Биомеханическое моделирование остеотомий первой плюсневой кости в норме и при остеопорозе

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Вальгусная деформация первого пальца стопы является довольно распространенной патологией. Остеотомия первой плесневой кости является золотым стандартом лечения данной патологии. Успешность данного хирургического вмешательства зависит в том числе и от стабильности системы “кость–фиксаторы”. При оценке биомеханических свойств различных остеотомий первой плюсневой кости ранее было изучено влияние типа остеотомий, степени взаимного смещения этих фрагментов, а также количества и положения винтов. В этих исследованиях биомеханические свойства костной ткани соответствовали нормальным показателям условно здоровых пациентов. Пациенты старшей возрастной группы характеризуются высокой частотой встречаемости остеопороза. Это заболевание выражается в снижении минеральной плотности и механических свойств кости. Влияние остеопороза на биомеханические параметры моделей остеотомии первой плюсневой кости ранее не изучалось. Цель данной работы состояла в оценке стабильности остеотомий первой плюсневой кости при ее нормальной плотности и при остеопорозе, а также в оценке устойчивости биомеханических моделей наиболее распространенных видов остеотомий к малым изменениям положения фиксирующих винтов и формы рассекающих кость плоскостей. Для этого были созданы 36 биомеханических моделей остеотомий scarf и chevron, в которых варьировали как расположение фиксирующих винтов, форму фрагментирующей кость плоскости, так и толщину, а также модуль упругости кортикальной кости. С помощью метода конечных элементов проведена оценка напряженно-деформированного состояния элементов остеотомий. Валидация биомеханической модели была осуществлена на основе выполненных натурных экспериментов по консольному изгибу остеотомии первой плесневой кости в испытательной машине. Показана устойчивость биомеханических моделей остеотомий scarf и chevron к малым изменениям некоторых их геометрических параметров. Chevron остеотомия оказалась более стабильной, чем scarf. Также при scarf остеотомии напряжения в кости оказались существенно выше, чем при chevron. Выявлено, что даже при остеопорозе оба варианта остеотомий могут обеспечивать необходимую стабильность и прочность с точки зрения поломки винтов и повреждения костной ткани.

