Компьютерное моделирование менисков коленного сустава и исследование моделей с типичными повреждениями

Введение. Повреждения менисков являются самой частой патологией коленного сустава. В коленном суставе имеется два мениска: наружный (латеральный) и внутренний (медиальный). В силу анатомических особенностей латеральный мениск более подвижен, чем медиальный, поэтому его травматические повреждения происходят реже. Медиальный мениск менее подвижен, т. к. связан с медиальной коллатеральной связкой коленного сустава и его повреждения происходят намного чаще. При движениях в коленном суставе мениски совершают колебательные движения, сжимаются, деформируются с изменением их формы. После повреждения, оторванная часть или фрагмент мениска, связанная с телом может перемещаться в полости сустава, ущемляться между суставными поверхностями бедренной и большеберцовой костей и вызывать патологические движения, колебания и деформации как самого мениска, так и близлежащих анатомических структур коленного сустава.

Целью данной работы является создание компьютерной модели менисков коленного сустава с использованием новейших компьютерных технологий с применением известной в програмной иерархии програмного комплекса

PRO/ ENGINEERNG и PRO/MECHANICA, исследование модели здорового мениска и его механического поведения с точки зрения деформаций при максимально приближенных к физиологическим динамических и статических нагрузках, нанесение на модель нескольких типичных повреждений, исследование “поведения” модели поврежденного мениска и проведение сравнительного анализа.

Материалы и методы.

Начальный этап работы заключался в создании модели здорового медиального мениска коленного сустава с использованием программы PRO/ ENGINEERNG. За основу моделирования были использованы приблизительные реальные размеры медиального мениска человека среднестатистических размеров - ростом 175 см. и массой тела 75 кг. Максимальная длина полуовала мениска принята 60 мм., средняя ширина полулунной части 20 мм. Поперечное сечение мениска ближе к неправильному прямоугольному треугольнику с закругленными углами и неправильно полувогнутой гипотенузой. Максимальная высота сечения была принята равным 6 мм.

Хотя мениск имеет неправильную полулунную форму и на своем протяжении несколько отличается размерами, мы в некотором приближении решили также и эту задачу. При моделировании учитывали физико-механические свойства и качества менисков (плотность, упругость, эластичность) и отмеченные незначительные изменения размеров мениска на протяжении при аналогичных динамических и статических воздействиях на модель не вызывали или почти не вызывали изменений. Полученная компьютерная модель мениска представлена на рисунке 1.

Рис. 1	Рис. 2

На рисунке 2 строго схематично показаны векторы сил, действующих на мениск при статическом и упрощенном динамическом воздействии суставных поверхностей на смодулированный мениск.

Второй этап работы заключался в создании на модели точек прикрепления, учитывая нормальную анатомию коленного сустава¸ вводу в программу физических свойств данного тела (плотность, упругость и остальные необходимые данные для функционирования программы )¸ Силы трения на этом этапе не учитывались, т.к. коэффицент трения в коленном суставе равен 0,001. Затем программа моделировала колебательные движения, которые совершает коленный сустав при сгибании и разгибании на 90 градусов.

После обработки данных программа выдавала движения и деформации мениска, отображенные разными цветами. На рисунке 3 наглядно продемонстрированы 4 этапа колебательных движений мениска, при чем синим цветом обозначены зоны наименьших деформаций, а красным – наибольших. Зона наибольшей деформации перемещается по периметру мениска.

На следующем этапе на модель нанесен прототип одного из наиболее часто встречающихся повреждений (по типу ручки лейки). Затем программа последовательно совершала идентичные колебания нормальной и поврежденной модели мениска. Сравнительный анализ этих двух процессов показал, что после нанесения повреждения происходили существенныие изменения в траектории движения модели, амплитуде колебаний. Зоны наибольших деформаций перемещались. Особенно выраженные изменения наблюдались по наружному периметру модели.

Аналогичное экспериментальное исследованое было проведено с другим видом повреждения. Результаты исследования продемонстрированы на рисунке 4.

Результаты и обсуждение.

Результатом нашей работы стало создание экспериментальных копьютерных моделей менисков коленнного сустава и изучение их поведения при статических и динамически воздействиях, максимально приближенных к физиологическим воздейстниям, которым подвергаются мениски при работе коленного сустава. Моделирование производилось с использованием новейших компьютерных технологий с применением известной в програмной иерархии комплекса PRO/ ENGINEERNG и PRO/MECHANICA последней версии.

Затем моделировались типичные повреждения менисков и экперимент повторялся.Проводился сравнительный анализ поведения нормальной и поврежденной модели мениска при аналогичных динамических воздействиях, соответствующих сгибанию коленного сустава на 90 градусов. Результаты анализа показали, что движения, колебания и зоны зоны наибольших деформаций поврежденной модели существенно отличались от нормальной модели и эти изменения были особенно выражены на наружном периметре модели. Следует также отметить, при каждом типе повреждения эти изменения имели определенную системность.

Нами разрабатывается прибор на основе аналого-цифрового преобразователя, с помщью которого возможно будет регистрировать движения и колебания менисков на поверхности суставной щели коленного сустава.

Литература

1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика , глава 8, Москва Высшая школа 1987 г., с. 187-190.
2. Ремизов А. Н. Курс физики, электроники и ки­бернетики для медицинских институтов глава 12,15. Москва Высшая школа 1987 г., с. 123-124, 182-185.
3. Коренев Г.В. Введение в механику человека глава 1, 3. Новосибирск Наука 1987 г. с. 12-14, 40-42
4. Дмитр Шойлев Спортивная травматология Со­фия Медицина и физкультура 1986, с. 103, 131, 147.
5. Кирпатовский И.Д., Смирнова Э.Д. Клини­чес­кая анатомия книга 2 Верхняя и нижняя конечности, Москва Медицинское Инфор­ма­ционное Агенство 2003 г., глава 2, с. 201-203.
6. Richard L.O, Connor, M.D. Arthroscopy J.B. Lippinicot Company 1987 Meniscal tears, p. 49-57.

Вопросы, ответы, комментарии