DOI: https://doi.org/10.15674/0030-59872020166-77

Mathematical modeling of knee arthroplasty with filling of a bone defect with implants from various materials

Oleksiy Tankut, Volodymyr Filipenko, Volodymyr Mezentsev, Zorik Arutunan, Mykola Tоhtamyshev, Michael Karpinsky, Oleksandr Yaresko

Abstract


Defects in the proximal tibia significantly complicate the process of implanting an artificial knee joint.

Objective: due to mathematical modeling to determine the optimal combination of implant stem and material, depending on the size of the tibia defect at joint replacement.

Methods: using the finite element method, the stresses in the lower limb models with knee implant were studied. Reproduced the defect tibia size 25, 50 and 75 % of the area of the supporting surface of the endoprosthesis. For each case, an implant without stem, with short or long one was modeled. We studied options for filling defects with bone chips, bone cement and porous tantalum.

Results: the presence of defect of 25 % leads to an increase in stresses on its face under the elements of implant, which decrease with increasing length of its stem. When filling the defect with bone chips, the stresses in the bone tissue decrease, in addition — with an increase in the length of the endoprosthesis stem. When using bone cement, the stress level in the model is reduced more effectively compared to bone chips, regardless of the length of the stem of the implant. The zone of maximum loads is shifted to the stiffener of the endoprosthesis in the region of the defect 50 %. When filling it with cement, the combination with a long-stem implant seemed most effective. Large defects (75 %) do not cause significant stress in the bone tissue, but their level increases at grafting with bone chips. You can reduce it by using an endoprosthesis with a long stem and bone cement instead of chips.

Conclusions: at 25 % tibia defect the most biomechanically effective is the using of implant with long or short stem and bone cement, at 50 % defect — a combination of a long stem of implant with filling the defect with bone cement or a short or long stem with a tantalum implant; at 75 % defect — grafting of defect with tantalum augments in combination with long stem.


Keywords


finite element method; bone grafting; endoprosthetics

References


Have the annual trends of total knee arthroplasty in rheumatoid

arthritis patients changed? / M. A. Harb, M. Solow,

J. M. Newman [et al.] // Journal of Knee Surgery. — 2018. —

Vol. 31 (9). — P. 841–845. — DOI: 10.1055/s–0037–1615822.

Registry AJR. American Joint Replacement Registry. Annual

Report 2014. [Електронний ресурс]. — режим доступу:

www.ajrr.net.

Корж М. О. Сучасний стан проблеми ендопротезування

суглобів в Україні / М. О. Корж, В. А. Філіпенко, В. О. Тань-

кут // Біль, суглоби, хребет. — 2012. — № 1 (5). — С. 48–50.

Causes and rates of revision total knee arthroplasty: Local

results from Isfahan, Iran / M. Motififard, M. Pesteh,

M. R. Etemadifar, S. Shirazinejad // Advance Biomedical

Research. — 2015. — Vol. 29 (4). — Article ID: 111. —

DOI: 10.4103/2277–9175.157829.

Revision rates after knee replacement. Cumulative results from

worldwide clinical studies versus joint registers / C. Pabinger,

A. Berghold, N. Boehler, G. Labek // Osteoarthritis Cartilage.

— 2013. — Vol. 21 (2). — P. 263–268. — DOI: 10.1016/j.

joca.2012.11.014.

Analysis of total knee arthroplasty revision causes / A. Postler,

C. Lützner, F. Beyer [et al.] //BMC Musculoskelet Disorders. —

— Vol. 19 (1). — Article ID : 55. — DOI: 10.1186/

s12891–018–1977–y.

Backstein D. Management of bone loss: structural grafts

in revision total knee arthroplasty / D. Backstein, O. Safir,

A. Gross // Clinical Orthopaedics and Related Research. —

— Vol. 446. — P. 104–112. — DOI: 10.1097/01.

blo.0000214426.52206.2c

Repair of defects and containment in revision total knee replacement

/ A. D. Toms, R. I. Barker, D. McClelland [et al.] //

Journal of Bone and Joint Surgery. — 2009. — Vol. 91-B. —

P. 271–277. — DOI: 10.1302/0301-620X.91B2.21415.

Метод кінцевих елементів в клінічній біомеханіці та про-

гнозування результатів пластики кісткових порожнин

за допомогою різновидів кальцій-фосфатних керамік /

В. А. Філіпенко, З. М. Мітелева, З. З. Зиман [та ін.] //

Ортопедия, травматология и протезирование. — 2006. —

№ 2. — С. 34–41.

