بررسی مدل سازی بیومکانیکی استخوان و عضلات انسان به کمک کامسول

فایل زیر شامل

۱- عدد فایل ورد (قابل ویرایش) به تعداد ۵۵ صفحه است(این فایل برای پروژه پایانی کارشناسی  یا سمینار ارشد و دکتری بسیار عالی است و فرمت بندی کامل را دارد)

 

موضوع تحقیق:

بررسی مدل سازی بیومکانیکی استخوان و عضلات انسان به کمک کامسول

 

 بیان مسئله

استخوان عنصر ساختمانی اصلی بدن است، از وظایف اصلی استخوان حفظ اندام های داخلی بدن و اجازه به حرکت اندام های مختلف را می توان نام برد. از خصوصیات عمده آن می توان منحصر به فرد بودن آن را از نظر دوباره سازی خودبخودی عنوان نمود بطوریکه استخوان می تواند شکل هندسی خود را در پاسخ به رفتارها و تقاضاهای مکانیکی تغییر دهد. چگالی استخوان در اثر افزایش سن و یا استفاده نامناسب از بدن (مانند استفاده از مواد مخدر)، کاهش می یابد و افزایش چگالی استخوان در اثر ورزش سنگین و همچنین مصرف داروهای بخصوص صورت می پذیرد]۱[.

تغییر هندسی شکل استخوان در مواردی نظیر بهبود شکستگی، سن، ورزش و عمل های جراحی قابل رویت می باشد. این تغییرات در جهت حفظ یکپارچگی عملکرد سیستم استخوانی بدن على رغم تغییر در محیط های مکانیکی می باشد. مثال هایی روشن از این مطلب، بهبود شکستگی و یا افزایش چگالی استخوان با تحرکات فیزیکی جسمی می باشند و از مواردی که به این روشنی نمی باشد، می توان به افزایش سطح مقطع استخوان با افزایش سن اشاره کرد که جبرانی در قبال کاهش چگالی استخوان به شمار می رود که البته این مورد کافی به نظر نمی رسد زیرا که در موارد بسیاری درصد شکست استخوان در بزرگسالان به مراتب بیشتر است، در واقع تطابق زیستی[۱] وجود دارد ولی جهت مقابله با شکست نقاطی همچون ران[۲]، ستون فقرات[۳] و استخوان زند فوقانی در مچ دست[۴] کافی نمی باشد و میزان این شکستگی ها در سالهای اخیر به شدت افزایش یافته است.

هدف از این سمینار در ابتدا بررسی مدل سازی بیومکانیکی استخوان و عضلات انسان می باشد که بنابر آنچه گفته شد استخوان می تواند از انواع شکست های بیومکانیکی باشد که به طور روزافزون در حال افزایش می باشد و تحقیق در این مورد می تواند به ارائه روش های تشخیصی و درمانی مفیدتری در این گونه شکستگی ها بیانجامد.

 

 فهرست

فصل اول: مقدمه ۳
۱-۱-          بیان مسئله ۴
۱-۲-          بیومکانیک ۵
۱-۳-          تاریخچه ۸
۱-۴-          ساختار سمینار ۱۰
فصل دوم: بیومکانیک استخوان ۱۱
۲-۱- بافت استخوان ۱۲
۲-۲-  سلول های استخوانی ۱۳
۲-۳- انواع استخوان ها ۱۴
۲-۴- استخوان ران ۱۷
۲-۵- پیشینه تحقیق ۲۰
فصل سوم: مدل سازی عضله و استخوان در نرم افزار کامسول ۳۳
۳-۱- مقدمه ۳۴
۳-۲-  مدل هاي ارائه شده عضله ۳۴
۳-۳- مدل عضله هيل ۳۶
۳-۴- مدل عضله زاجاک ۳۸
۳-۵- مدل سازی ها با کامسول ۳۹
فصل چهارم: معرفی تاریخچه و ویژگی های کامسول ۴۳
مقدمه ۴۴
۴-۱-  تاریخچه ۴۵
۴-۲- بخش های مختلف نرم افزار کامسول ۴۷
۴-۳- قابلیت‌ های نرم ‌افزار کامسول ۴۸
۴-۴- ماژول‌های نرم‌افزار کامسول مولتی‌فیزیکس ۴۹
  • قسمتی از متن

  • بیومکانیک

بیومکانیک در واقع کاربرد علم مکانیک در زیست شناسی است. در بیومکانیک هدف درک سیستم های زنده است. بیومکانیک موضوع علمی جدیدی است که ریشه تاریخی دارد و محدوده بسیار وسیعی را شامل می شود. بشر فهمیده است، زیست بدون درک و کاربرد مفاهیم بیومکانیکی قابل فهم و بررسی نخواهد بود. همانطور که جهت طراحی و ساخت هواپیما نیازمند به درک مفاهیم آئرودینامیک هستیم. در مورد هواپیما، علم مکانیک ما را قادر به طراحی سازه و تعیین عملکرد آن می نماید. در مورد یک ارگانیزم، علم بیومکانیک کمک به درک عملکرد طبیعی آن، تخمین تغییرات در ارگانیزم و پیشنهاد روشهای مصنوعی در مورد آن می نماید. بنابراین تشخیص، جراحی و پروتزها بطور نزدیکی با بیومکانیک مرتبط می باشند]۱[.

