POLITECHNIKA ŚLĄSKA ZESZYTY NAUKOWE Nr 1651 Antoni JOHN SUB Gottingen 7 217 780 458 2005 A 3012 IDENTYFIKACJA I ANALIZA PARAMETRÓW GEOMETRYCZNYCH I MECHANICZNYCH KOŚCI MIEDNICZNEJ CZŁOWIEKA Gliwice 2004
SPIS TREŚCI 1. Wprowadzenie 7 2. Cel pracy 9 3. Przegląd stanu wiedzy z zakresu modelowania numerycznego kości miednicy człowieka 11 4. Podstawy biomechaniczne zagadnienia 15 4.1. Staw biodrowy 15 4.2. Miednica 15 4.3. Biomechanika stawu biodrowego 17 4.4. Układ mięśniowy 18 4.5. Budowa tkanki kostnej 19 4.6. Własności mechaniczne i fizyczne tkanki kostnej 22 5. Budowa modeli numerycznych kości miednicy człowieka 30 5.1. Wprowadzenie 30 5.2. Model powłokowy 32 5.3. Model bryłowy, warstwowy tworzony manualnie 33 5.4. Model warstwowy tworzony na podstawie danych z pomiarów współrzędnościowych i tomografii komputerowej 34 6. Modelowanie obciążenia kości miednicy 39 7. Warunki brzegowe w modelu numerycznym kości miednicy 46 8. Wyniki symulacji komputerowej 50 8.1. Wpływ warunków brzegowych na rozkłady naprężeń i przemieszczeń w modelu powłokowym kości miednicy człowieka 50 8.2. Hipotezy wytężeniowe w analizie numerycznej kości miednicy człowieka 52 8.3. Rozkłady naprężeń i przemieszczeń w modehrbryłowym kości miednicy człowieka 56 8.4. Model bryłowo-powłokowy kości miednicy 61 8.5. Rozkłady naprężeń i przemieszczeń w modelu warstwowym kości miednicy człowieka 62 9. Wrażliwość modelu numerycznego na zmianę wartości stałych materiałowych.. 65 10. Weryfikacja doświadczalna modeli numerycznych 69 10.1. Wprowadzenie 69
10.2. Metody doświadczalne 71 10.3. Metoda Elektronicznej Interferencji Obrazów Plamkowych 72 10.4. Pomiar przemieszczeń metodą elektronicznej interferencji obrazów plamkowych 73 10.5. Badanie własności mechanicznych struktur kostnych 76 10.5.1.Badanie własności mechanicznych tkanki gąbczastej 78 10.5.2. Badanie własności mechanicznych tkanki korowej 83 10.6. Analiza rozkładu gęstości i parametrów geometrycznych kości miednicznej 86 11. Identyfikacja stałych materiałowych kości miednicy człowieka 92 11.1. Sformułowanie zagadnienia 92 11.2. Zastosowanie algorytmu ewolucyjnego 93 11.3. Zastosowanie algorytmu ewolucyjnego i hiperpowierzchni 96 12. Opracowanie modelu miednicy człowieka uwzględniającego ortotropowe własności tkanki kostnej 101 13. Praktyczne wykorzystanie uzyskanych wyników 108 13.1. Opracowanie modeli numerycznych kości miednicznej po zabiegach chirurgicznych 108 13.2. Opracowanie wytycznych do przygotowania modelu numerycznego wspomagającego planowanie zabiegów operacyjnych 114 14. Podsumowanie 116 14.1. Ocena wyników pracy na tle badań literatury 116 14.2. Wnioski 118 Literatura 120 Streszczenia 136
CONTENTS 1. Introduction 7 2. The aim of work. 9 3. Review of knowledge concerning numerical modeling of human pelvic bonę 11 4. Biomechanical fundamentals 15 4.1. Pelvicjoint 15 4.2. Pelvicbone 15 4.3. Biomechanics of pelvic joint 17 4.4. Muscle system 18 4.5. Bonę tissue structure 19 4.6. The mechanical and physical properties of biological tissues 22 5. Numerical modeling of human pelvic bonę 30 5.1. Introduction 30 5.2. Shell model 32 5.3. Layer solid model creating manually 33 5.4. 3-D layer model creating on the ground of the data from coordinating machinę or CT 34 6. Modeling of pelvic bonę load 39 7. Boundary conditions in numerical model of pelvic bonę 46 8. Results of numerical simulations., 50 8.1. The influence of boundary conditions on displacement and stress distributions in shell model of pelvic bonę., 50 8.2. Yield criteria in numerical analysis of human pelvic bonę 52 8.3. The displacements and stress distribution in solid model of human pelvic bonę 56 8.4. Results for solid-shell model of pelvic bonę 61 8.5. The displacements and stress distribution in layer solid model of human pehdcbone 62 9. The sensitivity of numerical model on materiał coefficients 65 10. Experimental verification of numerical models 69 10.1. Introduction 69
10.2. Experimental methods 71 10.3. Electronic Speckle Pattern Interferometry Method 72 10.4. Measurement of displacement using ESPI 73 10.5. Testing of mechanical properties of bonę tissue structure 76 10.5.1. Testing of mechanical properties of trabecular bonę tissue 78 10.5.2. Testing of mechanical properties of cortical bonę tissue 83 10.6 The experimental analysis of density distribution and geometrical parameters of human pelvic bonę 86 11. The materiał coefficients identification of human pelvic bonę 92 11.1. Introduction 92 11.2. Evolutionary algorithm application 93 11.3. Hipersurface and evolutionary algorithm application 96 12. The preparation of orthotropic model of human pelvic bonę 101 13. The practical application of obtained results 108 13.1. The preparation of numerical model of pelvic bonę after surgical intervention 108 13.2. Instruction for preparation the numerical model for computer aided planning of surgical interventions 114 14. Summaries 116 14.1.Evaluation of results versus literaturę knowledge 116 14.2.Conclusions 118 References 120 Abstracts 136