Скінченно-елементне моделювання композитних біомеханічних структур: аналіз попереково-тазового та краніо-максилофаціального комплексів

Автор(и)

  • Андрій Валерійович Кондратьєв Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова; University of Cambridge, Україна https://orcid.org/0000-0002-8101-1961

DOI:

https://doi.org/10.15587/2706-5448.2025.323751

Ключові слова:

моделювання біомеханічних систем, скінченно-елементний аналіз, цифрова симуляція, напружено-деформований стан, остеоінтеграція, кінематичний аналіз, комп’ютерна механіка біологічних тканин

Анотація

Об’єктом дослідження є біомеханічні системи людини у нормі та при патологічних змінах, включаючи хребетно-тазовий та краніофаціальний комплекси, з урахуванням реставраційних структур, таких як мініпластини, гвинти та дентальні імплантати. Військові дії, які спричинені російською агресією проти України, спонукають до розробки більш ефективних методів лікування та реабілітації травм.

Запропоновано нові методи цифрового моделювання біомеханічних систем, що враховують індивідуальні механічні властивості біологічних тканин, а також комплексний аналіз напружено-деформованого стану в нормі, при патологіях і після реконструктивних втручань. У дослідженні використовуються скінченно-елементний аналіз та комп’ютерне моделювання, що інтегруються з даними КТ та МРТ, забезпечуючи високу точність прогнозування функціонування біологічних тканин. Проведено аналіз домінуючих біомеханічних факторів, які сприяють уникненню механічного перевантаження тканин та мінімізації ризиків ускладнень. Досліджено кінематичний ланцюг «поперековий відділ хребта – крижово-клубовий суглоб – таз» для оцінки впливу патологічних змін (варіацій поперекового лордозу та кута нахилу крижів). Для краніофаціального комплексу виконано аналіз умов успішної остеоінтеграції мініпластин, гвинтів та імплантатів при реконструкції щелепи.

Практичне застосування отриманих результатів включає ортопедію, травматологію, стоматологію та реабілітаційну медицину. Запропоновані методи сприятимуть підвищенню точності хірургічного планування, оптимізації реабілітаційних процедур і розробці довговічних імплантатів, адаптованих до анатомічних особливостей пацієнтів. Це дозволить знизити ризик ускладнень та прискорити процес одужання.

Спонсор дослідження

  • This publication was prepared as part of the scholarship work of the Verkhovna Rada of Ukraine for young scientists – Doctors of Sciences “Methodology of the simulation modeling of stress-strain behavior and destruction of composite structures of the human biomechanical systems” (No. 0124U003911).

Біографія автора

Андрій Валерійович Кондратьєв, Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова; University of Cambridge

