بخشی از مقاله
چکیده
تنش شکست یک نوع شکست بیومکانیکی استخوان است که بر اثر حرکتهاي فیزیکی شدید و یا به علت ضعف در بافت استخوانی به وجود می آید. این نوع شکست براي افراد مسن و ورزشکاران داراي اهمیت زیادي میباشد زیراکه به علت مرگ سلولی در پارهاي از موارد با وجود عمل جراحی سریع باز هم ممکن است فرد مصدوم به ناتوانی هاي مادامالعمر دچار شود به همین دلیل مطالعه هرچه بیشتر در این زمینه به محققان در صنعت و دانش پزشکی کمک میکند تا ابزار و راهکارهاي سازندهتري چه در زمینه جلوگیري و چه در زمینه روشهاي معالجه این نوع شکست بیابند و امکان ادامه زندگی را براي افراد مصدوم که قشر وسیعی را تشکیل میدهند را فراهم آورند . در این تحقیق، یک مدل سه بعدي از استخوان ران انسان ساخته شد و تحت بارهاي نقطهاي، گسترده و بخشیگسترده مورد بررسی قرار گرفت و تحلیل اجزاي محدود آن با استفاده از نرمافزارهاي تجاري رایج انجام شد. مواد مورد استفاده بصورت ایزوتروپیک کشسان درنظر گرفته شد. نتایج بدست آمده مشخص کرد که تنشهاي حداکثر در وسط محور و زیر ریشه گردن استخوان ران اتفاق می افتد و در نهایت مقادیر کرنشهاي بدست آمده سازگاري خوبی را با نتایج موجود از آزمایشهاي پیشین نشان داد و بدین گونه، روش مدلسازي اجزاي محدود و سادهسازي استفاده شده مورد بررسی قرار گرفت و صحت آنها مشخص گردید.
واژگان کلیدي: بیومکانیک، تحلیل اجزاي محدود، روش مهندسی معکوس، استخوان انسان
-1 مقدمه
یکی از اعضاي مهم بدن انسان، استخوان ران است و شکست بیومکانیکی آن مخصوصا در ناحیه گردن ران جز مسائل مهم مهندسی پزشکی محسوب میشود زیرا که تشخیص چگونگی شکست و درمان آن بسیار دشوار است 10]، . [13 شکستگی استخوان ران در حدود 20 درصد موارد بعد از گذشت یک سال منجر به فوت میگردد و تعداد 20 درصد از نجات یافتگان به علت مشکلات ناشی از این نوع شکستگی مجبور میشوند در بیمارستانها به سر ببرند و تعداد بسیار زیادي از باقی مصدومان مجبور به گذراندن دوره هاي توانبخشی طولانی مدت می گردنند 2]، 11، . [15 شکستگی استخوان ران یکی از مهمترین و جديترین نتایج پوکی استخوان است که اغلب به کاهش فعالیتهاي حرکتی فرد بیمار می انجامد 1]، .[18 البته نوع و چگونگی این شکست در افراد مختلف، متفاوت است.
این نوع شکستگی هزینههاي سنگینی را چه از نظر اقتصادي و چه از نظر انسانی مخصوصا به جوامعی با میانگین سنی بالا تحمیل می کند .[3] نوع دیگري از شکستگی استخوان ران که به نام مصدومیت با انرژي بالا شناخته می شود، مربوط به شکستگی محور استخوان ران میباشد که بیشتر در گروه جوانان به چشم میخورد که البته از نوع فعالیتهاي این گروه سرچشمه میگیرد .[9] اولین آزمایش ها براي توزیع تنش بر روي گردن استخوان ران به صورت آزمایشگاهی در سال 1971 توسط ویلیامز [15] انجام گرفت و همچنین در سال 1977، والیپان یک نوع توزیع تنش سه بعدي را به روش آزمایشگاهی نشان داد .[14] وو در سال 2004 یک مدل سه بعدي طراحی کرد و اثر تغییرات هندسی را بر روي توزیع تنش گردن استخوان ران انسان بررسی کرد .[16] از سال 2005 تا 4 ] 2010، [5 تعداد زیادي از محققان تحقیقات زیادي در مورد هندسه استخوان ران انجام دادند و همچنین در سال 2008، کروز [7] به مطالعه در مورد شبیه سازي عددي براي تنش و جابجایی استخوان ران در فازهاي مرده و زنده پرداخت.
