بخشی از مقاله
تحلیل تنش در سطح مفصلی زانو در وضعیت هایپراکستانسیون زانو
چکیده
مفصل زانو که یکی از مهمترین مفاصل بدن می باشد شایعترین بخش بیماریهای مفصلی را به خود اختصاص داده است. یکی از مهمترین علل این بیماریها مشکلات ایجاد شده در امتداد اعضای مفصلی است. در این حالت ها میزان و توزیع نیرو در سطوح مفصلی تغییر می کند. این تغییرات باعث خوردگی غضروف و ایجاد درد مفصلی و تخریب مفصل می شود. در این تحقیق وضعیت هایپراکستانسیون زانو مورد بررسی قرار گرفته و تغییرات تنش به روش عددی محاسبه شده است. در اینجا غضروف و منیسک به صورت مواد ایزوتر پیک الاستیک خطی در نظر گرفته شده اند. با توجه به نتایج بدست آمده در این حالت مکان حداکثر تنش به سمت قدام جابجا می شود و میزان آن افزایش می یابد که با نتایج مطالعات تجربی و حل تحلیلی مسأله تأیید می شود. با دانستن نحوه تغییر تنش در سطوح مفصلی می توان نحوه بروز مشکل را پیشگویی کرد و حتی الامکان از آن جلوگیری کرد.
واژه های کلیدی: "ژنوریکرواتوم"-"سطح مفصلی زانو"-"هایپراکستانسیون زانو"-"تحلیل تنش زانو"-" تنش تماسی"
مقدمه
بیماری ژنوریکرواتوم به صورت عملی به اکستانسیون بیش از ۵ درجه زانو گفته میشود(شکل ۱). این بیماری باعث درد زانو و کاهش کنترل بدن می شود[۱]. ژنوریکرواتوم می تواند نتیجه ناهنجاری های مختلف بافت استخوانی یا بافت نرم اطراف زانو باشد [۲]. شیوع بیماری ژنو ریکرواتوم در جمعیت کلی حدود یک درصد است. این بیماری ممکن است همراه با ناهنجاری استخوانی شدید و بیماری هایی از قبیل ژنو والگوم، شلی لیگامانی یا کپسولی و ندرتا بیماری های عصبی عضلانی باشد. همراه با این ناهنجاری ممکن است انقباض پلانتار فلکسیون مفصل مچ نیز وجود داشته باشد. [۳] اختلالات آناتومیک شایع زانو از قبیل ژنوواروم، ژنووالگوم و ژنوریکرواتوم احتمال آسیب های ناشی از استفاده زیاد از زانو را افزایش میدهد [۴] در فعالیت هایی نظیر دویدن مستمر، رژه رفتن و ورزش های سبک و سایر فعالیت ها این افراد حدود ۳۰ درصد بیشتر از سایر افراد آسیب می بینند. [۵] یکی دیگر از علل بوجود آورنده ژنو ریکرواتوم فلج اطفال است. [۶] در این حالت با فیوز کردن پاتلا بر روی تیبیا بوسیله پیوند استخوانی عمل محافظت در برابر هایپرا کستانسیون زانو انجام می گیرد. از دیگر راههای درمان این نوع بیماری استئوتومی تیبیا و کپسولورافی است. [۷] یافته های کلینیکی نشان میدهد که بیماران مبتلا به ژنوریکرواتوم در قسمت قدامی زانو احساس درد می کنند و تندرنس دارند [۸]. نحوه طراحی و نوع روان کنندگی مفاصل انسانی یکی از مهمترین عوامل در ایجاد توانایی بالا برای تحرک سریع و طولانی مدت است. سطح تماس یکی از مهمترین پارامترهای مفصلی است. بطور کلی سطح تماس بزرگ تر، تنش تماسی کمتری خواهد داشت. اما تحت شرایط فیزیولوژیک سطح تماس مؤثر می تواند به دلیل شدت بارگذاری یا موقعیت مفصلی افزایش و یا کاهش یابد. آسیب (نابجایی مفصلی) یا مریضی باعث کاهش سطح تماس شده، در نتیجه تنش های تماسی و سایش در سطوح مفصلی افزایش می یابند. هنگامیکه دو سطح مفصلی با هم تماس برقرار سازند، سطح تماس وابسته به نحوه تماس دو سطح (congruency of mating surface)، خواص فیزیکی غضروف، استخوان تحمل کننده و نیروهای فشاری دو سطح خواهد بود. سطح تماس با افزایش دو شعاع منحنی دو سطح زیاد می شود. [۹] در بیماری ژنوریکرواتوم شعاع نقطه تماس کاهش می یابد و به دنبال آن سطح تماس کاهش و نیروهای فشاری افزایش خواهد یافت. در زمانی که میزان ژنوریکرواتوم بیشتر از ۷ درجه شود میزان تنش حدود دو برابر حالت طبیعی میشود.