بیومکانیک را می توان از طرفی به عنوان شاخه ای از مکانیک دانست، از طرف دیگر بیومکانیک یکی از شاخه های مهندسی پزشکی قلمداد می گردد. بطور کلی مهندسی پزشکی را می توان به سه زیر گروه بیومکانیک، بیومواد و الکتریک تقسیم نمود که البته این مرزبندی نباید کاملا جدا کننده باشد وسبب قطع ارتباط منطقی بین این سه گرایش نگردد.

همانطور که اشاره شد بیومکانیک با علوم بسیاری مرتبط است که از آن جمله می توان، آناتومی، فیزیولوژی را از یک طرف و فیزیک، مکانیک، مواد و ریاضیات را از طرف دیگر نام برد.

بیومکانیک خود علم بسیار وسیعی است و به زیرشاخه های بسیاری تقسیم می گردد. برای مثال می توان بررسی تجزیه و تحلیل حرکات و راه رفتن[۱]، تجزیه و تحلیل و بهینه سازی حرکات ورزشی[۲]، بیومکانیک استخوان و بافت های دیگر[۳]، اعضا و اندام های مصنوعی[۴]، پروتزها[۵]، بیومکانیک سیستم گردش خون[۶]، و بسیاری مباحث دیگر عنوان کرد.

پیشرفت های جدید در مکانیک سبب شکل گیری بیومکانیک جدید شده است که با این پیشرفت ها این علم توانسته جای خود را در علوم مختلف باز کند. از زمینه های کاربرد بیومکانیک می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • توزیع تنش و کرنش در مواد
  • معادلات حالتی که خواص مکانیکی مواد را توصیف می نمایند
  • مقاومت مواد، تسلیم، خزش، جریان پلاستیک، رشد ترک، شکست، خستگی مواد و خوردگی
  • تئوری جابجایی و تغییر شکل، تئوری فلزات، سرامیک و مواد کامپوزیت
  • جریان سیال : گاز، آب، خون و دیگر مایعات بافتی

یافتن موجود زنده ای که در ارتباط با برخی از این مسائل نباشد بسیار مشکل است از طرف دیگر لغت بیولوژی (زیست شناسی) اولین بار سال ۱۸۰۱ توسط لامارک[۷] بکار گرفته شد و منظور آن در نظر گرفتن تمام موضوعاتی است که مربوط به موجودات زنده می باشد [۲].

روش بررسی مسائل بیومکانیکی

بر اساس سنتی که در مهندسی و فیزیک متداول است مراحل بررسی در مسائل بیومکانیک را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

  • مطالعه شکل ارگانیزم، آناتومی عضو، بافت شناسی و ساختار مواد جهت تعیین شکل هندسی جسم مورد بررسی
  • تعیین خواص مکانیکی مواد یا بافت هایی که در مسئله وجود دارد. در بیومکانیک این مرحله، اغلب مرحله مشکلی می باشد به این علت که نمی توانیم بافت را برای آزمایش جدا نماییم، یا اندازه نمونه بافت بسیار کوچک است یا قادر به نگهداری بافت در شرایط زندگی طبیعی نمی باشیم. علاوه بر این، بافت های زیستی معمولا تحت تغییر شکل های بزرگ قرار می گیرند و روابط تنش-کرنش آنها غیرخطی و وابسته به تاریخچه بارگذاری می باشد.
  • با در نظر گرفتن قوانین اساسی فیزیک ( اصل بقا جرم، بقا اندازه حرکت، بقا انرژی، معادلات ماکسوئل و …) و معادلات حالت مواد، معادلات انتگرالی یا دیفرانسیلی حاکم تعیین گردد
  • درک و تشخیص محیطی که عضو در آن کار می کند به منظور تعیین شرایط مرزی
  • حل مسائل شرایط مرزی ( معادلات دیفرانسیل با شرطهای مرزی و اولیه مناسب ) به صورت تحلیلی یا عددی یا با انجام آزمایش ها
  • انجام آزمایش های فیزیولوژیکی که حل مسائل شرایط مرزی فوق الذکر را مورد آزمایش قرار دهد
  • نتایج آزمایش با جواب های بدست آمده از تئوری، مقایسه می گردد تا مشخص شود آیا فرضیه ای که در تئوری ارائه می گردد مورد تائید قرار می گیرد یا خیر و اگر جواب مثبت باشد مقادیر ضرایب نامعین در معادلات حالت تعین می گردد
  • تئوری که به این ترتیب تایید می گردد را می توان جهت تخمین پاسخ مسائل شرایط مرزی دیگری که در ارتباط با آن باشد، بکار برد و سپس می توان کاربردهای علمی تئوری و آزمایش ها را پیدا نمود.
    • تاریخچه

