بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تاثير تعداد رزوه و عمق نفوذ پيچ اورتوپدي بر استرس شيلدينگ در استخوان سالم و دچار پوکي
چکيده
هدف از انجام اين مطالعه پيش بيني اثر تعداد رزوه و عمق نفوذ پيچ هاي اورتوپدي در استخوان سالم و استخوان دچار پوکي مي باشد. پيچ هاي اورتوپدي ابزار رايجي براي تثبيت استخوان شکسته مي باشند. شل شدن پيچ ها در اثر استرس شيلدينگ و جذب استخوان ناشي از آن، از علل عدم موفقيت ترميم شکستگي هاست .
تاثير تعداد رزوه و عمق نفوذ با استفاده از روش اجزا محدود تخمين زده مي شود. مدل دو بعدي متقارن شامل استخوان متراکم ، اسفنجي و پيچ مي باشد. دو پارامتر STP و SEDTP تعريف مي شود که به ترتيب نسبت تنش و نسبت چگالي انرژي کرنشي را در رزوه پيچ به نقطه مجاور در استخوان بيان مي کند. مقادير دور از واحد اين پارامترها انتقال ضعيف تنش و چگالي انرژي کرنشي را بين پيچ و استخوان نشان مي دهد که نشانه اي از استرس شيلدينگ مي باشد.
با افزايش تعداد رزوه و افزايش عمق نفوذ پيچ در استخوان متراکم پارامتر هاي تعريف شده به يک نزديک مي شوند. در اثر پوکي استخوان ، چگالي و به طبع آن ضريب الاستيک استخوان کاهش مي يابد. با کاهش ضريب الاستيک استخوان اسفنجي ، مقدار پارامترها کاهش مي يابد.
با افزايش تعداد رزوه ي پيچ در گام ثابت ، احتمال بروز استرس شيلدينگ کاهش مي يابد. در استخوان دچار پوکي ، احتمال استرس شيلدينگ بيشتر از استخوان سالم است . با افزايش عمق نفوذ پيچ در استخوان متراکم مي توان استرس شيلدينگ و خطر شل شدن پيچ را کاهش داد.
واژه هاي کليدي
استرس شيلدينگ ، پوکي استخوان ، پيچ اورتوپديک ، تعداد رزوه ، عمق نفوذ.
مقدمه
پيچ هاي استخواني ميتوانند به تنهايي يا به همراه صفحات تثبيت کننده ١ براي اتصال قطعات استخوان شکسته به کار روند. شل شدن پيچ هاي استفاده شده براي تثبيت استخوان ، به دفعات در مقالات باليني گزارش شده است [١].
هنگامي که در جراحي قسمتي از اسکلت با يک ابزار مصنوعي جايگزين مي شود، تفاوت سختي و شکل ، جريان اصلي تنش ها را در استخوان تحت تاثير قرار مي دهد که اين امر باعث بروز پديده اي به نام استرس شيلدينگ ٢ مي شود[٢]. استرس شيلدينگ ، اثري مکانيکي است که در ساختارهايي داراي ترکيب مواد سخت با مواد نرم تر روي مي دهد[٣]. يک اصل ساده مکانيکي بيان مي کند که در هر سيستم مرکب از دو ماده به صورت موازي ، ماده سخت تر سهم بيشتري از بار را تحمل مي کند [٢و٤]. در اينجا نيز پيچ نقش ماده سخت تر را بازي مي کند. پيچ هاي تجاري موجود فلزي هستند و براي همين به طور چشمگيري سخت تر از استخوان هستند (ضريب الاستيک آنها حدود GPa ١٠٠ براي انواع تيتانيومي و GPa٢٠٠ براي انواع فولادي است در حالي که ضريب الاستيک استخوان ٢٠-١ GPa است ). در نتيجه اين اختلاف سختي ، بار داخلي بيشتر توسط پيچ تحمل مي شود و استخوان از تحمل تنش هاي مکانيکي معمول باز مي ماند. استرس شيلدينگ ، ميزان محرک تنش معمول استخوان را مطابق قانون وولف تغيير مي دهد[١]. قانون وولف بيان مي کند که جايي که بار افزايش مي يابد، بافت استخواني بيشتري در محل تحت بار ايجاد مي شود. بر عکس ، در مناطقي که بار کم مي شود، فقط تا حدي بافت استخواني باقي مي ماند که براي تحمل اين بار کاهش يافته کافي باشد [٢]. استرس شيلدينگ به عنوان دليل اصلي شروع فرآيند جذب استخوان و نتيجتا شل شدن پيچ در نظر گرفته مي شود. ميزان زياد استرس شيلدينگ در دراز مدت مي تواند منجر به کاهش چگالي استخوان ، از بين رفتن بافت استخواني و کم شدن ميزان استخوان لازم براي اصلاح و ترميم ، ايجاد مسيرهايي براي ورود ذرات فرساينده، شکستگي مجدد، شل شدن ترميم و حتي شل شدن ايمپلنت شود [٥و٦].
