wykorzystanie metody elementw skończoncyh do analizy

Ewa STACHOWIAK, Katedra Biomechatroniki, Politechnika Śląska, Zabrze
Alicja BALIN Katedra Biomechatroniki, Politechnika Śląska, Zabrze
Tomasz BIELECKI, Katedra i Oddział Kliniczny Ortopedii, Śląski Uniwersytet Medyczny,
Sosnowiec
Piotr WODARSKI, Katedra Biomechatroniki, Politechnika Śląska, Zabrze
WYKORZYSTANIE METODY ELEMENTW SKOŃCZONCYH DO
ANALIZY NIESTABILNOŚCI RZEPKI
FINITE ELEMENT METHOD FOR THE STUDY ON PATELLAR
INSTABILITY
Słowa kluczowe: Niestabilność rzepki, analiza wytrzymałościowa,
biomechanika stawu rzepkowo-udowego
1. WSTĘP
Zaburzenia stawu rzepkowo- udowego stanowią 20-40% wszystkich problemów
dotyczących stawu kolanowego i są jedną z częstszych dolegliwości wśród urazów
sportowych. Niestabilność rzepki występuje głównie u młodych ludzi w wieku między
15 a 19 rokiem życia, częściej u kobiet niż u mężczyzn, co wynika z ukształtowania miednicy
i kończyn dolnych[1],[3]. Innymi czynnikami warunkującymi stabilność rzepki są geometria
stawu kolanowego, aparat więzadłowy oraz siły generowane przez mięsień czworogłowy uda.
Problem doboru metody leczenia rehabilitacyjnego oraz operacyjnego jest często poruszany
przez ortopedów i stanowił inspirację do prowadzenia badań.
2. ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA STAWU KOLANOWEGO
2.1. Wykonanie modelu 3D
Na podstawie badań rezonansu magnetycznego wykonano segmentację struktur
anatomicznych stawu kolanowego istotnych pod względem biomechanicznym dla
analizowanego problemu. W programie Mimics firmy Materialise wykonano trójwymiarowe
modele dla stawu zdrowego i stawu z niestabilną rzepką. Dla obu przypadków przygotowano
geometrie kości udowej, kości piszczelowej, rzepki, chrząstek stawowych, więzadła rzepki,
oraz więzadeł rzepkowo-udowych (przyśrodkowego i bocznego). Z uwagi na fakt, że
zwichnięcie rzepki występuje podczas zgięcia stawu, zamodelowano 20 –stopniowe zgięcie
stawu w płaszczyźnie strzałkowej. Dla przygotowanych geometrii wykonano siatki
powierzchniowe i objętościowe (Rys. 1).
XI Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej
a)
s. 118
b)
Rys. 1. Siatki elementów skończonych stawu kolanowego zdrowego(a) oraz z niestabilną rzepką (b)
2.2 Symulacja wytrzymałościowa
Przygotowane siatki objętościowe wczytano do programowania Ansys, gdzie model
poddano analizie wytrzymałościowej. W tabeli poniżej zestawiono własności materiałowe
które nadano odpowiednim bryłom.
Tab. 1. Własności mechaniczne struktur anatomicznych.
Kości
Chrząstki
Więzadła
Współczynnik Poissona
0,35
0,4
0,45
Moduł Younga [MPa]
10 000
20
15
Kości piszczelowej u jej podstawy odebrano wszystkie stopnie swobody. Model
geometryczny obciążono wypadkową siłą symulującą działanie mięśnia czworogłowego o
kierunku wynikającym z kąta Q [2]. Podczas symulacji badano odkształcenia, naprężenia
i przemieszczenia występujące w więzadłach stawu rzepkowo- udowego.
3. WYNIKI I WNIOSKI
W wyniku symulacji otrzymano wartości naprężeń, odkształceń oraz przemieszczeń
elementów modelu. W przypadku stawu zdrowego całkowite przemieszczenie rzepki
wynosiło 1,5 cm, natomiast w przypadku stawu z niestabilną rzepką 2 cm. Naprężenia
występujące w więzadle rzepkowo- udowym przyśrodkowym w przypadku stawu zdrowego
były trzykrotnie niższe niż w przypadku stawu zwyrodnionego. Zaobserwowano również
zmniejszenie naprężeń w więzadle rzepki. Wyniki wykonanych symulacji stanowić będą
podstawę do dalszych badań w celu opracowania operacyjnej metody stabilizacji rzepki.
LITERATURA
[1] Callaghan M.J., Selfe J., Patellar taping for patellofemoral pain syndrome in adults, The
Cochrane Library, Issue 4, 2012
[2] Mesfar W., Shirazi-Ald A., Biomechanics of the knee joint in flexion under various
quadriceps forces, The knee 12, 2005, s. 324-434.
[3] Nune G.S, Stapait E. L., Kirsten, M. H. , de Noronha M.,, Santos G. M., Clinical test for
diagnosis of patellofemor, 2013, s. 54–59.