بخشی از مقاله
چکیده
تجربه از دست دادن یک عضو بسیار درناک و تلخ میباشد . درک کامل این حس تنها زمانی میسّر خواهد شد که فرد یک عضو خود را از دست بدهد. چاقی و بیشتر شدن عمر متوسط، تعداد کاشتهای پروتز جایگزین زانو 1 را افزایش داده است. به دلیل بالا رفتن امید به زندگی و همچنین پایین رفتن سن افراد پذیرنده این گونه پروتزها، عمر قابل انتظار اینگونه پروتزها میبایستی افزایش یابد. از این رو برای بهبود کیفیت آن ها تحقیقات بسیاری در حال انجام می باشد تا بتواند عمر مفید آنها را به قدری افزایش دهد که فرد بیمار نیازمند جراحی های مکرر بعدی برای تعویض و ترمیم پروتز آسیب دیده نباشد. در این تحقیق یک نمونه واقعی از پروتز جایگزین زانو - TKR - ، قبل از جراحی مورد بررسی قرار گرفته است.
پروتز مورد نظر به دلیل پیچیدگی هندسی، توسط دستگاه اندازهگیری مختصات2 که نمونهای از اسکنرهای سه بعدی تماسی هستند، با ایجاد ابر نقطهای با دقت بالا مدلسازی شده است. مدل مورد نظر به روش المان محدود و با نرمافزار انسیس ورکبنچ شبیهسازی و مورد تحلیل استاتیکی غیر خطی قرار گرفته است. در این شبیهسازی، عملکرد مکانیکی پروتز در موقعیتهای گوناگون بارگذاری و در بحرانیترین حالت از موقعیتهای مختلف پیاده روی، بالا رفتن از پله، بلند شدن از صندلی، دو زانو ایستاده و چمباتمه زدن، مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین با ارائه مدل جدید تیبیال و تیبیالترای موفق به طراحی هندسی بهینه جهت کاهش تنش، شده است.
مقدمه
پروتز وسیلهای است که به منظور جایگزینی عضو از دست داده فرد معلول، طراحی و به کار گرفته میشود. نکته مهم در طراحی و ساخت پروتز، مینتأ احساس راحتی برای فرد، قابلیّت اطمینان و دوام پروتز میباشدعلّت. برتری پروتزها نسبت به یکدیگر را میتوان در چگونگی برآوردن همین عوامل جستجو نمود چرا که طراحی نامناسب پروتز میتواند به عضو باقیمانده و یا اندامهای دیگر آسیب برساند. هدف توانبخشی، برگرداندن فرد به موقعیت اجتماعی و برخورداری از لذّت های زندگی میباشد. در این راستا تحلیل دقیق رفتار مکانیکی اجزا پروتز تحت تاثیر نیروهای وارده میتواند در بهبود طرحهای موجود راهگشا باشد. تاکنون تحقیقات فراوانی در زمینهی طراحی هندسی، خواص مواد به کار گرفته شده، روشهای متفاوت تحلیل پروتز به خصوص پروتز جانشین زانوی انسان صورت گرفته است.
تحلیل استاتیکی[1] مساله و ارضا شرایط حاکم بر آن، قبل از بررسی و تحلیل دینامیکی[2] امری ضروری است. همچنین در بسیاری از مسائل مهندسی به خصوص زمانی که بتوان از اثرات اینرسی و میرایی صرف نظر نمود و بارهای اعمالی به دلیل سرعت پایین حاکم بر مساله، نسبت به زمان تغییرات کمی داشته باشند، به جای تحلیل دینامیکی مساله، می توان از نتایج حاصل از تحلیل استاتیکی در بحرانی ترین حالتهای بارگذاری استفاده نمود. در این پژوهش پس از ارائه بحرانی ترین حالت از موقعیت های مختلف، پروتز مورد نظر در بحرانی ترین حالت از موقعیت های مختلف پیاده روی[3]، ، بالا رفتن از پله[4]، بلند شدن از صندلی[5]، دو زانو ایستاده[6] و چمباتمه زدن، به روش المان محدود7] و [ 8 و با نرمافزار انسیس ورکبنچ مورد مطالعه قرار خواهد گرفت.
