Charakterystyka biomechaniczna układu gwodzie ródszpikowe ko udowa z wykorzystaniem MES

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Charakterystyka biomechaniczna układu gwodzie ródszpikowe ko udowa z wykorzystaniem MES"

Kornelia Bednarczyk
8 lat temu
Przeglądów:

1 AMME th Charakterystyka biomechaniczna układu gwodzie ródszpikowe ko udowa z wykorzystaniem MES A. Krauze, W. Kajzer, J. Marciniak Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika lska, ul. Konarskiego 18a, Gliwice, Poland W pracy przedstawiono charakterystyk biomechaniczn układu ko udowa gwodzie ródszpikowe. W szczególnoci wyznaczono stan napre i przemieszcze elementów gwodzi ródszpikowych stosowanych w osteosyntezie koci udowej u dzieci. Obliczenia przeprowadzono dla obcie wynikajcych z masy 5 cio letniego dziecka, podczas stania na jednej nodze. Uzyskane wyniki mog by podstaw do optymalizacji cech geometrycznych implantów, jak i własnoci mechanicznych biomateriału metalicznego, z którego przewiduje si ich wykonanie. 1. WPROWADZENIE Złamania koci udowej to najczstsze urazy w ortopedii dziecicej. Złamania te wystpuj zarówno we wczesnym dziecistwie, gdy słaba struktura koci zmienia si w silniejsz, jak równie w okresie dorastania w wyniku urazów spowodowanych np. wypadkami komunikacyjnymi. Wiek pacjenta jest znaczcym czynnikiem wpływajcym na wybór metody stabilizacji dla danego typu złamania w okresie wzrostu, poniewa istnieje szereg rónic pomidzy złamaniami oraz ich leczeniem u dzieci i u dorosłych. Do podstawowych rónic w sposobie leczenia złama u dzieci nale [1]: dominujce leczenie zachowawcze, krótszy okres unieruchomienia, bezwzgldne unikanie agresywnej ingerencji w obrbie przynasad tzn. w okolicach chrzstk wzrostowej w przypadku leczenia operacyjnego, znacznie mniej nasilona rehabilitacja po urazach. Elastyczne gwodzie ródszpikowe stosowane s od kilkunastu lat u dzieci do zespole złama koci. Po raz pierwszy uył ich do leczenia dzieci Mann w 1986 roku. Stwierdził on, i stosowanie elastycznego ródszpikowego gwodziowania do zespalania złama koci u dzieci jest metod uniwersaln i dajc lepsze rezultaty ni leczenie tradycyjne. Osteosynteza ródszpikowa w porównaniu z zewntrznym unieruchamianiem koci posiada wiele zalet takich jak: szybsza stabilizacja złamania, natychmiastowa moliwo poruszania si pacjenta po operacji oraz szybki anatomiczny zrost koci. Leczenie złama poprzez gwodziowanie daje moliwo korekty zagicia ktowego odłamów oraz pozwala unikn

Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice, Poland W pracy przedstawiono charakterystyk biomechaniczn układu ko udowa gwodzie ródszpikowe.

2 534 A. Krauze, W. Kajzer, J. Marciniak unieruchomienia gipsowego, przez co moliwy jest szybszy powrót pacjenta do codziennego ycia. Jedn z najbardziej znaczcych zalet leczenia za pomoc elastycznych gwodzi jest ochrona okostnej i tkanki mikkiej w rejonie złamania prowadzca do szybszego zrostu. Przeciwwskazaniami do stosowania gwodziowania s złamania w czci bliszej lub dalszej koci udowej, które uniemoliwiaj wprowadzenie gwodzia, jak równie złamania spiralne lub rozdrobnione [2]. Gwodzie po ich wprowadzeniu do kanału ródszpikowego stykaj si z wewntrzn cian koci korowej w trzech punktach rys.1. Dziki temu siły trakcji przekształcaj si w siły kompresji, co pobudza tworzenie kostniny a) b) Rys.1. Zasada osteosyntezy elastycznymi gwodziami ródszpikowymi [3]: a) prowadzone prty maj trzy punkty styku z warstw korow, b) siły trakcji s przekształcane w siły naprenia (kompresji) 2. METODYKA BADA 2.1. Model obcienia koci udowej Ze wzgldu na due trudnoci w zamodelowaniu działania wszystkich mini działajcych w rejonie stawu biodrowego podczas podparcia ciała na jednej nodze, w analizie zostały uwzgldnione jedynie te minie, które maj najwikszy wpływ na rozkład sił w okolicy koci udowej. W modelu uwzgldniono pasmo biodrowo piszczelowe PBP, które zostało zamodelowane jako złoenie mini poladkowego duego oraz tensor fasciae latae. Siły mini odwodzicieli SO (misie poladkowy mały i redni) zostały dodane, a pocztek siły wypadkowej znajduje si na krtarzu wikszym. Wektor siły od minia biodrowoldwiowego zaczepiony został na krtarzu mniejszym rys. 2.

