Ключові слова
метод скінченних елементів
переломи великогомілкової кістки
біомеханічне моделювання
нестабільність суглоба
Як цитувати
Анотація
Резюме. Метою дослідження було провести аналітичну валідацію та розробити анатомічно точну тривимірну модель колінного суглоба для біомеханічного аналізу розподілу навантаження при різних типах переломів проксимального відділу великогомілкової кістки (ПВВГК), з урахуванням впливу локалізації ураження на ризик посттравматичної нестабільності.
Матеріали і методи. Геометрію колінного суглоба відтворено за даними КТ у програмному середовищі SolidWorks. Чисельний аналіз виконано в ANSYS (Static Structural) за методом скінченних елементів. У модель включено стегнову і великогомілкову кістки, меніски, передню і задню хрестоподібні, а також медіальні й латеральні колатеральні зв’язки. Матеріали вважалися ізотропними, лінійно-еластичними. Досліджено три варіанти сіток: 30 001, 501 090 та 1 006 936 елементів. До верхньої площини стегнової кістки прикладено навантаження 750 Н, гомілку зафіксовано консольно. Контакти жорстко зв’язані (bonded). Якість сітки оцінювали за показниками Skewness і Orthogonal Quality. Верифікацію FEM-моделі здійснено шляхом порівняння з аналітичними розрахунками на основі еквівалентної жорсткості системи пружин.
Результати. Створено FEM-модель, що точно відтворює біомеханіку колінного суглоба в умовах сегментарних переломів. Виявлено, що найбільші напруження виникають у випадках ураження передньо- та задньо-латеральних сегментів (G та H), де фіксується максимальне зміщення фрагментів та пікове навантаження на зв’язки і меніски. Оптимальною для розрахунків визнано сітку з 501 090 елементів − вона забезпечує точність результатів при помірному обчислювальному навантаженні.
Висновки. FEM-моделювання з урахуванням локалізації переломів дозволяє ідентифікувати критичні зони навантаження та прогнозувати нестабільність ще на етапі передопераційного планування. Результати можуть бути інтегровані у клінічні протоколи для вибору обсягу втручання − від фіксації до супутньої реконструкції м’якотканинних структур.
Посилання
DiFelice GS, van der List JP. Clinical Outcomes of Arthroscopic Primary Repair of Proximal Anterior Cruciate Ligament Tears Are Maintained at Mid-term Follow-up. Arthroscopy. 2018;34(4):1085-1093. doi:10.1016/j.arthro.2017.10.028
Wahlquist M, Iaguilli N, Ebraheim N, Levine J. Medial tibial plateau fractures: a new classification system. J Trauma. 2007;63(6):1418-21. DOI: 10.1097/TA.0b013e3181469df5
Chana-Rodríguez F, Teixidor-Serra J, Boluda-Mengod J, Gomes-Vallejo J, Carrera-Fernandez I, Delgado Martinez A et al. Current concepts in tibial plateau fracture management: a Spanish Orthopaedic Trauma Association review. OTA Int. 2025;8(3 Suppl):e392. Published 2025 May 2. doi:10.1097/OI9.0000000000000392
Ren D, Liu Y, Lu J, Xu R, Wang P. A Novel Design of a Plate for Posterolateral Tibial Plateau Fractures Through Traditional Anterolateral Approach. Sci Rep. 2018;8(1):16418. Published 2018 Nov 6. doi:10.1038/s41598-018-34818-5
Prat-Fabregat S, Camacho-Carrasco P. Treatment strategy for tibial plateau fractures: an update. EFORT Open Rev. 2017;1(5):225-232. Published 2017 Mar 13. doi:10.1302/2058-5241.1.000031
Zhang J, Chen B, Chen B, Wang H, Han Q, Tang X et al. Clinical Application of Finite Element Analysis in Meniscus Diseases: A Comprehensive Review. Arch Computat Methods Eng 2025;32:4163–4195. https://doi.org/10.1007/s11831-025-10265-02
Zeng ZM, Luo CF, Putnis S, Zeng BF. Biomechanical analysis of posteromedial tibial plateau split fracture fixation. Knee. 2011;18(1):51-54. doi:10.1016/j.knee.2010.01.006
Lu Y, Bai H, Wang Q, Ren C, Li M, Zhang K et al. The study of biomechanics and finite element analysis on a novel plate for tibial plateau fractures via anterolateral supra-fibular-head approach. Sci Rep. 2023;13(1):13516. DOI: 10.1038/s41598-023-40842-x.
ANSYS Mesh Metrics Explained. 2022. https://featips.com/2022/11/21/ansys-mesh-metrics-explained/
Wasserman S. What is the meaning of FEM analysis? Engineering.com, 2024. https://www.engineering.com/what-is-the-meaning-of-fem-analysis/
Madeti BK, Chalamalasetti SR, Bolla Pragada SKSsr. Biomechanics of knee joint — A review. Front. Mech. Eng. 2025;10:176–186 https://doi.org/10.1007/s11465-014-0306-x
Farrokhi S, Voycheck CA, Tashman S, Fitzgerald GK. A biomechanical perspective on physical therapy management of knee osteoarthritis. J Orthop Sports Phys Ther. 2013;43(9):600-619. doi:10.2519/jospt.2013.4121
Luo CF, Sun H, Zhang B, Zeng BF. Three-column fixation for complex tibial plateau fractures. J Orthop Trauma. 2010;24(11):683-692. doi:10.1097/BOT.0b013e3181d436f3
Yu C, Duan X, Gou Y, Liu K, Zhao W, Gao X et al. A review of finite element modeling and surgical simulation of meniscal tear in knee joint: progress and challenges. Front Med (Lausanne). 2025;12:1661943. Published 2025 Sep 12. doi:10.3389/fmed.2025.1661943
Stahl D, Serrano-Riera R, Collin K, Griffing R, Defenbaugh B, Sagi HC. Operatively treated meniscal tears associated with tibial plateau fractures: a report on 661 patients. Journal of Orthopaedic Trauma. 2015;29(7): 322–324. doi: 10.1097/BOT.0000000000000290
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.