Сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния стандартной и индивидуальной реконструктивных пластин

Дефекты и деформации челюстно-лицевой области могут иметь различную этиологию. Они могут быть следствием воспалительных процессов (остеомиелит), специфических заболеваний, радикальных оперативных вмешательств по поводу доброкачественных или злокачественных опухолей и травматических повреждений. Независимо от причины образования дефектов они сопровождаются морфологическими, функциональными и эстетическими нарушениями.

Результаты реконструктивного лечения влияют на восстановление функции речи и внешний вид пациента, поэтому требования к точности и качеству хирургического вмешательства должны быть более жесткими [1].

Цифровые технологии, такие как 3D-изображения на основе компьютерной томографии, виртуальное планирование оперативного вмешательства и 3D-печать, широко используются в современной медицине для повышения точности и качества диагностики и хирургического восстановления дефектов верхней и нижней челюсти посредством эндопротезирования [2].

Использование современных компьютерных технологий позволяет провести точные биомеханические исследования с целью моделирования конкретной клинической ситуации и выбора оптимального метода восстановления костного дефекта [3—5].

Цель исследования — анализ трехмерной конечно-элементной модели пострезекционного дефекта нижней челюсти в области тела с целью имитации репозиции и фиксации фрагментов, проектирование и разработка индивидуальной реконструктивной пластины. Сравнение напряженно-деформационного состояния этой пластины со стандартной реконструктивной пластиной фирмы «Конмет» с точки зрения стабилизации сегментов нижней челюсти путем моделирования жевательной нагрузки.

С целью изучения биомеханических свойств разработанной реконструктивной пластины по сравнению со стандартной реконструктивной пластиной фирмы «Конмет» была построена компьютерная модель нижней челюсти у пациентов с сегментарным костным дефектом и дефектом тела, ветви и суставного отростка. На компьютерном томографе проведено исследование пациента, после чего с использованием специального программного обеспечения «In Vesalius 3.01» на каждом компьютерном снимке выделяли костную ткань пациентов отдельно от мягких тканей, которые соответствовали денситометрическим показателям. Для выделенных областей формировали контуры. После этого контуры, относящиеся к различным снимкам, составляли между собой с учетом заданной при томографии толщины слоя сканирования. Затем производили формирование модели в STL-формате в программе Mashmixer 4.0. На модели выполняли выделение интересующей области, удаление артефактов, улучшение качества поверхностей, оптимизацию полигональной сетки.

Компьютерное моделирование разработанной и реконструктивной пластин и фиксирующих винтов, а также моделирование напряженно-деформационного состояния проводили с использованием программного обеспечения ANSYS 19.1 («ANSYS Inc.», Хьюстон, США). В данное программное обеспечение были импортированы твердотельные модели двух фрагментов нижней челюсти.

Параметры титановой реконструктивной пластины и винтов соответствовали данным, предоставленным производителем. Физические свойства материалов представлены в табл. 1. Винты изготовлены из титанового сплава (титан-6 Aluminum-4 Vanadium; ASTM F-136), а пластина «Конмет» — из технически чистого титана (ASTM F67).

Таблица 1. Физические свойства материалов, применяемых в исследовании

Индивидуальная реконструктивная пластина [6] изготовлена из титана марки ВТ 1-0 и представлена на рис. 1. Это криволинейная тонкостенная перфорированная, самонесущая оболочка (1), которая имеет опорные элементы, анатомически точно повторяющие поверхность концевых фрагментов (2), промежуточную часть, анатомически повторяющую отсутствующую часть нижней челюсти (3), сквозные отверстия для фиксации тканей к телу эндопротеза (4), сквозные отверстия для горизонтальной бикортикальной фиксации к костному дефекту (5), сквозные отверстия для вертикальной кортикальной фиксации к костному дефекту (6).

Рис. 1. Схема разработанной индивидуальной реконструктивной паластины.

Объяснения в тексте.

В ходе эксперимента был проведен сравнительный анализ нижней челюсти с дефектом тела. В сравнении участвовала стандартная реконструктивная пластина фирмы «Конмет», которая фиксировалась 8 винтами (рис. 2, а), и разработанная индивидуальная реконструктивная пластина, которая также имела 8 винтов для фиксации (рис. 2, б).

Рис. 2. Компьютерная модель стандартной фирмы «Конмет» (а) и индивидуальной (б) реконструктивных пластин, фиксированных 8 винтами к фрагментам нижней челюсти.

Считалось, что каждая пластина и винт находятся в идеальном контакте с костью, при этом учитывалось трение. Коэффициенты трения составили между титаном и костью 0,3, между титаном и титаном — 0,55. Винты, соединяющие пластины с фрагментами нижней челюсти, были смоделированы с резьбой и пронумерованы от 1 до 8 (рис. 3).

Рис. 3. Резьбовое соединение реконструктивных пластин.

Объяснения в тексте.

Индивидуальная пластина была разбита на 198 684 узлов и 113 325 элементов. Стандартная пластина разбита на 212 047 узлов и 123 628 элементов. В обеих пластинах в качестве объемного конечного элемента использовался тетраэдр.

С целью имитации биомеханических нагрузок, которые испытывают пластины при жевании, была приложена сила при окклюзионном контакте резца. Величина вертикальной нагрузки принята равной 150 Н. Мыщелковые отростки зафиксированы во всех трех направлениях для предотвращения силы реакции в височно-нижнечелюстном суставе.

В качестве критерия оценки приняты эквивалентные напряжения по фон Мизесу [6].

На основании принятого критерия считалось, что если максимальное напряжение на растяжение для каждой структуры (кости или винта) превышено, то структура может выйти из строя. Для качественной оценки распределения напряжений в пластинах и винтах использована цветовая шкала со значениями напряжения.

Изучение полного перемещения трехмерных конечно-элементных моделей показало, что при вертикальной нагрузке 150 Н в область клыка индивидуальная пластина лучше выдерживает осевые нагрузки. На рис. 4. на цв. вклейке наглядно показано, что индивидуальная пластина находится под меньшим напряжением, чем стандартная. Напряжение в основном сосредоточено в области винтов в ментальном отделе большого фрагмента нижней челюсти.

Рис. 4. Изучение полного перемещения объектов.

Значения эквивалентных напряжений по фон Мизесу для каждой сборки (винты, пластина, фрагменты челюсти вместе) представлены в табл. 2, для каждого винта в отдельности — в табл. 3.

Таблица 2. Значения полного перемещения объектов для разработанной и стандартной реконструктивной пластины

Таблица 3. Значения эквивалентных напряжений по фон Мизесу

При сравнении двух методов фиксации более высокое значение эквивалентных напряжений по фон Мизесу выявлено в модели индивидуально реконструктивной пластины по сравнению с таковым в стандартной пластине. Такое различие объясняется большей биомеханической стабильностью разработанной пластины, которая обеспечивается более плотным прилеганием ее к фрагментам костной ткани и, как следствие, большей плоскостью соприкосновения, а также разными направлениями фиксирующих винтов.

Таким образом, разработанная индивидуальная реконструктивная пластина для фиксации фрагментов нижней челюсти обладает более лучшими прочностными характеристиками, обеспечивает более жесткую фиксацию по сравнению со стандартной реконструктивной пластиной фирмы «Конмет» и способствует уменьшению развития наиболее частого осложнения — резорбции фиксирующих винтов и, как следствие, потери фиксации пластины.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.