IDENTYFIKACJA I ANALIZA PARAMETRÓW GEOMETRYCZNYCH I MECHANICZNYCH KOŚCI MIEDNICZNEJ CZŁOWIEKA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA ZESZYTY NAUKOWE Nr 1651 Antoni JOHN SUB Gottingen A 3012 IDENTYFIKACJA I ANALIZA PARAMETRÓW GEOMETRYCZNYCH I MECHANICZNYCH KOŚCI MIEDNICZNEJ CZŁOWIEKA Gliwice 2004

2 SPIS TREŚCI 1. Wprowadzenie 7 2. Cel pracy 9 3. Przegląd stanu wiedzy z zakresu modelowania numerycznego kości miednicy człowieka Podstawy biomechaniczne zagadnienia Staw biodrowy Miednica Biomechanika stawu biodrowego Układ mięśniowy Budowa tkanki kostnej Własności mechaniczne i fizyczne tkanki kostnej Budowa modeli numerycznych kości miednicy człowieka Wprowadzenie Model powłokowy Model bryłowy, warstwowy tworzony manualnie Model warstwowy tworzony na podstawie danych z pomiarów współrzędnościowych i tomografii komputerowej Modelowanie obciążenia kości miednicy Warunki brzegowe w modelu numerycznym kości miednicy Wyniki symulacji komputerowej Wpływ warunków brzegowych na rozkłady naprężeń i przemieszczeń w modelu powłokowym kości miednicy człowieka Hipotezy wytężeniowe w analizie numerycznej kości miednicy człowieka Rozkłady naprężeń i przemieszczeń w modehrbryłowym kości miednicy człowieka Model bryłowo-powłokowy kości miednicy Rozkłady naprężeń i przemieszczeń w modelu warstwowym kości miednicy człowieka Wrażliwość modelu numerycznego na zmianę wartości stałych materiałowych Weryfikacja doświadczalna modeli numerycznych Wprowadzenie 69

3 10.2. Metody doświadczalne Metoda Elektronicznej Interferencji Obrazów Plamkowych Pomiar przemieszczeń metodą elektronicznej interferencji obrazów plamkowych Badanie własności mechanicznych struktur kostnych Badanie własności mechanicznych tkanki gąbczastej Badanie własności mechanicznych tkanki korowej Analiza rozkładu gęstości i parametrów geometrycznych kości miednicznej Identyfikacja stałych materiałowych kości miednicy człowieka Sformułowanie zagadnienia Zastosowanie algorytmu ewolucyjnego Zastosowanie algorytmu ewolucyjnego i hiperpowierzchni Opracowanie modelu miednicy człowieka uwzględniającego ortotropowe własności tkanki kostnej Praktyczne wykorzystanie uzyskanych wyników Opracowanie modeli numerycznych kości miednicznej po zabiegach chirurgicznych Opracowanie wytycznych do przygotowania modelu numerycznego wspomagającego planowanie zabiegów operacyjnych Podsumowanie Ocena wyników pracy na tle badań literatury Wnioski 118 Literatura 120 Streszczenia 136

4 CONTENTS 1. Introduction 7 2. The aim of work Review of knowledge concerning numerical modeling of human pelvic bonę Biomechanical fundamentals Pelvicjoint Pelvicbone Biomechanics of pelvic joint Muscle system Bonę tissue structure The mechanical and physical properties of biological tissues Numerical modeling of human pelvic bonę Introduction Shell model Layer solid model creating manually D layer model creating on the ground of the data from coordinating machinę or CT Modeling of pelvic bonę load Boundary conditions in numerical model of pelvic bonę Results of numerical simulations., The influence of boundary conditions on displacement and stress distributions in shell model of pelvic bonę., Yield criteria in numerical analysis of human pelvic bonę The displacements and stress distribution in solid model of human pelvic bonę Results for solid-shell model of pelvic bonę The displacements and stress distribution in layer solid model of human pehdcbone The sensitivity of numerical model on materiał coefficients Experimental verification of numerical models Introduction 69

5 10.2. Experimental methods Electronic Speckle Pattern Interferometry Method Measurement of displacement using ESPI Testing of mechanical properties of bonę tissue structure Testing of mechanical properties of trabecular bonę tissue Testing of mechanical properties of cortical bonę tissue The experimental analysis of density distribution and geometrical parameters of human pelvic bonę The materiał coefficients identification of human pelvic bonę Introduction Evolutionary algorithm application Hipersurface and evolutionary algorithm application The preparation of orthotropic model of human pelvic bonę The practical application of obtained results The preparation of numerical model of pelvic bonę after surgical intervention Instruction for preparation the numerical model for computer aided planning of surgical interventions Summaries Evaluation of results versus literaturę knowledge Conclusions 118 References 120 Abstracts 136