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри

Кафедра матеріалознавства та інженерії композитних конструкцій

Visiting Researcher

Department of Engineering

Посилання

  1. El-Tallawy, S. N., Nalamasu, R., Salem, G. I., LeQuang, J. A. K., Pergolizzi, J. V., Christo, P. J. (2021). Management of Musculoskeletal Pain: An Update with Emphasis on Chronic Musculoskeletal Pain. Pain and Therapy, 10 (1), 181–209. https://doi.org/10.1007/s40122-021-00235-2
  2. Urits, I., Burshtein, A., Sharma, M., Testa, L., Gold, P. A., Orhurhu, V. et al. (2019). Low Back Pain, a Comprehensive Review: Pathophysiology, Diagnosis, and Treatment. Current Pain and Headache Reports, 23 (3). https://doi.org/10.1007/s11916-019-0757-1
  3. Zhang, Q., Chon, T., Zhang, Y., Baker, J. S., Gu, Y. (2021). Finite element analysis of the lumbar spine in adolescent idiopathic scoliosis subjected to different loads. Computers in Biology and Medicine, 136, 104745. https://doi.org/10.1016/j.compbiomed.2021.104745
  4. Azadi, A., Arjmand, N. (2021). A comprehensive approach for the validation of lumbar spine finite element models investigating post-fusion adjacent segment effects. Journal of Biomechanics, 121, 110430. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2021.110430
  5. Umale, S., Yoganandan, N., Kurpad, S. N. (2020). Development and validation of osteoligamentous lumbar spine under complex loading conditions: A step towards patient-specific modeling. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 110, 103898. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2020.103898
  6. Xu, M., Yang, J., Lieberman, I. H., Haddas, R. (2016). Lumbar spine finite element model for healthy subjects: development and validation. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 20 (1), 1–15. https://doi.org/10.1080/10255842.2016.1193596
  7. Eremina, G., Smolin, A., Xie, J., Syrkashev, V. (2022). Development of a Computational Model of the Mechanical Behavior of the L4–L5 Lumbar Spine: Application to Disc Degeneration. Materials, 15 (19), 6684. https://doi.org/10.3390/ma15196684
  8. Areias, B., Caetano, S. C., Sousa, L. C., Parente, M., Jorge, R. N., Sousa, H., Gonçalves, J. M. (2020). Numerical simulation of lateral and transforaminal lumbar interbody fusion, two minimally invasive surgical approaches. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 23 (8), 408–421. https://doi.org/10.1080/10255842.2020.1734579
  9. Más, Y., Gracia, L., Ibarz, E., Gabarre, S., Peña, D., Herrera, A. (2017). Finite element simulation and clinical follow-up of lumbar spine biomechanics with dynamic fixations. PLOS ONE, 12 (11), e0188328. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0188328
  10. Skrypa, O. L., Bandrivsky, Y. L. (2020). Determining the frequency of functional disorders of the TMJ in patients with mandible fractures depending on the location. Wiadomości Lekarskie, 73 (2), 245–249. https://doi.org/10.36740/wlek202002107
  11. Yamamoto, K., Matsusue, Y., Horita, S., Murakami, K., Sugiura, T., Kirita, T. (2019). Maxillofacial Fractures Associated With Interpersonal Violence. Journal of Craniofacial Surgery, 30 (4), e312–e315. https://doi.org/10.1097/scs.0000000000005306
  12. Stanford-Moore, G., Murr, A. H. (2022). Mandibular Angle Fractures. Facial Plastic Surgery Clinics of North America, 30 (1), 109–116. https://doi.org/10.1016/j.fsc.2021.08.009
  13. Mathew, N., Singh, I., Gandhi, S., Solanki, M., Bedi, N. S. (2020). The Efficacy of Fixation of Unilateral Mandibular Angle Fracture with Single 3D Plate vs Single Miniplate Using Transbuccal Approach. Journal of Maxillofacial and Oral Surgery, 21 (2), 405–412. https://doi.org/10.1007/s12663-020-01465-1
  14. Meslier, Q. A., Shefelbine, S. J. (2023). Using Finite Element Modeling in Bone Mechanoadaptation. Current Osteoporosis Reports, 21 (2), 105–116. https://doi.org/10.1007/s11914-023-00776-9
