1. Эндопротезирование тазобедренного сустава

ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИИ БИОМЕХАНИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ ЭНДОПРОТЕЗОВ ТАЗОБЕДРЕННОГО СУСТАВА

Одним из важнейших этапов разработки и про­ектирования силовых имплантируемых конструк­ций является биомеханическое обоснование их ра­ботоспособности и надежности, т.е. способности материалов имплантата сопротивляться разруше­нию или необратимой деформации под действием функциональных нагрузок различного характера и величины. В настоящее время наиболее распространенный метод решения этой задачи — математическое (компьютерное) моделирование механического поведения системы «имплантат — структуры организма» в процессе или в результа­те нагружения. Широкие возможности современ­ной компьютерной техники и программного обес­печения, мощный универсальный математический аппарат обеспечивают достаточную достоверность, оперативность и гибкость прогнозирования пове­дения таких систем с учетом влияния многих внут­ренних (структура системы, свойства материалов, условия взаимодействия компонентов системы на границах раздела и т.д.) и внешних (тип, величина, точки приложения нагрузок, ограничения переме­щений точек и объемов системы и др.) факторов. Математическое моделирование дает необходи­мую информацию для решения и другой, не менее важной проблемы — обеспечения механической совместимости имплантата со структурами орга­низма, которая определяет возможность, продол­жительность и результат адаптации этих струк­тур к функционированию в новой биотехнической системе (рис. 1).

Изменение биомеханики системы в результате имплантации конструкций для остеосинтеза, укрепления или замещения связочно-хрящевых структур, эндопротезов суставов и кос­тей и т.д. может приводить к изменению состава, структуры, объема, свойств костной и других тка­ней. Например, при исключении каких-либо объе­мов костных структур из процесса передачи сило­вых потоков (нагрузок) должен происходить их лизис, и, напротив, в случае чрезмерной концент­рации механических напряжений (так называемый стресс-шилдинг) можно прогнозировать увеличе­ние плотности и объема костной ткани в месте зна­чительного превышения нормального уровня на­грузок. Если же механические напряже­ния превышают предел прочности костной ткани при данной схеме нагружения как для существен­но анизотропных кортикальных костей, так и для квазиизотропных спонгиозных, следует ожидать разрушения кости, и в этом случае конструкция имплантата и/или выбор материала для него яв­ляются неудачными.

В общем случае механическая совместимость имплантата может быть оценена по степени подо­бия напряженно-деформированного состояния и механического поведения биологических компонен­тов биотехнической системы (например, сохранен­ных при эндопротезировании сустава костных структур) состоянию и поведению соответствую­щей биологической системы в здоровом неповреж­денном состоянии при одинаковых функциональ­ных нагрузках.

Математическое моделирование может также дать полезную информацию о поведении имплан­тата и взаимодействующих с ним структур орга­низма в «нештатных» ситуациях, обусловленных, например, неточностями в планировании и техни­ке выполнения самой хирургической операции. Эта информация позволяет сформулировать дополни­тельное (к медицинским) «техническое» обоснова­ние правильного выбора и точной установки им­плантата.

Очевидно, что «встраивание» математическо­го моделирования в схему проектирования им­плантата не только дает важнейшую информа­цию о функционировании системы «имплантат — структуры организма», но и позволяет создать эф­фективную обратную связь в самом процессе про­ектирования, обеспечивающую оперативную оп­тимизацию геометрических и/или физико-меха­нических параметров имплантата. При этом «сиг­налом» к корректировке конструкции и выбора материала имплантата (или его структурного со­стояния, определяющего свойства), по нашему мнению, является даже не превышение механи­ческими параметрами состояния компонентов биотехнической системы определенных критичес­ких значений, например, напряжений разрушения, — в этом случае необходимость корректи­ровки очевидна.