Об авторах

К. А. Марьянкин

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского

Саратов, Россия

И. М. Магомедов

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского

Саратов, Россия

Л. В. Бессонов

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского

Саратов, Россия

А. В. Доль

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского

Саратов, Россия

С. И. Киреев

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского

Саратов, Россия

Д. В. Иванов

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского

Email: ivanovdv.84@yandex.ru
Саратов, Россия

Список литературы

  1. Favre P., Farine M., Snedeker J.G., Maquieira G.J., Espinosa N. Biomechanical consequences of first metatarsal osteotomy in treating hallux valgus // Clinical Biomechanics. 2010. V. 19. № 7. P. 721–727. https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2010.05.002
  2. Полиенко А.В., Иванов Д.В., Киреев С.И., Бессонов Л.В., Мулдашева А.М., Оленко Е.С. Численный анализ напряженно-деформированного состояния остеотомий первой плюсневой кости // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2023. Т. 23. № 4. С. 496–511. https://doi.org/10.18500/1816-9791-2023-23-4-496-511
  3. Голядкина А.А., Полиенко А.В., Киреев С.И., Курманов А.Г., Киреев В.С. Анализ биомеханических параметров остеотомии первой плюсневой кости // Российский журнал биомеханики. 2019. Т. 23. № 3. С. 400–410. https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2019.3.06
  4. Li Y., Wang Y., Tang K., Tao X. Modified scarf osteotomy for hallux valgus: From a finite element model to clinical results // J. Orthop. Surg. 2022. V. 30. № 3. 10225536221143816. https://doi.org/10.1177/10225536221143816
  5. Shih K.S., Hsu C.C., Huang G.T. Biomechanical investigation of hallux valgus deformity treated with different osteotomy methods and Kirschner wire fixation strategies using the finite element method // Bioengineering (Basel). 2023. V. 10. № 4. P. 499. https://doi.org/10.3390/bioengineering10040499
  6. Xie Q., Li X., Wang P. Three-dimensional finite element analysis of biomechanics of osteotomy ends with three different fixation methods after hallux valgus minimally invasive osteotomy // J. Orthop. Surg. 2023. V. 31. № 2. 10225536231175235. https://doi.org/10.1177/10225536231175235
  7. Kim J.S., Cho H.K., Young K.W., Kim J.S., Lee K.T. Biomechanical Comparison study of three fixation methods for proximal chevron osteotomy of the first metatarsal in hallux valgus // Clin. Orthop. Surg. 2017. V. 9. № 4. P. 514–520. https://doi.org/10.4055/cios.2017.9.4.514
  8. Esses S.I., McGuire R., Jenkins J., Finkelstein J., Woodard E., Watters W.C. III et al. The treatment of symptomatic osteoporotic spinal compression fractures // Am. Acad. Orthop. Surg. 2011. V. 19. № 3. P. 176–182. https://doi.org/10.2106/JBJS.9320ebo
  9. Kang S., Park C.H., Jung H., Lee S., Min Y.S., Kim C.H. et al. Analysis of the physiological load on lumbar vertebrae in patients with osteoporosis: a finite-element study // Sci Rep. 2022. V. 12. № 1. P. 11001. https://doi.org/10.1038/s41598-022-15241-3
  10. Seeman E. Reduced bone formation and increased bone resorption: rational targets for the treatment of osteoporosis // Osteoporos Int. 2003. V. 14. P. 2–8. https://doi.org/10.1007/s00198-002-1340-9
  11. Zhang Y., Awrejcewicz J., Szymanowska O., Shen S., Zhao X., Baker J.S., Gu Y. Effects of severe hallux valgus on metatarsal stress and the metatarsophalangeal loading during balanced standing: A finite element analysis // Comput. Biol. Med. 2018. V. 97. P. 1–7. https://doi.org/10.1016/j.compbiomed.2018.04.010
  12. Иванов Д.В., Доль А.В., Бессонов Л.В., Киреев С.И., Гуляева А.О. Методика механических испытаний при консольном нагружении плюсневых костей стопы // Российский журнал биомеханики. 2023. Т. 27. № 4. С. 84–92. https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2023.4.06
  13. Deenik A.R., Pilot P., Brandt S.E., van Mameren H., Geesink R.G., Draijer W.F. Scarf versus chevron osteotomy in hallux valgus: a randomized controlled trial in 96 patients // Foot Ankle Int. 2007. V. 28. № 5. P. 537–541. https://doi.org/10.3113/FAI.2007.0537
  14. Ma Q., Liang X., Lu J. Chevron osteotomy versus scarf osteotomy for hallux valgus correction: A meta-analysis // Foot Ankle Surg. 2019. V. 25. № 6. P. 755–760. https://doi.org/10.1016/j.fas.2018.09.003
  15. Sun X., Guo Z., Cao X., Xiong B., Pan Y., Sun W., Bai Z. Stability of osteotomy in minimally invasive hallux valgus surgery with “8” shaped bandage during gait: a finite element analysis // Front. Bioeng. Biotechnol. 2024. V. 12. P. 1415617. https://doi.org/10.3389/fbioe.2024.1415617
  16. Kim J.S., Cho H.K., Young K.W., Kim J.S., Lee K.T. Biomechanical comparison study of three fixation methods for proximal chevron osteotomy of the first metatarsal in hallux valgus // Clin. Orthop. Surg. 2017. V. 9. № 4. P. 514–520. https://doi.org/10.4055/cios.2017.9.4.514
  17. Havaldar R., Pilli S.C., Putti B.B. Insights into the effects of tensile and compressive loadings on human femur bone // Adv. Biomed. Res. 2014. V. 3. № 1. P. 101. https://doi.org/10.4103/2277-9175.129375
  18. Иванов Д.В. Биомеханическая поддержка решения врача при выборе варианта лечения на основе количественных критериев оценки успешности // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2022. Т. 22. № 1. С. 62–89. https://doi.org/10.18500/1816-9791-2022-22-1-62-89