  15. Prasadh, S., Krishnan, A. V., Lim, C. Y. H., Gupta, M., Wong, R. (2022). Titanium versus magnesium plates for unilateral mandibular angle fracture fixation: biomechanical evaluation using 3-dimensional finite element analysis. Journal of Materials Research and Technology, 18, 2064–2076. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.03.111
  16. Orassi, V., Duda, G. N., Heiland, M., Fischer, H., Rendenbach, C., Checa, S. (2021). Biomechanical Assessment of the Validity of Sheep as a Preclinical Model for Testing Mandibular Fracture Fixation Devices. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 9. https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.672176
  17. Kurakar, M., Joshi, U. (2021). Comparative Study of Miniplate vs Reconstruction Plate in the Management of Bilateral Parasymphysis Mandible Fracture: FEM Analysis. Journal of Maxillofacial and Oral Surgery, 22 (1), 9–17. https://doi.org/10.1007/s12663-021-01649-3
  18. Snyder, E., Trabia, M., Trabelsi, N. (2022). An approach for simultaneous reduction and fixation of mandibular fractures. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 26 (9), 1064–1076. https://doi.org/10.1080/10255842.2022.2105143
  19. Overmann, A. L., Aparicio, C., Richards, J. T., Mutreja, I., Fischer, N. G., Wade, S. M. et al. (2020). Orthopaedic osseointegration: Implantology and future directions. Journal of Orthopaedic Research, 38 (7), 1445–1454. https://doi.org/10.1002/jor.24576
  20. Mao, B., Tian, Y., Wang, C., Liu, D., Zhou, Y., Li, J. (2023). The application of optimization design in stomatology: A literature review. Medicine in Novel Technology and Devices, 19, 100252. https://doi.org/10.1016/j.medntd.2023.100252
  21. Guha, I., Zhang, X., Rajapakse, C. S., Chang, G., Saha, P. K. (2022). Finite element analysis of trabecular bone microstructure using CT imaging and continuum mechanical modeling. Medical Physics, 49 (6), 3886–3899. https://doi.org/10.1002/mp.15629
  22. Golovanevskiy, V., Kondratiev, A. (2021). Elastic Properties of Steel-Cord Rubber Conveyor Belt. Experimental Techniques, 45 (2), 217–226. https://doi.org/10.1007/s40799-021-00439-3
  23. Li, J., Jansen, J. A., Walboomers, X. F., van den Beucken, J. JJP. (2020). Mechanical aspects of dental implants and osseointegration: A narrative review. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 103, 103574. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2019.103574
  24. Barua, S. L., Poduval, T. S., Rani, S., Jain, N., Thakur, S. (2023). Stress distribution in bone around an implant-supported three-unit fixed dental prosthesis using two different computer-aided designing/computer-aided milling provisional crown materials: Milled polymethylmethacrylate and milled polyetheretherketone – A finite element analysis. Dental Research Journal, 20 (1). https://doi.org/10.4103/1735-3327.372650
  25. Qiu, P., Cao, R., Li, Z., Fan, Z. (2024). A comprehensive biomechanical evaluation of length and diameter of dental implants using finite element analyses: A systematic review. Heliyon, 10 (5), e26876. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e26876
  26. Kondratiev, A., Demenko, V., Linetskiy, I., Weisskircher, H.-W., Linetska, L. (2024). Evaluation of Bone Turnover around Short Finned Implants in Atrophic Posterior Maxilla: A Finite Element Study. Prosthesis, 6 (5), 1170–1188. https://doi.org/10.3390/prosthesis6050084
  27. Pjetursson, B., Fehmer, V., Sailer, I. (2022). EAO Position Paper: Material Selection for Implant-Supported Restorations. The International Journal of Prosthodontics, 35 (1), 7–16. https://doi.org/10.11607/ijp.8013
  28. Linetskiy, I., Sutcliffe, M., Kondratiev, A., Demenko, V., Linetska, L., Yefremov, O. (2023). A Novel Method of Load Bearing Ability Analysis of Short Plateau Implants Placed in Compromised Bone. 2023 IEEE 4th KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek), 1–6. https://doi.org/10.1109/khpiweek61412.2023.10312831
  29. Gontarovskyi, P., Smetankina, N., Garmash, N., Melezhyk, I. (2021). Numerical Analysis of Stress-Strain State of Fuel Tanks of Launch Vehicles in 3D Formulation. Integrated Computer Technologies in Mechanical Engineering – 2020, 609–619. https://doi.org/10.1007/978-3-030-66717-7_52