Передумови розвитку асептичної нестабільності тоталь-

ного безцементного ендопротеза кульшового суглоба

(біомеханічне та математичне моделювання) / Г. В. Гайко,

В. М. Підгаєцький, О. М. Сулима, О. В. Чкалов // Ортопе-

дия, травматология и протезирование. — 2009. — № 1. —

С. 10–16. — DOI: 10.15674/0030-59872009110-16.

Роль биомеханических исследований в оптимизации

операций эндопротезирования тазобедренного сустава /

Н. А. Корж, В. А. Филиппенко, В. А. Танькут [и др.] //

ВісникСевНТУ. — 2011. — № 120. — С. 70–74.

Зенкевич О. К. Метод конечных элементов в технике /

О. К. Зенкевич. — М. : Мир, 1978. — 519 с.

Мителева З. М. Современные биомеханические под-

ходы в эндопротезировании тазобедренного сустава /З. М. Мителева, И. А. Суббота, М. Ю. Карпинский //

Ортопедия, травматология и протезирование. — 2003. —

№ 1. — С. 37–42.

Биомеханическое обоснование пластики дефектов верт-

лужной впадины при эндопротезировании тазобедренного

сустава у пациентов с последствиями реактивных артри-

тов / В. А. Филиппенко, А. И. Жигун, С. Е. Бондаренко,

А. В. Яресько // Ортопедия, травматология и протезиро-

вание. — 2008. — № 2. — C. 19–22.

Значение распределения напряжений в костной ткани

вокруг компонентов эндопротеза тазобедренного суста-

ва для стабильной фиксации имплантата / Н. А. Корж,

В. А. Филиппенко, В. А. Танькут [и др.] // Вісник СевНТУ. —

— № 137. — С. 110–118.

Корольков А. И. Биомеханические аспекты дисплазии

тазобедренного сустава у детей (моделирование методом

конечных элементов) / А. И. Корольков, З. М. Мителева,

А. В. Яресько // Травматология и ортопедия России (при-

ложение). — 2008. — № 4 (50). — С. 68.

Березовский В. А. Биофизические характеристики тканей

человека: Справочник / В. А. Березовский, Н. Н. Колоти-

лов. — Київ : Наукова думка, 1990. — 224 с.

Определение влияния вальгусной деформации на напря-

жения в коленном суставе / М. Ю. Карпинский, И. А. Суб-

бота, Б. А. Пустовойт, Тарек Зияд Абдель Азиз Рашеед //

Ортопедия, травматология и протезирование. — 2008. —

№ 2. — С. 31–34.

Математичне моделювання умов навантаження колін-

ного суглоба у фронтальній площині / О. М. Хвисюк,

К. Б. Пустовойт, Б. А. Пустовойт [та ін.] // Проблемы без-

перервної медичної освіти та науки. — 2012. — № 1. —

С. 51–56.

Пустовойт К. Б. Моделювання умов навантаження ко-

лінного суглоба з позицій механіки / К. Б. Пустовойт,

М. Ю. Карпінський // Клінічна хірургія. — 2013. —

С. 53–56.

Исследование напряженно-деформированного состояния

моделей коленного сустава в зависимости от величины

варусной деформации и толщины суставного хряща /

З. М. Мителева, П. И. Снисаренко, И. Б. Зеленецкий [и др.] //

Травма. — 2015. — № 3. — С. 33–38. — DOI: 10.22141/1608-

3.16.2015.80212.

Філіпенко В. А. Експериментальне дослідження механічних

властивостей матеріалів у вигляді гранул та чіпсів для

заповнення кісткових дефектів / В. А. Філіпенко, В. О. Ме-

зенцев, М. Ю. Карпінський, О. Д. Карпінська // Травма. —

— Т. 21. — № 1. — С.31–38. — DOI: 10.22141/1608-

1.21.2020.197795

Gere J. M. Mechanics of Material / J. M. Gere, S. P. Timoshenko. —

— 912 p.

Проблема прочности в биомеханике: Учебное пособие для

технич. и биол. спец. ВУЗов / И. Ф. Образцов, И. С. Адамович,

И. С. Барер [и др.]. — М. : Высшая школа, 1988. — 311 с.

Зенкевич О. К. Метод конечных элементов в технике /

О. К. Зенкевич. — М. : Мир, 1978. — 519 с.

Алямовский А. А. SolidWorks/COSMOSWorks. Инженер-

ный анализ методом конечных элементов / А. А. Алямов-

ский. — М. : ДМК Пресс, 2004. — 432 с.




Copyright (c) 2020 Oleksiy Tankut, Volodymyr Filipenko, Volodymyr Mezentsev, Zorik Arutunan, Mykola Tоhtamyshev, Michael Karpinsky, Oleksandr Yaresko

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.