بارهای ناشی از اعمال فیزیکی که بر روی استخوانها وارد میشود گاهی باعث شکست بیومکانیکی می گردد که این مسئله مهمی برای انسان محسوب می شود، این شکست در استخوان های تحتانی پا و قسمت های دیگر پا بسیار شایع است. از موارد مهم این نوع شکست ها در استخوان ران اتفاق می افتد که حتی در برخی از موارد با وجود آنکه به سرعت به آنها رسیدگی می شود به علت از بین رفتن سلول های به دلیل اهمیت موضوع تا کنون تحقیقات زیادی در این زمینه انجام پذیرفته است که در ادامه به شرح مختصری از آنها پرداخته خواهد شد.

درسال های گذشته مطالعات زیادی در مورد خواص مکانیکی استخوان ران توسط آقای مولندرا و انجام گرفت و در آن توانستند ساختار استخوان لایه ای را نشان داده و ساده سازی هایی برای تحقیقات آینده در این زمینه ارائه دهند]۴[.

در سال های بعد بیشتر به هندسه استخوان ران پرداخته شد و طی پژوهش هایی مشخص شد که زاویه بین گردن استخوان ران با محور آن در انسان ها در محدوده معینی قرار دارد و به دنبال آن آقای کوانگ و همکارش ثابت کردند که اگر زاویه بین گردن ران و محور ران از حدی کمتر و یا بیشتر باشد می تواند عامل بسیار مهمی در شکست مکانیکی که از نوع خمش می باشد، محسوب گردد [۵].

دودا[۸] و همکارانش به انجام کاری جدید دست زدند و به محاسبه مقادیر بارهای وارد به استخوان ران که اعم از نیروی وارده توسط وزن بدن و نیرویی که ماهیچه های اطراف این استخوان به آن وارد می کنند می باشد، پرداختند که با تقسیم نیروها و گشتاورها در جهات مختلف و بیان آنها به صورت تابعی از وزن بدن، توانستند راه را برای استفاده پژوهشگران در این زمینه هموار سازند]۶[.

مدل های فیزیکی به صورت گسترده ای در مهندسی بیومکانیک برای نشان دادن رفتارهای مکانیکی و هندسه اندام های انسانی استفاده میشود که در این راستا، کیاک و همکارانش به بررسی مدل های ساده سازی شده المان محدود برای شبیه سازی و آزمایش ارتباط بین شکل استخوان ها و بارهای مکانیکی وارد بر آنها، پرداختند]۷[.

در سال های بعد با تحقیقات دوباره توسط کیاک و همچنین در مطالعات مشابه توسط چاولا و همکارانش بر اساس مدل های به دست آمده از سی تی اسکن ، تخمین هایی از شکست در بارگذاری استخوان ران به دست آمد که ارتباط معنی داری بین آنچه اندازه گیری شد با پیش بینی های روش المان محدود را نشان داد]۹-۸[.

راموس و همکارانش به علت پیچیدگی هندسی بسیار زیاد استخوان ران و مشکلات متعدد برای مش زدن آن، به تحقیق در مورد المان مناسب برای مش بندی استخوان ران پرداختند و در این تحقیق از پروفیل هندسی بسیار ساده تیر خمیده یکسر گیردار استفاده کردند و توانستند نتایج خوبی را در رابطه با المان های شش و چهار وجهی و موارد استفاده آنها توسط مقایسه با هندسه دقیق تر، ارائه دهند]۱۰[.

آمورنس آمانکوله و همکارانش در سال های اخیر به شبیه سازی استخوان ران و بررسی رفتار مکانیکی ایمپلنت مورد استفاده در آن پرداختند]۱۱[.

کیاک و گروه همکارانش در تحقیقات جدید خود به تفاوت های شکست مفصل ران و استحکام استخوان ران در میان زنان و مردان پرداختند که توانستند با این مطالعه که بر اساس تحلیل اجزای محدود صورت گرفت به تفاوت هایی در زمینه استحکام استخوان ران در حالت های مختلف با توجه به جنسیت، پی ببرند و همچنین ارتباطی بین این تفاوت ها با چگالی استخوان بیابند]۱۲[.

باید دانست به علت ساختار هندسی پیچیده و همچنین غیریکنواختی موجود در ساختار ماده استخوان، تحقیقات بسیار زیادی در این زمینه انجام گرفته است ولی اغلب در این مطالعات به پایه پزشکی آن توجه ویژهای گردیده است تا به عنوان یک مسئله بیومکانیکی، به همین دلیل هنوز در بررسی مسائل مکانیکی این موضوع، راهی طولانی در پیش است که همگی می توانند بر تمام شاخه های مرتبط به این موضوع، تاثیر گذار باشد.

