analiza wytrzymałościowa mes złamania kości piszczelowej

Barbara KOZUB, Katedra Technologii Materiałów, Instytut Inżynierii Materiałowej,
Politechnika Krakowska, Kraków
ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA MES ZŁAMANIA KOŚCI
PISZCZELOWEJ STABILIZOWANEJ APARATEM ILIZAROWA
FEM STRENGTH ANALYSIS OF FRACTURED TIBIA
STABILIZED BY ILIZAROV FIXATOR
Słowa kluczowe: stabilizator Ilizarova, złamanie kości piszczelowej, MES,
kość trabekularna i zbita
1. WSTĘP
Zgodnie z danymi statystycznymi zawartymi w publikacjach Narodowego Instytutu
Zdrowia Publicznego Państwowego Zakładu Higieny [13] do najczęstszych urazów zalicza się
złamania kości długich. Wraz z procesem dorastania i starzenia spada wytrzymałość kości na
skutek spadku jej gęstości. U ludzi dorosłych, u których zdiagnozowano osteoporozę wzrasta
zarówno liczba złamań kości długich, jak i poziom ich skomplikowania.
Dobór odpowiedniej metody leczenia zależy głównie od rodzaju złamania kości.
W przeciągu minionej dekady coraz większą popularnością wśród metod leczenia złamań
kości długich odznaczają się metody stabilizacji zewnętrznej, które stopniowo wypierają
techniki konwencjonalne.
Pod koniec XX wieku własną metodę stabilizacji zewnętrznej, wydłużania i korekcji
kształtu kości kończyn, opracował i wcielił w życie radziecki ortopeda Gawrił Abramowicz
Ilizarow. Metodę swoją oparł na zjawisku osteogenezy dystrakcyjnej [1].
2. METODYKA BADAŃ
2.1. Cel Pracy
Celem pracy było zamodelowanie układu biomechanicznego kość-stabilizator
i przeprowadzenie numerycznej analizy MES procesu zrostu kostnego złamanej kości
piszczeli, stabilizowanej aparatem Ilizarowa.
W trakcie badań określano stan naprężeń oraz odkształceń elementów zamodelowanego
układu w zależności od własności mechanicznych zastosowanych biomateriałów. Ocenie
również poddano zachowanie i tendencje do migracji odłamów kostnych piszczeli poprzez
analizę pola przemieszczeń umożliwiających zrost kostny.
2.1. Modelowanie układu kość-implant
W niniejszej pracy zamodelowano przypadek stabilizacji złamanej poprzecznie kości
piszczeli aparatem Ilizarowa. Wykonany model został poddany wytrzymałościowej analizie
numerycznej w programie FEMAP.
XI Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej
s. 58
Przedstawiony w pracy model jest uproszczony w odniesieniu do obiektu rzeczywistego. W
procesie modelowania przyjęto następujące uproszczenia:
- model kości nie odzwierciedla idealnie anatomicznych kształtów piszczeli,
- elementy stabilizatora zostały pozbawione gwintów,
- przyjęto idealnie płaską i gładką powierzchnię złamania,
- założono idealne połączenie (połączenie ścisłe) odłamów kostnych z elementami aparatu
Ilizarowa (nie uwzględniono tarcia),
- przyjęto izotropowe własności mechaniczne modelowanej kości,
Układ stabilizator – kość podparto poprzez odebranie wszystkich stopni swobody
w węzłach na dolnej powierzchni końca dalszego kości piszczeli, co odzwierciedla stan
rzeczywisty pracy kości. Nie uwzględniano wpływu stawu skokowego na stabilizację
piszczeli.
Siły węzłowe zadane zostały równolegle do osi wzdłużnej piszczeli na górnej jej
powierzchni. Wartość obciążenia przyjęto w oparciu o stan fizjologiczny dla przypadku stania
na jednej nodze: F = 800 [N] (dla osoby ważącej ok. 82 [kg]).
3. WYNIKI ANALIZY
Analiza wytrzymałościowa została przeprowadzona z wykorzystaniem modułu
projektowo-obliczeniowego FEMAP-Nastran. Analizowano otrzymane rozkłady pól
przemieszczeń, naprężeń oraz odkształceń.
3. WYNIKI ANALIZY
W niniejszej pracy zamodelowano przypadek stabilizacji złamanej kości piszczeli aparatem
Ilizarowa. Analizie poddano wpływ doboru materiału konstrukcyjnego stabilizatora na stan
naprężeń i odkształceń w układzie kość-stabilizator. Otrzymane w analizie wartości
odkształceń mieszczą się w zakresie fizjologicznym, nie powodując zaburzeń zrostu kostnego.
LITERATURA
[1] Bućko S., Forma K., Herdzina M.: System szybkiej numerycznej analizy podatności
wybranych układów aparatu Ilizarowa. Aktualne Problemy Biomechaniki, nr 3/2009.
[2] Deszczyński J., Szczęsny G.: Proces zrostu kości – patofizjologia i zagadnienia kliniczne,
Przebieg zrostu kostnego oraz czynniki fizyczne warunkujące jego wystąpienie. Ortopedia
Traumatologia Rehabilitacja nr 3/2000.
[3] Dziak A. Babecki J.: Złamania kości i zwichnięcia stawów. Państwowy Zakład
Wydawnictw Lekarskich, Warszawa 1973.
[4] Evans F.G.: Mechanical properties of bone. Ed.C. Thomas, Springfield 1973.
[5] John A., Wysota P.: Modelowanie zmian osteoporotycznych z wykorzystaniem obrazów
z tomografii komputerowej. Modelowanie Inżynierskie, 36, s. 151-158, Gliwice 2008.
[6] Krzesiński G., Kulig M.: Analiza wybranych aspektów działania stabilizatora Ilizarowa za
pomocą modeli metody elementów skończonych. Acta of Bioengineering and
Biomechanics, Volume 5, Supplement 1, 2003. s.278-284.
[7] Zamani A.R., Oyadiji S.O.: Analytical modelling of Kirschner wires in Ilizarov circular
external fixator as pretensioned slender beams. J. R. Soc. Interface 2009.
[8] Żuk T., Dziak A., Gusta A.: Podstawy ortopedii i traumatologii. Warszawa: PZWL, 1980,
s. 294-295.