Przeciwwskazaniami do stosowania gwodziowania s złamania w czci bliszej lub dalszej koci udowej, które uniemoliwiaj wprowadzenie gwodzia, jak równie złamania spiralne lub rozdrobnione [2].

3 Charakterystyka biomechaniczna układu gwodzie ródszpikowe 535 Rys. 2. Kierunki działania sił w przyjtym modelu obcienia koci udowej [4,5] Wartoci sił mini i reakcji w stawie biodrowym w przypadku podparcia na jednej nodze wynikaj z masy ciała 5 cio letniego dziecka Budowa modelu geometrycznego Komputerowa analiza biomechaniczna zespolenia gwód ródszpikowy ko udowa została przeprowadzona dla koci dziecka w wieku 5 lat o masie 20 kg. Model koci udowej został opracowany przy pomocy tomografii komputerowej (CT) i udostpniony w postaci pliku IGES przez Pacific Research Labs, Vashon Island [6]. W modelu koci została uwzgldniona jedynie tkanka korowa - rys. 3a. W czci rodkowej koci zostało zasymulowane złamanie skone. Szczelin pomidzy odłamami przyjto 1,5 mm. Do kanału szpikowego zostały wprowadzone metod wstpujc dwa gwodzie - rys. 3b. Na tak przygotowany model nałoono siatk elementów skoczonych. Cechy geometryczne gwodzi zostały dobrane w odniesieniu do rednicy kanału szpikowego tabela 1. a) b) Rys. 3. Modele numeryczne: a) koci udowej b) gwodzi ródszpikowych Tabela 1 Cechy geometryczne analizowanych gwodzi ródszpikowych [7] Wiek pacjenta, rednica kanału rednica gwodzia, Długo gwodzia, mm lata szpikowego, mm mm

2. Budowa modelu geometrycznego Komputerowa analiza biomechaniczna zespolenia gwód ródszpikowy ko udowa została przeprowadzona dla koci dziecka w wieku 5 lat o masie 20 kg.

4 536 A. Krauze, W. Kajzer, J. Marciniak W okolicach podkrtarzowych koci oraz w górnych kocach gwodzi siatka została zagszczona, aby istniała moliwo połczenia wzłów koci z wzłami implantów. Materiał koci oraz gwodzi został przyjty jako: liniowo sprysty, izotropowy i jednorodny, w którym zachodzi liniowa zaleno midzy przemieszczeniem i napreniem (zgodnie z prawem Hook a). W modelu nie została uwzgldniona anizotropia czy lepkosprysto, które mog wystpowa w rzeczywistoci. Wartoci modułu Young a i współczynnika Poissona zostały przyjte odpowiednio, dla koci: E = 1,8*10 4 MPa i ν = 0,3, natomiast dla gwodzi: E = 2*10 5 MPa ν = 0,3 [4]. Ko została utwierdzona na całej powierzchni kłykci. W miejscu złamania został załoony kontakt pomidzy gwodziami, a koci. Kocówki gwodzi zostały utwierdzone w dolnej ich czci - rys. 4, a w górnej przyczepione do tkanki korowej. Rys. 4. Sposób załoenia podpór na koci 2.4. Analiza przemieszcze i napre Przeprowadzona analiza polegała na wprowadzeniu geometrii koci udowej oraz gwodzi do programu Ansys, załoeniu materiałów i sprecyzowanie ich własnoci oraz obcieniu całego układu zgodnie z siłami działajcymi w rzeczywistoci w przypadku podparcia ciała na jednej nodze. Analiza miała na celu wyznaczenie napre w gwodziach ródszpikowych (według hipotezy Hubera Misesa), oraz ich przemieszcze wzdłu osi z 3. WYNIKI BADA Wyniki przeprowadzonych oblicze symulacyjnych przedstawiono na rys. 5. W pierwszej kolejnoci analizowano wielkoci przemieszcze elementów gwodzi w obszarze szczeliny złamania. Na podstawie przeprowadzonej analizy zaobserwowano, e gwodzie ograniczone wewntrznymi powierzchniami koci przemieszczaj si pod wpływem obcienia wzdłu osi koci (o z ). Maksymalne przemieszczenie wzdłu tej osi wynosi 1,19 mm rys 5c. Widoczne jest równie wygicie gwodzi pod wpływem obcienia wzdłu osi x i y rys. 5a i 5b. Analizujc wartoci napre w implantach mona zauway, e w gwodziu wprowadzonym od strony bocznej koci wystpuj wiksze naprenia ni na

W modelu nie została uwzgldniona anizotropia czy lepkosprysto, które mog wystpowa w rzeczywistoci.