  • ساختار سمینار

این سمینار مبتنی بر چهار فصل می باشد؛

  • فصل اول به بیان مفاهیم اولیه در رابطه با بیومکانیک، که کاربرد علم مکانیک در زیست شناسی می باشد، و تاریخچه پیدایش آن اختصاص داده شده است.
  • در فصل دوم بیومکانیک استخوان، و در واقع انواع استخوان و ساختارهای آن در بدن انسان توصیف شده و در ادامه فصل به مروری بر پیشینه تحقیق در رابطه با بیومکانیک استخوان پرداخته شده است.
  • فصل سوم بیشتر به مدل سازی عضله و استخوان در نرم افزار کامسول پرداخته است، به عبارت دیگر در این فصل ابتدا مدل های مهم استخوان برای پیاده سازی در نرم افزار کامسول ارائه شده و به پیاده سازی کارهای انجام شده در نرم افزار کامسول پرداخته شده است.
  • فصل چهارم نیز به معرفی نرم افزار کامسول، تاریخچه و مشخصه های مهم آن پرداخته است.
    • جمع بندی

در این فصل ابتدا به معرفی استخوان و نقش آن در اندام های بدن بیان شده و در ادامه بیومکانیک که کاربرد علم مکانیک در زیست شناسی می باشد بیان گشته است. بیومکانیک در واقع به بررسی خواص مکانیکی بافت ها، اندام ها، مواد و … می پردازد. در انتها نیز تاریخچه شکل گیری و معرفی علم بیومکانیک بیان شده است.

 

 

 

فصل دوم:

بیومکانیک استخوان

 

 

 

۲-۱- بافت استخوان

استخوان یکی از عناصر اصلی ساختمان بدن می باشد که به عنوان تکیه گاه سایر اندام های بدن و محافظ بسیاری از بافت ها عمل می کند. وظیفه ی مهم فیزیولوژیکی استخوان تنظیم کلسیم بدن است. استخوان سخت ترین بافت بدن می باشد. این بافت همبند از یک ماده بنیادی آلی که در آن نمک های غیر آلی ذخیره شده، تشکیل شده است. این نمک ها که عمدتا شامل کلسیم، فسفات و منیزیم و کربنات می باشند، سبب سختی استخوان می گردند، به طوری که اگر کلسیم را از استخوان جدا کنیم، استخوان بدون تغییر شکل ظاهری به یک ماده نرم تبدیل می شود]۱۳[.

از نظر مکانیکی استخوان یک ماده مرکب از کلاژن و هیدروکسی اپتایت می باشد که تنها بافت پیوندی سخت بدن می باشد. مدول یانگ استخوان بین مدول یانگ اپتایت وکلاژن است. استخوان دارای استحکام فشاری نسبتا زیاد ولی استحکام کششی پایین است. استخوان ها دارای دو نوع بافت فشرده[۹] و اسفنجی[۱۰] می باشند. بافت فشرده که اصطلاحا بافت قشری یا کورتیکال نامیده می شود، میزان زیادی از جرم استخوان را تشکیل می دهد ولی با توجه به چگالی زیاد این بافت حجم کمی از استخوان را دارا می باشد.

بافت اسفنجی از میله های کوتاه و یا صفحات باریک از جنس مواد استخوانی به نام ترابکولار[۱۱] تشکیل شده که مجموعا یک شبکه ی مشبک به شکل لانه زنبور را می سازند. شبکه ی مشبک حجم زیادی را احاطه می کند ولی جرم کمی از مجموع استخوان را به خود اختصاص می دهد. استخوان اسفنجی بر اساس میزان تخلخل و تراکم صفحات استخوانی ترابکولار ها چگالی متغیری دارد. با توجه به تاثیر قابل ملاحظه میزان تخلخل بر خواص مکانیکی استخوان، کمیتی به نام کسر حجمی استخوان به صورت نسبت حجم استخوان خالص به کل حجم محاسبه می شود. کسر حجمی استخوان برای استخوان اسفنجی بین ۰۵/۰ تا ۷/۰ و برای استخوان متراکم بین ۷/۰ تا ۹۵/۰ تغییر می کند. شکل ۲-۱ نشان دهنده ی بافت های استخوان می باشد]۱۴[.

شکل ۲-۱٫ بافت های استخوان ]۱۵[

۲-۲- سلول های استخوانی

سلول های استخوانی کوچکترین بخش از توده استخوان (یعنی تنها ۵% از کل توده استخوانی) را با ویژگیهای عملکردی مشخصی تشکیل میدهد. این سلول ها شامل استئوکلاست ها[۱۲] و استئوبلاست ها[۱۳] و استئوسایت ها[۱۴] می شود که هرکدام از آنها یک نقش مرکزی معینی در تنظیم نوسازی استخوان ایفا می کنند.

