Details

В данной работе выполнено численное моделирование тазобедренного сустава шести пациентов до и после планируемой операции – периацетабулярной остеотомии (ПАО). На основе данных компьютерной томографии (КТ) были построены индивидуализированные трёхмерные геометрические модели костей и суставных хрящей. Для каждого пациента была создана пара моделей: исходная анатомическая конфигурация и модифицированная, соответствующая переориентации вертлужной впадины, как это происходит при ПАО. В рамках конечно-элементного анализа были определены граничные условия, нагрузки, контактные взаимодействия, а также физико-механические свойства материалов (кортикальная и губчатая костная ткань, суставной хрящ). Проведён сравнительный анализ распределения контактных давлений между головкой бедренной кости и вертлужной впадиной, а также эквивалентных напряжений по Мизесу в костных структурах до и после операции. Выявлены изменения в характере распределения нагрузок, площади контакта, локализации зон концентрации напряжений и их максимальных значений. Установлено, что у двух пациентов (№ 1 и № 4) после переориентации вертлужной впадины произошло значительное снижение пиковых значений контактных давлений, увеличение площади контакта и перераспределение напряжений в бедренной кости в сторону более физиологичного состояния. Для трёх других пациентов (№ 2, № 3 и № 5) существенных изменений не наблюдалось, а у пациента № 6 отмечено ухудшение показателей – увеличение контактных давлений и концентрация напряжений. Работа демонстрирует эффективность применения конечно-элементного анализа в предоперационном планировании периацетабулярной остеотомии, позволяя заранее оценить биомеханические последствия хирургического вмешательства и повысить точность выбора параметров коррекции для конкретного пациента.

This study presents a numerical simulation of the hip joint for six patients before and after planned periacetabular osteotomy (PAO). Based on computed tomography (CT) data, individualized three-dimensional geometric models of bones and articular cartilage were constructed. For each patient, two models were created: the original anatomical configuration and a modified version representing the reorientation of the acetabulum as performed during PAO. In the framework of the finite element analysis, boundary conditions, loads, contact interactions, and physical-mechanical properties of materials (cortical and cancellous bone tissue, articular cartilage) were defined. A comparative analysis was conducted to evaluate the distribution of contact pressures between the femoral head and acetabulum, as well as von Mises equivalent stresses in bone structures before and after surgery. Changes in load distribution, contact area, localization of stress concentration zones, and their peak values were identified. It was found that in two patients (No. 1 and No. 4), after reorientation of the acetabulum, there was a significant decrease in peak contact pressures, an increase in contact area, and a redistribution of stresses in the femur towards a more physiological state. For the other three patients (No. 2, No. 3, and No. 5), no significant changes were observed, while in patient No. 6, the indicators worsened – with increased contact pressures and stress concentrations. The work demonstrates the effectiveness of finite element analysis in preoperative planning of periacetabular osteotomy, enabling early assessment of biomechanical consequences of surgical intervention and improving the accuracy of selecting correction parameters for specific patients.