończonych przy zastosowaniu pakietu komputerowego Ansys. Dla uproszczenia analiz oraz w celu przetestowania możliwości wykorzystania uproszczonego podejścia wykorzystany został model płaski. Możliwość zastosowania takiego modelu w analizach uproszczonych wynika z faktu, że najczęściej śruby mocujące płytkę do kości rozmieszczane są wzdłuż jednej linii w przybliżeniu równoległej do osi kości. Wyniki analiz wskazują, że model płaski wydaje się być wystarczająco dokładny do okołooperacyjnej oceny sposobu stabilizacji złamania, mając na uwadze krótki czas potrzebny do zbudowania modelu.

EN

Long bone fractures can be treated in several ways. One of them is using the paraosteal plate. The plate mounted to a bone enables the therapy process, but it can also be a source of extra stresses in the mounting regions. Values of stresses depend on the plates’ and screws’ dimensions, number of screws, the mounting place and external loads acting on the bone. The aim of this paper was to determine displacements of long bone stabilized by the paraosteal implant, especially in the fracture area. Due to applied method of analysis, the stresses value occurring in the bone were also estimated. Based on radiological images of thirty patients, an analysis of transverse and oblique fractures burthen was performed. The biomechanical fracture stabilization by even temporary stabilization with at least six screws was confirmed. Increasing the number of screws affects profitably the stabilization, especially in the case of oblique fractures. Number of screws is limited by possibility of damage of bone’s structure. The simulation was performed using a finite element method and application of the Ansys computer package. In order to simplify the analysis and to test the possibility of reduced attempt application, the plane model was applied. Possibility of application of such a model in simplified analyses is explained by the fact that usually the screws mounting plate to a bone are situated along one line parallel to the line of the bone axis. Results of the analysis show, that the plane model seems to be good enough to preoperative estimation of the way of fracture stabilization due to short time required to creation of the model.

Słowa kluczowe

PL

złamanie; symulacja komputerowa; kość długa; metoda elementów skończonych; analiza naprężeń

EN

fracture; computer simulation; long bone; finite element method; strength analysis

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 18, no. 130
• Strony: 20--26
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., zdj.

Twórcy

autor

Kozień M. S.

• Politechnika Krakowska, Instytut Mechaniki Stosowanej, al. Jana Pawła II 37, 31-864 Kraków

autor

Lorkowski J.

• Klinika Ortopedii i Traumatologii Centralnego Szpitala Klinicznego MSW w Warszawie

autor

Górka I.

• Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Nowym Sączu, Instytut Techniczny, ul. Zamenhofa 1a, 33-300 Nowy Sącz

autor

Kornaga M.

• Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Nowym Sączu, Instytut Techniczny, ul. Zamenhofa 1a, 33-300 Nowy Sącz

autor

Grzegorowska O.

• Centrum Rehabilitacyjne "Zdrowie", Kraków

autor

Kotela A.

• Klinika Ortopedii i Traumatologii Centralnego Szpitala Klinicznego MSW w Warszawie

autor

Kotela I.

• Klinika Ortopedii i Traumatologii Centralnego Szpitala Klinicznego MSW w Warszawie

Bibliografia

• [1] Będziński R.: Biomechanika inżynierska. Zagadnienia wybrane. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław (1997).
• [2] Zienkiewicz O.C.: Introductory Lectures on the Finite Element Method, CISM Lectures and Courses - No. 130. Springer, Wien-New York (1982).
• [3] Zienkiewicz O.C., Taylor R.L., Zhu J.Z.: The Finite Element Method - its Basis and Fundamentals. Butterworth-Heinemann Elsevier. Oxford (2013).
• [4] Będziński R. (Ed.) Mechanika Techniczna t. XII. Biomechanika. Instytut Podstawowych Problemów Techniki. Warszawa (2011).
• [5] Keyak J.H., Rossi S.A., Jones K.A., Skinder H.B.: Prediction of femoral fracture load using automated finite element modeling. Journal of Biomechanics 31 (1998) 125-133.
• [6] Kozień M.S., Lorkowski J., Szczurek S., Hładki W., Trybus M.: Komputerowa symulacja izolowanego rozejścia więzozrostu strzałkowo-piszczelowego metodą elementów skończonych. Przegląd Lekarski 65(1) (2008) 50-53.
• [7] Kozień M.S., Lorkowski J.: Application of the finite element method to deformation and stress analysis of tibia and fibulla with one side blocked growth plate. Annals of Anatomy (2006) 188.
• [8] Lotz J.C., Cheal E.J., Hayes W.C.: Fracture prediction for the proximal femur using finite element method. Part I - linear analysis. Part II – nonlinear analysis. Journal of Biomechanical Engineering 113 (1991) 353-365.
• [9] Prendergast P.J.: Finite element models in tissue mechanics and orthopeadic implant design. Clinical Biomechanics 12 (1997) 343-366.
• [10] Reitbergen B., Huiskes R., Eckstein F., Ruegsegger P.: Trabecular bone tissue in the healthy and osteoporotic human femur. Journal of Bone and Mineral Research 18 (2003) 1781-1788.
• [11] Wolański W., Tejszerska D.: Analiza biomechaniczna odcinka szyjnego kręgosłupa człowieka w sytuacji zastosowania stabilizacji. Modelowanie Inżynierskie 38 (2009) 295-300.
• [12] Kozień M.S., Lorkowski J., Pałka W.: Strength Analysis of Human Patella. Biocybernetics and Biomedical Engineering 26(3) (2006) 77-83.
• [13] Milewski G.: Strenth hyphotheses for hard tissues of teeth. Acta of Bioengineering and Biomechanics. 4(1) (2002) 803-804.
• [14] Błaszczyk J.W.: Biomechanika kliniczna. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa (1998).