مراحل مدلسازی
ساختار مفصل زانو به سه بخش تقسیم می شود: ساختارهای استخوانی، ساختارهای خارج مفصلی و ساختارهای داخل مفصلی. ساختار استخوانی مفصل زانو از سه بخش تشکیل شده است: پاتلا، کوندیل های دیستال فمور و کوندیل های پروگزیمال تیبیا. ساختارهای مهم خارجی مفصلی زانو که باعث ثبات و عملکرد طبیعی مفصل زانو می شوند عبارتند از غشای سینوویوم، کپسول مفصلی، الیگامان های کولترال و واحدهای عضلانی تاندونی که باعث قطورتر شدن مفصل می شوند ساختارهای اصلی و پر اهمیت داخل مفصلی عبارتند از منیسک های داخلی و خارجی و لیگامانهای متقاطع قدامی و خلفي. [۱۰]
(شکل ۲) در اینجا تنها مدلسازی بخش غضروفی استخوان تیبیا و فمور و منیسکها مورد بررسی قرار گرفته شده است. شکل هندسی مفصل از طریق سی تی اسکن و عکس رادیولوژی از یک بیمار بدست آمده است. مقاطع مختلف عکس با کمک نرم افزار 3DMax بصورت سه بعدی در آمد و به کمک عکس رادیولوژی تصحیح شد. نتیجتا ابعاد مطابق با اندازه های واقعی بدست آمد با کمی ساده سازی، مدل مورد بررسی بصورت دیسکی با دو شعاع در در راستای مختلف در نظر گرفته شده است. برای حفره منیسک نیز دو شعاع در دو راستای مختلف مورد نظر می باشد. زاویه بین محور اصلی این مقاطع صفر درجه در نظر گرفته میشود. در حل تماس (CONTACT) فرض می شود که دو قطعه برروی هم لغزش نداشته باشند. در عمل نیز وجود تاندونها و ماهیچه ها از این حرکت جلوگیری می کند. قطعه بالایی در این مدل از جنس غضروف و جنس پائین از جنس منیسک انتخاب می شود. تقسیم نیروی وارد بر این قطعه نیز مطابق تحقیقات انجام شده ۵۵% در کوندیل خارجی و۴۵٪ در کونديل داخلی می باشد نیروها بر اساس وزن فرد در حالت ایستاده بر روی یک پا میباشد بنابراین میتوان تماس هر کودیل را به صورت مستقل محاسبه کرد. پس مسأله تماس در دو كونديل و هر کدام در دو حالت سالم و ژنوریکرواتوم تحت بررسی قرار میگیرد.
حل مساله به روش تحلیلی
مسأله حاضر را می توان مانند قطاع گرد در درون یک گودی با انحنای گرد هر دو از جنس الاستیک در نظر گرفت که تحت نیروی P به هم فشرده می شوند. (شکل3) برای نزدیکی این شکلها به مقاطع استخوانی آنها را از نوع قطاع دو طرف گرد (Semicircular Disc) در نظر گرفته ایم. این دو جسم در ابتدا پیش از اعمال بار تنها در یک نقطه منفرد در تماس می باشند و نواحی مرزی در این حالت منحنی صاف است. شعاع های اصلی انحناء در استخوان فمور در نقطه تماس و شعاعهای اصلی گودی تیبیا می باشند. امتداد نیروی P نیز از نقطه تماس دو استخوان عبور می کند. مسأله تماس بین دو جسم الاستیک گرد و تعیین بیشترین تنش تماسی برای نخستین بار توسط هرتز در سال ۱۸۹۵ مورد توجه قرار گرفت. بر اساس این تئوری توزیع تنش در سطح تغییر شکل یافته بین دو جسم به شکل بیضی گون در حالت سه بعدی) میباشد. به این ترتیب تنش های اصلی در المان مکعبی کوچکی در راستای Z با و نشان داده شده و حداکثر تنش برشی
را ایجاد می کند که حداکثر و حداقل تنشهای اصلی در این نقطه هستند. در آنالیز این مساله، معادله ای که فاصله کلي نقاط متقابل بین دو سطح تماس را به طور تقریبی نشان میدهد به صورت زیر است:
وقتی بار P به اجسام تحت تماس وارد میشود سطوح آنها در نزدیک نقطه تماس به صورت الاستیک تغییر شکل پیدا می کنند و صفحه کوچکی تماسی را تشکیل میدهند. که به شکل معادله ۲ است. با توجه به روند تغییر شکل مقادیر A و B به صورت زیر به دست می آید.
برای تعیین تنشهای اصلی، دو انتگرال ( که انتگرال های بیضوی نامیده میشود ) به دست می آید که در رابطه با و هستند. این انتگرالها به صورت و نامیده می شوند. به صورت مشابه دو انتگرالی که در ارتباط مستقیم با به تنهایی هستند و نامیده می شوند. این انتگرال های بیضوی عبارتند از ...
**** متن حاوی فرمول میباشد که در سایت قابل نمایش نیست ***