الف) استئوکلاست ها سلول های استخوان بزرگی هستند که در مغز استخوان قرار دارند. این سلول ها دارای هسته های متعددی هستن و در ساختار به سلولهای گلبول سفید شبیه اند. این سلولها وظیفه تجزیه، رشد و ترمیم بافت استخوانی را بر عهده دارند.

ب) از سوی دیگر، استئوبلاست ها سلول های سازنده، استخوان جدید هستند. وظیفه دیگر استئوبلاستها تولید ماتریس غیرمعدنی استخوان به نام استوئید[۱۵]، از کلاژن و سایر مواد آلی است. کلسیم و دیگر ذخایر معدنی بر روی استوئید صلبیت استخوان را تامین میکنند.

ج) استئوسایت ها توسعه مناسب و نگهداری از اسکلت و همچنین تنظیم مقدار مواد معدنی موجود در جریان خون در سرتاسر بدن را بر عهده دارند. استئوسایت ها حدود ۹۰% از سلول های استخوانی در اسکلت بزرگسالان را تشکیل میدهند. این سلول ها به عنوان یک سنسور مکانیکی در بدن عمل میکنند:

سنجش کرنش و آسیب های در ابعاد میکرو، شروع فرایند استخوان سازی و بازسازی در شرایط بهینه از نمونه عملکرد این بخش هاست. به صورت خلاصه استئوکلاستها برای بازجذب مواد معدنی استخوان، استئوبلاست ها به جهت تشکیل دادن مواد استخوان جدید فعالیت میکنند و استئوسایتها نیز وظیفه تنظیم کلسیم را بر عهده دارند]۱۶[.

۲-۳- انواع استخوان ها

استخوان ها از لحاظ شکل ظاهری به سه دسته استخوان های بلند، استخوان های پهن و استخوان های کوتاه تقسیم می شوند.

استخوان های بلند: این استخوان ها دارای یک سازه لایه لایه می باشند. قسمت میانی این استخوان ها شامل یک حفره بلند می باشد که از مغز استخوان پر شده است. اطراف این حفره توسط یک لایه نازک از بافت ترابکولار احاطه شده که حفره های آن نیز از مغز استخوان پر شده است. قسمت های دور تر این استخوان ها که اصطلاحا اپی فیز نامیده می شود، از بافت اسفنجی ترابکولار که توسط یک لایه نازک از بافت کورتیکال احاطه شده، تشکیل شده است. نمونه این نوع استخوان، استخوان درشت نی می باشد که در شکل ۲-۲ نشان داده شده است.

شکل ۲-۲٫ ساختار استخوان بلند ]۱۷[

استخوان های پهن: این نوع استخوان ها پهن و تخت می باشند و از دو لایه بافت فشرده کورتیکال که یک لایه بافت اسفنجی ترابکولار بین آن دو قرار دارد، تشکیل شده است. نمونه این استخوان ها، استخوان کاسه سر، مهره ها، دنده ها و لگن می باشند. در شکل ۲-۳ ساختار استخوان پهن نشان داده شده است. همچنین ساختار ترابکولار نیز نمایش داده شده است.

شکل ۲-۳٫ ساختار استخوان پهن ]۱۸[

استخوان های کوتاه: این نوع استخوان ها از نظر شکل تفاوت بسیاری باهم دارند، ولی به طور کلی میتوان آنها را به شکل مکعب درنظر گرفت که دارای سازه ای شبیه استخوان های بلند می باشند با این تفاوت که فاقد حفره میانی می باشند. این گروه استخوان های قسمت پروگزیمال دست و پا را دربر می گیرند که به ترتیب استخوان های کارپال و تارسال نامیده می شوند]۱۳[. در شکل ۲-۴ می توانیم آن را مشاهده کنیم.

شکل ۲-۴٫ استخوان های کوتاه ]۱۹[

۲-۴- استخوان ران[۱۶]

استخوان ران بلندترین استخوان اندام تحتانی و جز دسته ی استخوان های بلند است که سر آن از بالا در حفره ی استابولوم استخوان لگن (هیپ) قرار گرفته و انتهای آن در ناحیه زانو با استخوان های ساق پا ) استخوان درشت نی یا تیبیا) و کشکک مفصل میشود. محل قرار گیری این استخوان در بدن انسان و قسمت های مختلف آن در شکل ۳-۵ نمایش داده شده است.

شکل ۲-۵٫ آناتومی استخوان ران]۲۰[

سراستخوان ران در ناحیه استابولوم که یک حفره مفصلی در سطح خارجی استخوان هیپ است، مفصل ران (مفصل هیپ) را ایجاد می کند که این مفصل یک مفصل با پایداری و ثبات بالا است که وزن را از تنه به اندام های تهتانی منتقل میکند. انتهای تحتانی استخوان ران با یکی از استخوان های ساق پا به نام درشت نی، مفصل تیبیوفمورال (مفصل درشت نئی-رانی) یا مفصل زانو را به وجود می آورد.