در این پژوهش به علت گران قیمت بودن دستگاههاي سیتیاسکن و همچنین نرمافزارهاي مورد نیاز که تا قبل از این براي براي استخراج پروفیل هندسی استخوان مورد استفاده قرار میگرفت از دستگاه اسکن لیزي که از انواع دستگاههاي موجود مهندسی معکوس در صنعت براي ساخت پروفیلهاي پیچیده میباشد استفاده گردید و با این روش دیگر احتیاج به نرمافزارهاي بسیار گران قیمت براي بازخوانی اطلاعات عکسهاي سی تیاسکن به معادل هندسی آنها و یا استفاده از کد هاي طولانی در نرمافزارهاي کد نویسی براي این کار نمیباشد. گفتنی است در این مطالعه براي اعتبار سنجی استفاده از این روش و همچنین سادهسازيهاي اعمال شده که خود نتیجه تحقیقات جدید میباشد، مدل ایجاد شده تحت بارگذاريهاي متفاوت قرار گرفت و مقادیر کرنشهاي بدست آمده در آن با مقادیر آن در کارهاي انجام شده پیشین مقایسه گردید و تشابه نتایج، اعتبار مدلسازي انجام شده را نشان داد. از دیگر سو، تا پیش از این به علت ناکارآمدي نرمافزارهاي مورد استفاده یا برنامه نویسیهاي انجام شده هرگز یک داده کامل از چگونگی توزیع تنش بر روي استخوان ران که قابل اعتماد باشد استخراج نشده بود که این تحقیق به این مهم نیز دست یافت که خود میتواند براي تحقیقات آینده چه در زمینه ساخت مدلی کاملتر و چه چه در زمینه سادهسازيهاي مورد نیاز در تحلیلهاي خواسته شده، آغازگر راهی جدید باشد.
-2 شبیه سازي هندسی و مدل اجزا محدود
مدل سه بعدي استخوان ران انسان توسط یک اسکنر سه بعدي لیزري انجام شد که یکی از انواع روشهاي مهندسی معکوس براي ساخت یک مدل جامد است. مهندسی معکوس روشی است که در آن یک مدل وکسل سه بعدي توسط جداسازي بدست می آید و در ادامه این مدل وکسل سه بعدي به اطلاعات نقطهاي تبدیل شده و در نرمافزارهاي مهندسی معکوس بارگذاري میگردد [6] در نهایت توسط یک بی- اس- پی لاین ناهمگن، سطح خارجی مدل از اتصال نقاط به یکدیگر تشکیل خواهد شد.اگرچه این روند یک روند وقت گیر به حساب میآید ولی نتایج بدست آمده به صورت چشمگیري بهتر از روش هاي دیگر است.[12]
شایان ذکر است که تحلیل اجزا محدود سه بعدي، تنها روش در دسترس براي محاسبه هندسههاي پیچیده مانند استخوان و پخش خواص مواد آن می باشد .[16] در این مقاله، مدل سه بعدي استخوان ران انسان که طولی معادل با 50 سانتیمتر دارد داخل یک نرمافزار تجاري اجزا محدود بارگذاري شد و به خاطر سطح بسیار نامنظم مدل از نظر هندسی به صورت دستی و با در نظر گرفتن محدودیتهایی مورد نظر، سطح پروفیل بهبودسازي گردید و در نهایت براي مش زدن از یک المان با گره میانی استفاده شد تا با این کار هم بتوان محدودیتهاي المانها را افزایش داد و هم براي تحلیل، نتایج بهتري بدست آورد.
مدل مش خورده استخوان کامل داراي 361657 عدد اجزاي چهاروجهی و 514887 عدد گره می باشد. در گام بعدي براي سادهسازي و کاهش دادن زمان محاسبات انجام شده، تنها نصف بالایی این استخوان مدل شد که این سادهسازي با استفاده از واقعیت به دست آمده در مطالعات پیشین در نظر گرفته شد زیرا که در تحقیقات قبلی، قسمت بحرانی تنش در ناحیه گردن استخوان ران بدست آمده بود. مدل ساده سازي شده و مش خورده داراي 188597 عدد اجزاي چهاروجهی به همراه 267076 عدد گره می باشد. خواص ماده به کار رفته ایزوتروپیک کشسان با مدول یانگ 17.9 گیگاپاسکال و ضریب پوآسون آن 0.33 در کل مدل استخوان در نظر گرفته شد .[8] همچنین شرایط مرزي مسئله همانطور که در شکل 1 آورده شده است نیرویی به اندازه 1500 نیوتن که یکبار به صورت بار نقطهاي، بار دیگربه صورت بار قائم گسترده و در نهایت بار قائم بخشی گسترده که به عنوان میانگین دو بار پیشین بر روي سطح بالایی سر استخوان ران [19] وارد گردید. این سطح داراي 1042 گره بود که در بارگذاري نقطهاي، کل بار بر روي یک گره قرار داده شد. در بارگذاري بخشیگسترده، این بار بر روي 50 عدد از گرهها قرار داده شد ودر نهایت براي بارگذاري گسترده کامل، بار بر روي تمام گرهها تقسیم گشت و وسط محور استخوان گیردار شد و نوع تحلیل به صورت استاتیکی کشسان در نظر گرفته شد
شکل :1 شرایط مرزي بار نقطهاي، بار قائم گسترده و بار قائم بخشی گسترده و میانه استخوان به صورت گیردار.
