بخشی از مقاله
بررسی عوامل موثر بر نحوه عملکرد پروتز جایگزین مفصل هیسپ و تحلیل المان محدود
چکیده - هدف از این مقاله بررسی عوامل موثر بر نحوه عملکرد پروتز هیپ جهت بهینه سازی هندسه پروتز جایگزین مفصل می باشد. تغییر اندازه اجزاء پروتز باعث تغییر در عواملی مانند رنج حرکت، احتمال قفل شدن، در رفتگی و همچنین توزیع تنش در مورد پروتزهای جایگزین در بدن می شود. در این مقاله عوامل موثر بر تغییر اندازه اجزاء مورد بررسی قرار گرفته است و به روش المان محدود تحلیل شده اند. در این مقاله با تفییر اندازه اجزاء مختلف پروتز جایگزین سفصل مانند اندازه راس فمور، اندازه گردن فمورد عواملی مانند رنج حرکت و احتمال قفل شدن پروتز و توزیع نیرویی وارد بر آن مورد بررسی قرار گرفته اند. برای تحلیل های نیرویی از روش المان محدود استفاده شده استد برای انجام موارد ذکر شده ابتدا شکل هندسی پروتز به صورت سه بعدی مدل سازی شده سپس تغییرات اندازه و شکل هندسی اعمال شده و به تحلیل رنج حرکت و آنالیز نیرویی و تحلیل تسنش پرداخته شده است. برای انجام تحلیل های المان محدود از نرم افزار ABAQUS استفاده شده است. با توجه به بررسی های تئوری و شبیه سازی می توان گفت که با افزایش اندازه راس فمور در پروتز هیپ، افزایش رنج حرکت، کاهش احتمال قفل شدن و همچنین کاهش احتمال در رفتگی اجزاء پروتز نتیجه شده و از طرف دیگر باعث افزایش میزان کل سایش ایجاد شده می شود. همچنین استفاده از گردن بار یک تر باعث افزایش در رنج حرکت شده ولی از طرف دیگر باعث افزایش تمرکز تشش می شود.
کلید واژه- پروتز هیپ، المان محدود، رنج حرکت، شکل هندحسی پروتز فمور
ا– مقدمه
یکی از مسائل اساسی در ارتوپدی نحوه طراحی پرونز است، طراحی پروتزهای اتصال هیپ فرایند پیچیده ای است که نیاز به یک تبادل مشترک بین جراحان و مهندسان دارد. برای طراحی یک پروتز با مقاومت بالا بایستی فرایندهای طبیعی که برای استخوان اتفاق می افتد در نظر گرفته شود. پروتز جایگزین مفصل هیپ به میلیونها نفری که از درد مفاصل و یا آسیب دیدن مفصل لگن رنج می برند کمک می کند و به آنها امکان حرکت دوباره می دهد. تحقیقات مختلفی در رابطه با طراحی بهینه و نحوه قرار گیری (زاویه) پروتز جایگزین مفصل در بدن و همچنین روش هایی جهت بهبود و افزایش عمر این پروتز انجام شده است [2 و 1]. تعداد جراحی های تعویض مفصل هر ساله در حال افزایش است و بیش از ۸۰۰۰۰۰ تخمین زده شده است. این مورد همچنین در مورد افراد جوان که بارهای بیشتری و با فرکانس های بیشتری را بر روی مفصلشان تحمل می کندد نسپت به افراد مسن بیشتر به چشم می خورد. بنابراین نیاز شدیدی برای طراحی بهتر پروتز هیپ وجود دارد .
۲- روش کار
در این مقاله با بررسی تفییر در اجزاء مختلف پروتز جایگزین مفصل مانند اندازه راس قمور، اندازه گردن فمورد شکل هندسی گردن (کروی و یا بیضوی)، عواملی مانند رنج حرکت و احتمال در رفتگی پروتز و توزیع تنش وارد بر آن مورد بررسی قرار گرفته انسد. برای تحلیل های نیرویی از روش المان محدود استفاده شده است. برای انجام صوارد ذکر شده ابتدا شکل هندسی پروتز به صورت سه بعدی مدل سازی شده سپس تغییرات اندازه و شکل هندسی اعمال شده و به تحلیل رنج حرکت و آنالیز نیرویی و تحلیل تنش پرداخته شده است. برای انجام تحلیل های المان محدود از نرم افزار ABAQUS استفاده شده است. در ادامه به مراحل انجام کار اشاره شده است،
۲- ۱ تغییر در اندازه راس پروتز
در این مرحله با تفییر در اندازه راس پروتز به بررسی تاثیر ان بر عملکرد پروتز پرداخته شده است، شکل ۱ نمای تغییر اندازه راس پروتز را ارائه می کند. با توجه در شکل ۱ ملاحظه می شود که با افزایش اندازه راس پروتز باعث افزایش رنج حرکتی Range of) Motion می شود.
شکل ۱: نمایش تغییر رنج حرکت با تغیر اندازه راس پروتز
شکل ۲ نمایش میزان فاصله عبوری برای خارج شدن راس پروتز از قسمت کاسه ای شکل را نشان می دهد. با توجه در شکل ۲ ملاحظله می شود که با افزایش راس پروتز فاصله لازم برای خارج شدن راس پروتز از قسمت کلاسه ای شکل افزایش می یابد که باعث کاهش امکان در رفتگی اجزاء پروتز می شود.
پروتز با واس کوچک تر
پروتز با راس بزرگ تر
Y>x
شکل ۲: نمایش فاصله لازم برای خارج شدن راس پروتز از قسمت کاسه ای شکل
برای تحلیل تنش جهت بررسی تاثیر تغییر ابعاد و اس پروتز ابتدا مدل Cad پروتز ایجاد شده است و توسط روش المان محدود تحلیل شده است. شکل ۲ نمایش مدل های ایجاد شده دو نرم افزار Cad را ارائه می نماید. مدل های ارائه شده به گونه ای طراحی شده اند که با تغییر در اندازه راس پروتز ابعاد قسمت پوسته خارجی تغییری نداشته باشد.
شکل ۳: نمایش مدل های ایجاد شده
در این تحقیق ابتدا پروتز جایگزین مفصل هیپ به صورت سه بعدی مدل سازی شده است. برای احراز شرایط شبیه سازی و واقعیت ابتدا از قسمت پلویس (Pel ViS) لگن (قسمت کاسه ای شکل هیپ) تصاویر سی تی اسکن (CT Scan) تهیه شده سپس توسط نرم افزار هایی MIMICS و GEOMAGIC از فایل های سی تی اسکن مربوطه تصویر سه بعدی به فرمت Sat استخراج شده است. در این مراحل قسمت بافت نرم توسط نرم افزار MIMICS از بافت سخت جدا شده و پس از آن قسمت پلویس استخوان لگن از بقیه قسمت ها جدا شده و توسط نرم افزار GEOMAGIC ویرایش های مورد نیاز اعمال شده استه پس از آن اجزاء فمور به صورت سه بعدی در نرم افزار Mechanical مدل سازی شده است و به طور دقیق بر روی پلویس مونتاژ شده است، برای انجام تحلیل المان محدود از نرم افزار ABAQUS استفاده شده استه قطعات ایجاد شده (به فرصت Sat) به صورت یک Part مجزا در نرم افزار ABAQUS آورده شده است. در شکل ۴ نمایش مونتاژ شده پروتز بر روی پلویس آورده شده است.