پوکي استخوان بيماري است که در آن چگالي استخوان کاهش مييابد و استخوان شکننده تر ميشود [٤]. اين پديده با از دست رفتن بافت استخوان و تخلخل آن همراه است و از مسائل پيچيده سالخوردگي ميباشد. پوکي استخوان از رايج ترين علل شکستگي در ميان کهنسالان ميباشد[٧]. استخوان در سن ٣٠ سالگي به بيشينه چگالي خود ميرسد و پس از آن با نرخي برابر ١ تا ٥ درصد در سال کم ميشود [٨].
اين مطالعه قصد دارد تا با مقايسه کمي ، اثر تعداد رزوه و عمق نفوذ پيچ را در استخوان سالم و استخوان دچار پوکي بررسي کند و به ارائه پيشنهاداتي عملي براي کاهش استرس شيلدينگ و کاهش احتمال شل شدن پيچ بپردازد.
مدل سازي
مدلي از استخوان و پيچ به صورت دو بعدي و متقارن ، با اسـتفاده از ANSYS APDL ايجاد شد. مدل شامل اجزاي ذيل ميباشد: ١- استخوان متراکم که به صورت دو لايه و به ضخامت mm٣ ميباشد، ٢- حجمياز استخوان اسفنجي که بين دو لايه استخوان متراکم قرار دارد و ٣- پيچ که عمود بر سطح استخوان قرار مـي گيـرد. ضـخامت استخوان متراکم نمونه اي از استخوان ران ميباشد. تمـامي مـواد بـه صورت همگن و ايزوتروپيک مدل شده اند. ضريب الاستيک استخوان متراکم GPa ٢٠ در نظر گرفته شده است . استخوان اسفنجي ضريب الاستيکي برابر GPa ١ (استخوان سـالم ) تـا GPa ٠.٥ (اسـتخوان اسفنجي دچار پوکي ) دارد. ضريب الاستيک پيچ برابر GPa ١٠٥ در نظر گرفته شده است که پيچ تيتانيومي (آلياژ 4V-Ti-Al) را شبيه سازي ميکند. نسبت پوآسون تمامي مواد برابر ٠.٣ در نظـر گرفتـه شده است [١و٩]. در تحليل ها به جز تعداد رزوه يا طـول قسـمت بدون رزوه ، تمامي پارامترهاي پيچ ثابت در نظر گرفته شده است .
شرط مرزي ثابت براي جلـوگيري از جابجـايي ، در مـرز بيرونـي استخوان اعمال شده اسـت . محـور تقـارن مـدل در راسـتاي محـور مرکزي پيچ قرار دارد که فقط امکان جابجايي عمـودي را مـي دهـد.
نيروي N ٨٠ که به زير گل پيچ وارد ميشود، نيروي بيرون کشنده ١ را شبيه سازي ميکند. تماس بين پيچ و استخوان به جز زير گل پيچ به صورت متصل ٢ ميباشد (شکل ١).