  19. Гуляева А.О., Фалькович А.С., Киреев С.И., Терин Д.В., Магомедов И.М. Исследование связи между подошвенным давлением и тонусом икроножной мышцы. Разработка и апробация нового экспериментального стенда // Российский журнал биомеханики. 2023. Т. 27. № 4. С. 127–137. https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2023.4.10
  20. Favre P., Farine M., Snedeker J.G., Maquieira G.J., Espinosa N. Biomechanical consequences of first metatarsal osteotomy in treating hallux valgus // Clinical Biomechanics. 2010. V. 25. № 7. P. 721–727. https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2010.05.002
  21. Polienko A.V., Ivanov D.V., Kireev S.I., Bessonov L.V., Muldasheva A.M., Olenko E.S. Numerical analysis of stress-strain state in first metatarsal osteotomies // Izvestiya Saratovskogo Universiteta. Novaya Seriya. Seriya: Matematika. Mekhanika. Informatika. 2023. V. 23. № 4. P. 496–511. https://doi.org/10.18500/1816-9791-2023-23-4-496-511
  22. Golyadkina A.A., Polienko A.V., Kireev S.I., Kurmanov A.G., Kireev V.S. Analysis of biomechanical parameters of first metatarsal osteotomy // Russian Journal of Biomechanics. 2019. V. 23. № 3. P. 400–410. https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2019.3.06
  23. Li Y., Wang Y., Tang K., Tao X. Modified scarf osteotomy for hallux valgus: From a finite element model to clinical results // J. Orthop. Surg. 2022. V. 30. № 3. 10225536221143816. https://doi.org/10.1177/10225536221143816
  24. Shih K.S., Hsu C.C., Huang G.T. Biomechanical Investigation of Hallux Valgus Deformity Treated with Different Osteotomy Methods and Kirschner Wire Fixation Strategies Using the Finite Element Method // Bioengineering (Basel). 2023. V. 10. № 499. https://doi.org/10.3390/bioengineering10040499
  25. Xie Q., Li X., Wang P. Three-dimensional finite element analysis of biomechanics of osteotomy ends with three different fixation methods after hallux valgus minimally invasive osteotomy // J. Orthop. Surg. 2023. V. 31. № 2. 10225536231175235. https://doi.org/10.1177/10225536231175235
  26. Kim J.S., Cho H.K., Young K.W., Kim J.S., Lee K.T. Biomechanical Comparison Study of Three Fixation Methods for Proximal Chevron Osteotomy of the First Metatarsal in Hallux Valgus // Clin. Orthop. Surg. 2017. V. 9. № 4. P. 514–520. https://doi.org/10.4055/cios.2017.9.4.514
  27. Esses S.I., McGuire R., Jenkins J., Finkelstein J., Woodard E., Watters W.C. III et al. The treatment of symptomatic osteoporotic spinal compression fractures // Am. Acad. Orthop. Surg. 2011. V. 19. № 3. P. 176–182. https://doi.org/10.2106/JBJS.9320ebo
  28. Kang S., Park C.H., Jung H., Lee S., Min Y.S., Kim C.H. et al. Analysis of the physiological load on lumbar vertebrae in patients with osteoporosis: a finite-element study // Sci Rep. 2022. V. 12. № 1. P. 11001. https://doi.org/10.1038/s41598-022-15241-3
  29. Seeman E. Reduced bone formation and increased bone resorption: rational targets for the treatment of osteoporosis // Osteoporos Int. 2003. V. 14. Suppl 3. P. S2–S8. https://doi.org/10.1007/s00198-002-1340-9
  30. Zhang Y., Awrejcewicz J., Szymanowska O., Shen S., Zhao X., Baker J.S., Gu Y. Effects of severe hallux valgus on metatarsal stress and the metatarsophalangeal loading during balanced standing: A finite element analysis // Comput. Biol. Med. 2018. V. 97. P. 1–7. https://doi.org/10.1016/j.compbiomed.2018.04.010
  31. Ivanov D.V., Dol A.V., Bessonov L.V., Kireev S.I., Gulyaeva A.O. Methodology for mechanical testing of metatarsal bones under cantilever loading // Russian Journal of Biomechanics. 2023. V. 27. № 4. P. 84–92. https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2023.4.06
  32. Deenik A.R., Pilot P., Brandt S.E., van Mameren H., Geesink R.G., Draijer W.F. Scarf versus chevron osteotomy in hallux valgus: a randomized controlled trial in 96 patients // Foot Ankle Int. 2007. V. 28. № 3. P. 537–541. https://doi.org/10.3113/FAI.2007.0537
  33. Ma Q., Liang X., Lu J. Chevron osteotomy versus scarf osteotomy for hallux valgus correction: A meta-analysis // Foot Ankle Surg. 2019. V. 25. № 6. P. 755–760. https://doi.org/10.1016/j.fas.2018.09.003
  34. Sun X., Guo Z., Cao X., Xiong B., Pan Y., Sun W., Bai Z. Stability of osteotomy in minimally invasive hallux valgus surgery with “8” shaped bandage during gait: a finite element analysis // Front. Bioeng. Biotechnol. 2024. V. 12. P. 1415617. https://doi.org/10.3389/fbioe.2024.1415617
  35. Kim J.S., Cho H.K., Young K.W., Kim J.S., Lee K.T. Biomechanical comparison study of three fixation methods for proximal chevron osteotomy of the first metatarsal in hallux valgus // Clin. Orthop. Surg. 2017. V. 9. № 4. P. 514–520. https://doi.org/10.4055/cios.2017.9.4.514
  36. Havaldar R., Pilli S.C., Putti B.B. Insights into the effects of tensile and compressive loadings on human femur bone // Adv. Biomed. Res. 2014. V. 3. № 101. https://doi.org/10.4103/2277-9175.129375
  37. Ivanov D.V. Biomechanical support for clinical decision-making in treatment selection based on quantitative success criteria // Izvestiya Saratovskogo Universiteta. Novaya Seriya. Seriya: Matematika. Mekhanika. Informatika. 2022. V. 22. № 1. P. 62–89. https://doi.org/10.18500/1816-9791-2022-22-1-62-89
  38. Gulyaeva A.O., Falkovich A.S., Kireev S.I., Terin D.V., Magomedov I.M. Study of the relationship between plantar pressure and calf muscle tone. Development and testing of a new experimental setup // Russian Journal of Biomechanics. 2023. V. 27. № 4. P. 127–137. https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2023.4.10

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025