مدلسازی و شبیهسازی پروتز
در این بخش قسمتهای مختلف مدل پروتز جانشین زانو جهت کاشت در زانوی بیمار مد نظر با وزن 80 کیلوگرم معرفی خواهد شد. سپس روند شبیهسازی شامل بررسی مواد به کار گرفته شده، نحوه و مقدار بارگذاری در بحرانیترین موقعیت ممکن از حالتهای نشستن، راه رفتن، دویدن، از پله بالا رفتن ارائه خواهد شد. سه عضو اساسی در ایمپلنت های زانو وجود دارند که شامل عضوهای ران3، ساق4 و کاسه زانو5 میشود.
در شکل 1 بخشهای مختلف پروتز واقعی زانو و در شکل 2 مدل قسمتهای مختلف پروتز مورد مطالعه نشان داده شده است. عضو مربوط به استخوان ران از فلزی از جنس آلیاژ کبالت– کروم - Co Cr - ساخته میشود. این آلیاژ یک فلز کاملا سخت و با دوام است و در برابر بارهای سنگین و هارمونیک زانو در طول روز پایداری میکند. برتری دیگر این فلز توانایی ایجاد یک سطح کاملا صاف است. آلیاژهای دیگر مانند تیتانیوم نمیتوانند این سطح صاف را برای مدت طولانی نگه دارند و همچنین بیش از اندازه نرم بوده و دچار فرسایش و خراش میشوند.
عضو ساقی معمولا از دو تکه اصلی، سینی ساق و عضو تکیه گاه ساق ساخته می شود. سینی ساق معمولا از تیتانیوم و یا آلیاژ کبالت– کروم ساخته میشود. تکیهگاه ساق ، تکیهگاهی بین عضوهای ساق و ران است. این تکیهگاه از پلاستیک از جنس پلیاتیلن با وزن مولکولی بالا6 ساخته میشود و بسته به نوع پروتز زانو، ثابت شده یا اجازه حرکت در سینی ساق را دارد. کاسه زانو7 نیز معمولا از همین جنس ساخته میشود. در شکل 3 انواع پروتز و قسمت های مختلف آنها ارائه شده است. در نمونه پروتز مورد مطالعه تکیه گاه ساق نسبت به سینی ساق ثابت است. در اواخر دهه 1960 نیروهای عملگر در داخل زانو با استفاده از یک مدل مفصل زانو به دست آمد. در این کار بزرگترین نیروها برای حالت پایین آمدن و بالا رفتن از پله یا یک سراشیبی و کمترین آن برای حالت راه رفتن یکنواخت محاسبه گردید.
[11] برای یک فعالیت شدید بدنی مقدار بیشترین نیرو در سال 1997 توسط کستر و همکارانش8، 8 برابر وزن بدن به دست آمد.[13] لازم به ذکر است، زاویه حرکت زانو طبق تعریف ارائه شده توسط هوپنفیلد 9 در سال 1967 بین 0 تا 135 درجه در حالت های صاف و خم شده می باشد.[11] در جدول 2 مقدار نیروی فشاری اعمالی و زاویه زانو در بحرانیترین حالت از موقعیتهای مختلف به عنوان نمونه ارائه شده است.[3] برای اطلاعات بیشتر از مقدار نیروهای اعمالی در حالتهای مختلف، به [13] مراجعه شود. در ادامه، پروتز مورد نظر در بحرانیترین حالت از موقعیتهای پیادهروی، بالا رفتن از پله، از صندلی برخاستن، دو زانو ایستاده و چمباتمه، مورد مطالعه قرار خواهد گرفت.