انتهای تحتانی استخوان ران همچنین دارای یک سطح مفصلی برای استخوان کشکک بوده (سطح کشککی) و مفصل پاتلوفمورال (مفصل کشککی-رانی) را می سازد. این استخوان که بلندترین اندام در بدن انسان می باشد، در عین حال حجیم ترین و قویترین استخوان نیز هست. استخوان ران انسان به طور میانگین ۴۸ سانتیمتر درازا و ۳۴/۲ سانتیمتر قطر دارد و می تواند تا ۳۰ برابر وزن یک انسان بالغ را تحمل کند. استخوان ران از سه قسمت اصلی که شامل دو انتهای فوقانی و تحتانی و یک تنه می باشد تشکیل شده است.

قسمت بالا یا پرگزیمال[۱۷] استخوان ران شامل سر[۱۸] استخوان ران، تروکانتر بزرگ[۱۹] و تروکانتر کوچک[۲۰] است. سر استخوان ران به شکل گرد و مدور می باشد و به وسیله ی گردن[۲۱] استخوان ران به قسمت های پایین تر متصل است. در سر استخوان ران یک فرورفتگی کوچک به نام حفره ی سر استخوان ران قرار دارد که محل اتصال رباط سر به منظور خون رسانی به سر استخوان میباشد. سر استخوان ران در تشکیل مفصل ران شرکت دارد. زاویه بین گردن و تنه استخوان ران مهم می باشد و در بعضی بیماری ها تغییر میکند. این زاویه به طور طبیعی در حدود ۱۲۵ درجه است (زاویه ی انحراف فمور). تروکانتر بزرک و کوچک به شکل دو برجستگی در پایین تر از سر استخوان ران قرار دارند که محل اتصال عضلات قوی اطراف مفصل ران هستند. ستیغ اینترتروکانتریک[۲۲] در عقب استخوان ران قرار دارد و تروکانتر بزرگ و کوچک را به هم وصل میکند. خط اینتروکانتریک[۲۳] خطی است در جلوی استخوان ران که دو تروکانتر بزرگ و کوچک را به یکدیگر متصل میکند.

قسمت وسط یا شفت[۲۴] استخوان ران بصورت سیلندری و لوله ای است. در سطح پشتی یا خلفی[۲۵] این قسمت از استخوان از بالا تا پایین، یک برجستگی طولی وجود دارد که به آن لینا آسپرا[۲۶] می گویند.

قسمت پایین یا دیستال[۲۷] استخوان ران شامل دو نیم کره داخلی و خارجی به نام های کندیل داخلی (مدیال کندیل[۲۸]) و کندیل خارجی  (لترال کندیل[۲۹]) است که این دو توسط یک حفره بین کندیلی (حفره اینترکندیلار) در عقب از یکدیگر مجزا می گردند. سطح مفصلی این دو کندیل با سطوح مفصلی تیبیا مفصل می گردند و در تشکیل مفصل زانو شرکت می کنند]۱۳[.

۲-۵- پیشینه تحقیق

تا کنون تحقیقات گسترده ای در زمینه تحلیل استخوان ران صورت گرفته است. تاریخچه آنالیز تنش در استخوان ران به سال های قبل از ۱۹۷۵ برمیگردد که در آنها از مدل های ریاضی و تحلیلی با خواص الاستیک و ایزوتروپ استفاده شده است و با استفاده از روش های ریاضی و تحلیلی نیروهای وارده به استخوان ران را بدست آوردهاند. در این سال ها در مورد شکست استخوان ران تنها گزارش هایی آن هم بدون بررسی نحوه و نوع شکست ارائه شده است.

مقاله ای برای اولین بار در سال ۱۹۹۷ با استفاده از داده های QCT در آنالیز اجزا محدود به پیش بینی مقدار نیروی شکست استخوان ران با استفاده از تئوری انرژی واپیچش در تنها دو جهت بارگذاری مربوط به لحظه ی ایستادن موقع راه رفتن و ضربه ناشی از زمین خوردن پرداخته است و با استفاده از تست های مکانیکی نتایج بدست آمده را ارزیابی کردند که در  شکل ۲-۶ و ۲-۷ به آن پرداخته شده است[۲۱].