5 Charakterystyka biomechaniczna układu gwodzie ródszpikowe 537 wprowadzonym od strony rodkowej rys 5d i 5e. Jest to spowodowane miejscem działania siły pochodzcej od reakcji w stawie. Naprenia te nie przekraczaj 700 MPa, poza fragmentem, gdzie gwód ten styka si bezporednio z koci. a) b) c) d) e) Rys.5. Wyniki oblicze numerycznych: a) przemieszczenia elementów gwodzi wzdłu osi x, b) przemieszczenia elementów gwodzi w osi y, c) przemieszczenia elementów gwodzi wzdłu osi z, d) naprenia w górnej czci gwodzi, e) naprenia w dolnej czci gwodzi

Naprenia te nie przekraczaj 700 MPa, poza fragmentem, gdzie gwód ten styka si bezporednio z koci. a) b) c) d) e) Rys.5.

6 538 A. Krauze, W. Kajzer, J. Marciniak 4. WNIOSKI W zaprezentowanym modelu przyjto pewne uproszczenia, które bd eliminowane podczas dalszych, szczegółowych analiz. Na podstawie przeprowadzonych bada symulacyjnych wyznaczono zakres przemieszcze oraz stan napre w gwodziach ródszpikowych. Analiza uzyskanych wyników oblicze symulacyjnych pozwala na sformułowanie nastpujcych wniosków: maksymalne przemieszczenie elementów gwodzi w miejscu złamania wynosi 1,19 mm, a wic nie została przekroczona dopuszczalna warto 1,5 mm, wielko napre w gwodziach ródszpikowych nie przekroczyła 700 MPa, oprócz fragmentów w obszarze styku kocówki gwodzi z koci co jest uzasadnione przyjtymi uproszczeniami. Uzyskane wyniki mog by podstaw do optymalizacji cech geometrycznych i analizy doboru własnoci materiału. Przyjty model obcienia moe by podstaw do dalszych, bardziej precyzyjnych analiz biomechanicznych zespolenia ko gwód ródszpikowy. LITERATURA 1. Okłot K.: Traumatologia wieku rozwojowego. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 1999, s Schmittenbecher P. P., Dietz H. G., Linhart W. E., Slongo T.: Complications and problems in intramedullary nailing of children`s fractures European Journal of Trauma 2000, 26, A.S.Barczyski, T.S.Gadzik : Leczenie złama trzonu koci udowej u dzieci metod sprystego gwodziowania szpikowego Metizeau. Katedra i Oddział Kliniczny Ortopedii lskiej Akademii Medycznej s Stolk J., Verdonschot N., Huiskes R.: Hip-joint and abductor-muscle forces adequately represent in vivo loading of a cemented total hip reconstruction. Journal of Biomechanics 34, 2001, J.A. Simoes, M.A. Vaz, S. Blatcher, M. Taylor: Influence of head constraint and muscle forces on the strain distribution within the intact femur. Medical Engineering & Physics 22 (2000) J. Prevot, J. P. Metaizeau, J. N. Ligier, P. Lascombes, E. Lesur, G. Dautel: Elastic stable intramedullary nailing (E.S.I.N.). Edition Techniques Encycl. Med. Chir. (Paris, France). Surgical techniques Orthopedics Traumatology, , 1993, 13.

Analiza uzyskanych wyników oblicze symulacyjnych pozwala na sformułowanie nastpujcych wniosków: maksymalne przemieszczenie elementów gwodzi w miejscu złamania wynosi 1,19 mm, a wic nie została

Podobne dokumenty

Optymalizacja cech geometrycznych stentu wiecowego z wykorzystaniem metody elementów skoczonych*

AMME 2003 12th Optymalizacja cech geometrycznych stentu wiecowego z wykorzystaniem metody elementów skoczonych* W. Walke, Z. Paszenda, J. Marciniak Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Wydział