  30. Gerlici, J., Lovska, A., Pavliuchenkov, M. (2024). Study of the Dynamics and Strength of the Detachable Module for Long Cargoes under Asymmetric Loading Diagrams. Applied Sciences, 14 (8), 3211. https://doi.org/10.3390/app14083211
  31. Sagin, S., Kuropyatnyk, O., Sagin, A., Tkachenko, I., Fomin, O., Píštěk, V., Kučera, P. (2022). Ensuring the Environmental Friendliness of Drillships during Their Operation in Special Ecological Regions of Northern Europe. Journal of Marine Science and Engineering, 10 (9), 1331. https://doi.org/10.3390/jmse10091331
  32. Lisiak-Myszke, M., Marciniak, D., Bieliński, M., Sobczak, H., Garbacewicz, Ł., Drogoszewska, B. (2020). Application of Finite Element Analysis in Oral and Maxillofacial Surgery – A Literature Review. Materials, 13 (14), 3063. https://doi.org/10.3390/ma13143063
  33. Matos, J. D. M. de, Queiroz, D. A., Nakano, L. J. N., Andrade, V. C., Ribeiro, N. de C. R., Borges, A. L. S. et al. (2022). Bioengineering Tools Applied to Dentistry: Validation Methods for In Vitro and In Silico Analysis. Dentistry Journal, 10 (8), 145. https://doi.org/10.3390/dj10080145
  34. Xie, B., Zhang, L., Wang, Y., Chu, Y., Lu, Y. (2024). Finite element analysis in the Dental Sciences: A Bibliometric and a Visual Study. International Dental Journal. https://doi.org/10.1016/j.identj.2024.08.005
  35. Kondratiev, A., Smetankina, N., Staude, V. (2024). Biomechanical Analysis of Stress–Strain Distribution in the Lumbar Spine-Sacrum-Pelvis System with Emphasis on Sacroiliac Joint Dysfunction. Prosthesis, 7 (1), 4. https://doi.org/10.3390/prosthesis7010004
  36. Ogurkowska, M. B., Błaszczyk, A. (2020). Distribution of Young’s modulus at various sampling points in a human lumbar spine vertebral body. The Spine Journal, 20 (11), 1861–1875. https://doi.org/10.1016/j.spinee.2020.06.013
  37. Müller, A., Rockenfeller, R., Damm, N., Kosterhon, M., Kantelhardt, S. R., Aiyangar, A. K., Gruber, K. (2021). Load Distribution in the Lumbar Spine During Modeled Compression Depends on Lordosis. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 9. https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.661258
  38. Kondratiev, A., Sutcliffe, M., Demenko, V., Linetskiy, I., Yefremov, O., Linetska, L. (2024). Efficiency of Miniplates Fixation in Mandibular Oblique Fractures. 2024 IEEE 5th KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek), 1–6. https://doi.org/10.1109/khpiweek61434.2024.10878063
  39. Alaneme, K. K., Kareem, S. A., Ozah, B. N., Alshahrani, H. A., Ajibuwa, O. A. (2022). Application of finite element analysis for optimizing selection and design of Ti-based biometallic alloys for fractures and tissues rehabilitation: a review. Journal of Materials Research and Technology, 19, 121–139. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.05.001
  40. Kuritsyn, A., Taranenko, I., Miroshnikov, V., Demenko, V., Kondratiev, A. (2024). Regression Analysis of Geometric Parameters of “Screw Implant – Maxillary Segment” Biomechanical System. Integrated Computer Technologies in Mechanical Engineering – 2023, 235–246. https://doi.org/10.1007/978-3-031-61415-6_20
  41. Perren, S. M. (1979). Physical and biological aspects of fracture healing with special reference to internal fixation. Clinical Orthopaedics and Related Research, 138, 175–196.
Finite element modeling of composite biomechanical structures: analysis of the lumbo-pelvis and cranial-maxillofacial complexes

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-02-27

Як цитувати

Кондратьєв, А. В. (2025). Скінченно-елементне моделювання композитних біомеханічних структур: аналіз попереково-тазового та краніо-максилофаціального комплексів. Technology Audit and Production Reserves, 1(1(81), 6–14. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2025.323751

Номер

Том 1 № 1(81) (2025): Виробничо-технологічні системи

Розділ

Механіка

Ліцензія

Авторське право (c) 2025 Andrii Kondratiev

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.