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.