شکل ١: هندسه ، شرايط مرزي ، بارگذاري ، نقاط مورد استفاده براي محاسبه پارامترها
تحليل تنش و کرنش تحت چنين شرايطي ، توزيع و انتقال تنش را بين پيچ و استخوان نشان ميدهد. مزيت مـدل سـاده، عـلاوه بـر سهولت اجرا اين است که ميتوان اثر هر عامل را با مجزا کـردن اثـر ساير عوامل بررسي کرد. مدل ايجاد شده توسط نرم افزار اجزا محدود شامل ٤٥٠٠ تا ٥٠٠٠ المان ٨ نقطه اي ٣ ميباشد. در اين تحقيـق از دو پارامتر بي بعد STP و SEDTP استفاده شد که به ترتيب نسبت تنش و نسبت چگالي انرژي کرنشي را در رزوه پيچ به نقطه مجاور در استخوان بيان ميکند. به منظور کميکردن ميزان انتقال تنش بـين پيچ و اسـتخوان و ارائـه معيـاري از احتمـال اسـترس شـيلدينگ در استخوان ، نياز به تعريف پارامترهاي زير ميباشد.
پارامتر اول STP ميباشد که به صورت زير تعريف ميشود:
که ميزان انتقال تنش را بين رزوه i-ام پـيچ و اسـتخوان مجـاور آن نشان ميدهد و
که ميزان ميانگين تنش را بـراي مجمـوع رزوه هـاي پـيچ نشـان ميدهد. در معادلات بالا تـنش معـادل رزوه i-ام اسـت و تنش حجمياز استخوان است که در بالاي آن قرار ميگيرد. N تعداد کل رزوه ها را نشان ميدهد[١و٩].
پارامتر دوم ، پارامتر انتقال انرژي کرنشي ناميده ميشود. چگـالي انرژي کرنشي يک تابع عددي ميباشد کـه متناسـب بـا حاصلضـرب تنش و کرنش ماده مي باشد. تئوري هاي جديد نوسازي ٤ استخوان چگالي انرژي کرنشي و نه تنش را به عنوان محرکـي بـراي جـذب و تحليل استخوان معرفي ميکنند. تحقيقات نشان ميدهد که چگالي انرژي کرنشي محرک قوي تري براي شروع فرآيند نوسازي اسـتخوان ميباشد[١٠و١١]. مشـابه پارامتره اي قبلـي ، پـارامتر SEDTP بـه صورت زير تعريف ميشود:
که در آن مشابه قبل تعريف شـدهانـد بـه ترتيب ميزان کرنش در ميانه رزوه و کرنش در استخوان بـالاي رزوه ميباشد [١٠].
با محاسبه مقادير STP و SEDTP براي هـر رزوه بـه صـورت مجزا ميتوان احتمال بروز استرس شيلدينگ را در اطـراف هـر رزوه بررسي کرد.
نتايج
با حل مدل به وسيله نرم افزار اجزا محدود، تعامـل بـين اسـتخوان و پيچ مشخص شد و به وسيله پارامترهاي تعريف شـده، بـه صـورت کمي مورد بررسي قرار گرفت . انتقال بار بين پيچ و استخوان هنگامي مطلوب است که اين پارامترهاي تعريف شده به مقدار واحد نزديک تر باشند.
الف - تاثير تعداد رزوه
در تئوري اگر خواص پيچ مشابه استخوان باشد، از آنجا که استخوان و پيچ ميزان مشابهي از بار را تحمل مي کنند، پيش بيني مي شـود که تنش و چگالي انرژي کرنشي توزيع تقريبا همگني داشته باشـد.
بنابراين پارامترهاي تعريف شده بايد به مقدار يک نزديک شوند. براي رزوه هاي يک پيچ ٩ رزوه اي پارامتر که مربوط به اولين رزوه مي باشد، از مقادير مربوط به ساير رزوه هـا بـه شدت بيشتر است و فاصله بيشتري از مقـدار واحـد دارد کـه نشـان مي دهد که براي اين رزوه ميزان تنش و چگالي انـرژي کرنشـي در پيچ بسيار بيشتر از ميزان تنش و چگالي انرژِي کرنشي در اسـتخوان مي باشد (شـکل ١). نتـايج فـوق بـا مطالعـات ديگـر سـازگاري دارد
[١٢و١٣].
