1. Механико-математический факультет
кафедра био- и наномеханики
Биомеханика системы
эндопротез – костная ткань
Никитин Андрей Викторович

2. Биомеханика
Биомеханика – это применение законов механики к биологическим системам.
Изучение сил действующих
на твердые тела в
состоянии равновесия.
Изучение
твердых тел в
движении.
Скалярные величины : длинна, масса, время, скорость, объем
Векторные величины : сила, момент, импульс

3. Биомеханика
Скелет человека состоит примерно из 206 костей которые служат
каркасом для тела. Помимо механических функций по
поддержанию формы тела, обеспечению возможности движения
и защите внутренних органов, скелет является также и местом
кроветворения: в костном мозге происходит образование новых
клеток крови.
Кости нижних конечностей: бедренная и большая
берцовая, являются наиболее крупными и крепкими
из человеческого скелета.

4. Биомеханика
Мышцы и сухожилия, окружающие сустав обеспечивают необходимые
усилия для приведения в движение нижних конечностей.
Тазобедренный сустав
представляет собой
шаровидно-шарнирную
систему, образованную
сферической головкой
бедренной кости и
вогнутой вертлужной
впадиной таза

5. Биомеханика
Снаружи тазобедренный сустав
покрыт гибкой, волокнистой
капсулой, предотвращающей
возможность вывиха головки
бедра из вертлужной впадины.
Дистальный эпифиз разделяется межмыщелковой ямкой на
медиальный и латеральный мыщелок, которые являются
частью коленного сустава.

6. Биомеханика
Внутренняя структура костей по
своему строению схожа с
композиционными материалами
Такие анатомические особенности строения кости являются следствием
высоких растягивающих и сжимающих усилий, возникающих в результате
действия внешних сил на кость
Компактная кость: E= 17 GPa
Губчатая кость: E= 1…4 GPa

7. Задание #1

8. Задание #1

9. Биомеханика

10. Биомеханика

11. Биомеханика
Нормальным считается шеечно-
диафизарный угол в 120°-130°
А. Номальный ШДУ
B. Валгусная деформация (coxa vara)
С. Варусная деформация (coxa valga)

12. Биомеханика
Кости нижних конечностей: бедренная и большая
берцовая, являются наиболее крупными и крепкими
из человеческого скелета.

13. Задание #2

14. Задание #3
Articular contact: Frictionless
Articular cartilage: 2mm
Subchondral bone: 1mm
Cortical bone: 1.5 mm
Force: 3200N

15. Биомеханика
Электроны ударяются об анод и замедляются в материале, тем самым
производя электромагнитное излучение, так называемое излучение
торможения. В случае замедления электрона в несколько этапов, производятся
фотоны с меньшей энергией, создавая непрерывный спектр излучения энергии.

16. Биомеханика
Значение пикселя в изображении КТ означает на сколько радиация ослабляется
в материале на месте пикселя, линейный коэффициент ослабления (µ).
Пиксельные значения приведены в единицах Хаунсфилда (HU), что означает, их
соответствие линейному коэффициента затухания в воде:
Пиксели представленны в виде 12-битных
значений, в диапазоне от -1024 до +3071.
Вода: HU = 0 ; Воздух: HU = -1000
Компактрая кость : HU = 1000…2000
Губчатая кость : HU = 200…600

17. Задание #4

18. Биомеханика
Коленный сустав является не
только крупнейшим, но и одним из
самых сложных суставов опорно-
двигательной системы человека,
соединяющий сразу четыре кости
скелета нижних конечностей:
бедренная кость, большеберцовая
кость, малоберцовая кость,
надколенник
Для амортизации и компенсации несоответствия,
проксимальная часть большеберцовой кости также
покрыта клиновидными хрящами в форме полумесяца.

19. Биомеханика
В отличие от тазобедренного сустава, колено не является полностью шарнирным
соединением и не имеет общего центра вращения двух суставных поверхностей.
Три вида вращения:
1) Сгибание/Разгибание
2) Внутреннее/Внешнее вращение
3) Приведение/Отведение
Три вида смещения:
1) Переднее/Заднее
2) Медиальное/Латеральное
3) Верхнее/Нижнее

20. Биомеханика
Стабильность колена достигается за счет сложной
системы связок, мышечных усилий и упругой
суставной капсулы.
Смещению голени вперед и назад относительно
бедра, препятствует передняя и задняя
крестообразные связки

21. Биомеханика
Еще одной характерной чертой биомеханики коленного сустава, отличающего его
от всех остальных костных сочленений, является особый механизм запирания,
происходящий в конце последних 15 градусов разгибательного движения.

22. Задание #4
Жесткость сухожилий: 100N/mm ; Жесткость связок 200N/mm ; Нагрузка 600N
Материал мениск : E=112 MPa , u= 0.45

23. Биомеханика
Перелом – разрушение костных тканей в результате возникновения внутренних
усилий превышающих предел прочности.
В зависимости от типа нагрузки
различают переломы:
1) Прямой (растяжение)
2) Косой (сжатие)
3) Винтовой (кручение)
4) Оскольчатый (изгиб)
По целостности кожных покровов
различают переломы:
1) Закрытые — без сообщения с
внешней средой.
2) Открытые — сообщающиеся с
внешней средой.

24. Биомеханика
Срастание перелома происходит в четыре этапа:
1) Кровь собирается у концов костей, образуя сгустки. Из сгустка образуются
волокна.
2) Остеокласты сглаживают острые края кости, а остеобласты заполняют
промежуток. Формируется гранулярный мост.
3) Гранулярные клетки становятся костной массой – мозолью.
4) Новые кровеносные сосуды снабжают кальцием место перелома и
происходит окостенение.

25. Биомеханика
Внутренняя фиксация перелома с помощью платины остеосинтеза применяют
если возможны высокие изгибающие или растягивающие усилия.
Существует три типа хирургического лечения перелома трубчатых костей для
обеспечения необходимой фиксации перелома:
Три вида фиксации:
1) Внутренняя фиксация с помощью
пластин и шурупов
2) Внутренняя фиксация с помощью
костномозгового стержня
3) Наружная фиксация с помощью
спиц

26. Задание #5

27. Биомеханика
Причина развития ревматоидного артрита достоверно неизвестна.
Предполагается наличие генетически обусловленного дефекта иммунной
системы, приводящего к патологической реакции на провоцирующие факторы.
Артри́т (др.-греч. ἄρθρον — сустав + -itis — воспаление) — собирательное
обозначение любых болезней (поражений) суставов. Заболевание
инфекционного происхождения или развивающихся в результате нарушения
питания сустава.
Три вида артрита:
1) Остеоартрит
2) Ревматоидный артрит
3) Посттравматический артрит

28. Биомеханика
Одним из возможных способов восстановления нормальной активности
пациента - частичное эндопротезирование и реконструкцию поверхностей
суставов.
Заболевания больших суставов нижних конечностей артритом делает
болезненным для человека любые повседневные движения. Пациент может
чувствовать болевые ощущения даже в положениях сидя или лежа.

29. Задание #6
Материал Е (MPa) n
Компактная кость 17000 0.3
Губчатая кость 800 0.2
Костный цемент 2150 0.46
CoCrMo 208000 0.3
UHMWPE 2300 0.25

30. Задание #6
Материал Е
(MPa
)
n
Компактная кость 1700
0
0.3
Костный цемент 2150 0.46
CoCrMo 2080
00
0.3
UHMWPE 2300 0.25