شکل ۲-۶٫ شرایط بارگذاری و مرزی در نمونه آزمایشگاهی با بارگذاری حالت ایستاده ]۲۱[

شکل ۲-۷٫ شرایط بارگذاری و مرزی در نمونه آزمایشگاهی با بارگذاری حالت زمین خوردن ]۲۱[

در مقاله ای بر روی ۵۱ استخوان ران انسان مطالعاتی انجام  شده است، قابلیت پیش بینی نیروی شکست را از روش های جذب دوگانه ی اشعه ی ایکس، برش نگاری کمی رایانه ای و اجزا محدود در این مقاله مقایسه شده اند. آنها با استفاده از نتایج تست های مکانیکی، مدلی آماری برای پیش بینی نیروی شکست استخوان از دو روش جذب دوگانه ی اشعه ایکس و برش نگاری کمی رایانه ای بدست آوردند. همچنین با استفاده از رابطه ای خطی از استحکام بدست آمده در تحلیل اجزا محدود، نیروی شکست استخوان ران را محاسبه کردند. نتایج پیش بینی های ارائه شده همبستگی ۶۶۴/۰، ۷۱۹/۰ و ۸۲۰/۰ را برای روش های برش نگاری کمی رایانه ای، جذب دوگانه ی اشعه ایکس و اجزا محدود نشان داده است [۲۲].

محققان از ۱۰ نمونه ی زنده در شرایط داخل بدن قبل و پس از راه رفتن تصاویر سی تی اسکن تهیه کردند و با استفاده از تحلیل اجزا محدود، تغییرات در استحکام استخوان ران را بررسی کردند. این تحقیق به منظور بررسی اثر داروهای کاهش دهنده ی شکستگی استخوان ران، کمک کننده گزارش شده است [۲۳].

در سال ۲۰۰۱ محققان با استفاده از روش اجزا محدود و با استفاده از تئوری انرژی واپیچش به پیش بینی محل شکست استخوان ران تنها در دو جهت بارگذاری عنوان شده پرداختند که به طور میانگین نتایج آنها ۶۹% با تست های آزمایشگاهی تطابق داشت[۲۴].

در اکثر تحقیقات انجام شده تنها مدل های ساده ای از بارگذاری و شرایط مرزی اعمال شده است درحالی که برای حالت های متفاوت، بارگذاری های مختلفی وجود دارد. مقاله ای با تحلیل اجزا محدود به بررسی اثر جهت نیرو در مقدار نیروی منجر به شکست در دو حالت بار ضربه ای ناشی از زمین خوردن و بار مفصلی ناشی ار فعالیت های عادی پرداختند که بحرانی ترین زاویه ها و نیروهای شکست مفصل استخوان ران را بدست آوردند. در این تحقیق از مدل اجزا محدود ۴ استخوان و چندین جهت بارگذاری برای هر حالت نیروی اعمالی استفاده شده است. با توجه به اینکه در این تحقیق از معیار تئوری انرژی واپیچش استفاده شده است و این تئوری تنها برای دو جهت بارگذاری در تحقیقات قبلی این محققان اعتبار سنجی شده انجام شده است، نیاز به روشی که اعتبار آن در جهت های مختلف اثبات شده باشد هست. همچنین جهت های بارگذاری برای تشخیص رفتار استخوان از گستردگی کمی برخوردار بوده است، کمبود تحقیقی که در جهت های متفاوت بارگذاری گستردگی بالایی داشته باشد احساس می شود[۲۵].

نویسندگان در مقاله ای خاصیت هندسی و چگالی استخوان کورتیکال و ترابکولار برای استخوان ران را مقایسه و قابلیت این خواص را در پیش بینی شکست ستخوان ران ارزیابی کردند. آنها نشان دادند که پارامترهای هندسی و چگالی باهم با دقت بیشتری قادر به پیش بینی شکست استنخوان نسبت به چگالی معدنی استخوان به تنهایی هستند. همچنین به بررسی تفاوت این پارامترها در استخوان های زن و مرد پرداختند[۲۶].

محققان در سال ۲۰۰۴، با هدف پیش بینی نیرو و محل شکست استخوان ران، نتایج تحلیل مدل اجزا محدود ۱۰ استخوان ران سالم مقابل از بیماران دچار شکستگی استخوان ران را با ۳ داوطلب سالم مقایسه کردند. آنها با استفاده از تئوری واماندگی بیشترین تنش اصلی و با فرض شروع ترک از ناحیه ی بافت متراکم استخوان، محل و نیروی شکست را بدست آوردند. نیروی شکست بدست آمده برای تحلیل استخوان ران افراد بیمار نسبت به سالم به طور قابل ملاحظه ای کمتر (کمتر از ۵۰ درصد) بوده است. همچنین محل شکست پیش بینی شده با محل شکست واقعی تطابق داشته است[۲۷].

محققان در سال ۲۰۰۸ با تحلیل اجزا محدود ۳۹ نمونه استخوان ران، شکست استخوان ران را بر اساس نسبت مقدار تنش فون میزز به تنش نهایی برای هر المان، هنگامی که این نسبت برای ۵۰ المان از بافت کورتیکال بیشتر از ۱ شود، پیش بینی کردند. تمامی نمونه های این تحقیق در حالت بارگذاری ایستاده تست شدند و محل شکست برای ۲۲ نمونه در ناحیهی بالای گردن، ۷ نمونه در ناحیه ی پایین گردن و یک نمونه در ناحیه تروکانتر اتفاق افتاده است[۲۸].

محققان در سال ۲۰۰۸ به منظور مقایسه ی معیارهای مبنی بر تنش با معیارهای مبنی بر کرنش، بر روی ۳ نمونه استخوان ران تست های مکانیکی در شرایط بارگذاری حالت ایستاده انجام دادند. آنها با مقایسه ی سه معیار شکست مبنی بر حداکثر کرنش اصلی، حداکثر تنش اصلی و تنش فون میزز با نتایج آزمایشگاهی، نشان دادند که معیار مبنی بر کرنش، معیار مناسب تر و دقیق تری است [۲۹].

محققان در مقاله ای به بررسی اثر جهت بارگذاری در استحکام و محل شکست استخوان ران با استفاده از تحلیل غیر خطی اجزا محدود پرداختند. در این تحقیق یک جهت بارگذاری برای حالت ایستاده و چهار جهت بارگذاری برای حالت زمین خوردن تحلیل شده است که محل شکست به ترتیب در گردن و ناحیه ی تروکانتر پیش بینی شده است[۳۰].

محققان در سال ۲۰۰۹، تحقیقی به منظور بررسی استحکام در مدل اجزا محدود استخوان ران در نمونه ی سالم، نمونه ی دچار پوکی استخوان و نمونه ی دچار شکستگی انجام دادند. آنها همچنین به بررسی اثر جهت نیروی اعمالی در حالت بارگذاری زمین خوردن و پیش بینی نیروی شکست با استفاده از معیار تسلیم دراکر-پراگر در این نمونه ها پرداختند. در این تحقیق بافت ترابکولار با المان های ۴ نقطه ای چهار ضلعی و بافت کورتیکال یا المان های ۳ نقطه ای پوسته ای، المان بندی شده و خواص استخوان به صورت دو خطی الاستوپلاستیک و غیر همگن در نظر گرفته شده است. نتایج نشان داده شده در این تحقیق حاکی از حساستر بودن نمونه های دارای شکستگی تروکانتریک به جهت بارگذاری نسبت به نمونه های دارای شکستگی گردن می باشد. همچنین نیروی شکست برای نمونه های سالم بیشتر از نمونه های دچار پوکی استخوان، و نمونه های دچار پوکی استخوان بیشتر از نمونه های دچار شکستگی محاسبه شده است [۳۱].

محققان در مقاله ای به پیش بینی رشد ترک در حالت بارگذاری ایستاده پرداختند و با مشاهدات تجربی مقایسه کردند. در این تحقیق با استفاده از مدل اجزا محدود دو بعدی (کرنش صفحه ای) استخوان مبنی بر مکانیک آسیب پیوسته، منحنی کامل نیرو تغیر مکان از ابتدا تا شکست کامل شبیه سازی شده است[۳۲].

محققان در سال ۲۰۱۱، با استفاده از دو مجموعه ۹ تایی نمونه ی استخوان ران، یکی برای بدست آوردن راهبردی برای المان بندی و دیگری برای اعتبار بخشی به این راهبرد استفاده شده است. در این تحقیق معیار شکست استخوان، رسیدن کرنش فون میزز به مقدار کرنش تسلیم در نظر گرفته شده است. در این تحقیق در هر مرحله با اعمال نیروی ۱۰۰ نیوتن، مدول الاستیسیته ی المان های تسلیم شده، ۰۱/۰ مگا پاسکال در نظر گرفته شده و این مراحل تا مسطح شدن دیاگرام نیرو-تغییر مکان تکرار شده است. زمان حل دقیق ترین المان بندی برای این تحقیق در حدود یک هفته گزارش شده است. هم بستگی سفتی و نیروی شکست پیش بینی شده به ترتیب ۸۷/۰ و ۸۵/۰ و محل شکست پیش بینی شده با ۸۳ درصد تطابق، بدست آمده است [۳۳].

[۱] Gait Analysis

[۲] Sports Biomechanics

[۳] Bone and Tissue Biomechanics

[۴] Artificial Organs/limbs

[۵] Prosthesis

[۶] Circulatory System Biomechanics

[۷] Lamark

[۸] Duda

[۹] Cortical

[۱۰] Terabecular

[۱۱] Terabecular

[۱۲] Osteoclasts

[۱۳] Osteoblasts

[۱۴] Osteocytes

[۱۵] Osteoid

[۱۶] Femur

[۱۷] Proximal

[۱۸] Head

[۱۹] Greater trochanter

[۲۰] Lesser trochanter

[۲۱] Neck

[۲۲] Intertrochanteric crest

[۲۳] Intertrochanteric line

[۲۴] Shaft

[۲۵] Lateral

[۲۶] Linea aspera

[۲۷] Distal

[۲۸] Medial condyle

[۲۹] Lateral condyle

[۱] hemeo-stasis

[۲] femur

[۳] spine

[۴] distal radius

35000 تومان – خرید
درباره این محصول نظر دهید !