مدل سازی و آنالیز تنش در قوزک پای نرمال و مجموعه پروتزی قوزک پا Modeling and stress analyses of a normal foot-ankle and a prosthetic foot-ankle complex

Abstract

Total ankle replacement (TAR) is a relatively new concept and is becoming more popular for treatment of ankle arthritis and fractures.

Because of the high costs and difficulties of experimental studies, the developments of TAR prostheses are progressing very slowly. For this reason, the medical imaging techniques such as CT, and MR have become more and more useful. The finite element method (FEM) is a widely used technique to estimate the mechanical behaviors of materials and structures in engineering applications.

FEM has also been increasingly applied to biomechanical analyses of human bones, tissues and organs, thanks to the development of both the computing capabilities and the medical imaging techniques. 3-D finite element models of the human foot and ankle from reconstruction of MR and CT images have been investigated by some authors. In this study, data of geometries (used in modeling) of a normal and a prosthetic foot and ankle were obtained from a 3D reconstruction of CT images. The segmentation software, MIMICS was used to generate the 3D images of the bony structures, soft tissues and components of prosthesis of normal and prosthetic ankle-foot complex.

Except the spaces between the adjacent surface of the phalanges fused, metatarsals, cuneiforms, cuboid, navicular, talus and calcaneus bones, soft tissues and components of prosthesis were independently developed to form foot and ankle complex. SOLIDWORKS program was used to form the boundary surfaces of all model components and then the solid models were obtained from these boundary surfaces. Finite element analyses software, ABAQUS was used to perform the numerical stress analyses of these models for balanced standing position. Plantar pressure and von Mises stress distributions of the normal and prosthetic ankles were compared with each other.

There was a peak pressure increase at the 4th metatarsal, first metatarsal and talus bones and a decrease at the intermediate cuneiform and calcaneus bones, in prosthetic ankle-foot complex compared to normal one. The predicted plantar pressures and von Misses stress distributions for a normal foot were consistent with other FE models given in the literature. The present study is aimed to open new approaches for the development of ankle prosthesis.

Key words: 3-D modeling, finite element analysis (FEA), prosthetic foot-ankle complex

چکیده فارسی

تعویض کامل قوزک پا (TAR) مفهومی نسبتاً جدید است که برای درمان آرتروز قوزک پا و شکستگی های قوزک پا بیشتر متداول می باشد. به دلیل هزینه های بالا و وجود مشکلات در مطالعات تجربی، توسعه بخشی و پیشرفت پروتزهای TAR با کندی بسیار به جلو پیش می رود. به همین علت، تکنیک های عکس برداری پزشکی از جمله CT و MR بیشتر و بیشتر مفید و مثمرثمر می شوند. روش المان محدود (FEM) تکنیکی است که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد تا رفتارهای مکانیکی مواد و ساختارها را در کاربردهای مهندسی ارزیابی نماید. FEM به طور روزافزونی برای آنالیزهای بیومکانیکی (مهندسی پزشکی) استخوان های انسان، بافت ها و اندام ها استفاده می شود و به همین منظور باید از توسعه و پیشرفت ظرفیت های محاسباتی و تکنیک های عکس برداری پزشکی سپاس گذار باشیم. مدل های 3 بعدی المان محدود برای پای انسان و قوزک پا که از ساختاربندی مجدد عکس های CT و MR به دست آمده توسط تنی چند از محققان مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته است. در این مطالعه، داده های هندسی (به کار رفته در مدل سازی ها) در پای پروتزی و قوزک پا از ساختاربندی مجدد و 3 بعدی عکس های CT به دست میایند. نرم افزار تقسیم بندی MIMICS برای ایجاد عکس های 3 بعدی از ساختارهای استخوانی، بافت های نرم و قطعات پروتز پای نرمال و مجموعه پروتز قوزک پا استفاده می شود. به جز فضاهای مابین سطوح همجوار استخوان های انگشت پا (Phalanges) که از بین رفته اند متاتارسال ها، Cuneiforms، کیوبید (cubid)، navicular استخوان های تالوس و کالسانس (calcaneus)، بافت های نرم و قطعات پروتزی همگی به طور مستقلی برای شکل دهی پا و قوزک پا توسعه می یابند. برنامه کامپیوتری SOLIDWORKS برای تشکیل سطوح مرزی تمامی مؤلفه های سازندۀ مدل مورد استفاده قرار می گیرند و سپس مدل های جامد (solid) از این سطوح مرزی به دست میایند. نرم افزار آنالیز المان محدود ABAQUS جهت اجرای آنالیزهای عددی تنش در این مدل ها در حالت تعادل ایستاده به کار گرفته می شود. نحوه توزیع فشار کف پا و تنش Von Misses در قوزک پای نرمال و قوزک پای پروتزی با یکدیگر مقایسه می شوند. پیک فشار در منطقۀ چهارم متاتارسال و متاتارسال اول و استخوان تالوس افزایش میابد و در intermediate cuneiform و استخوان های کالکانئوس (calcaneus) و در مقایسه قوزک پای پروتزی و نرمال کاهش می باشد. نحوۀ توزیع پیش بینی شده فشار در کف پا و تنش Von Misses برای پای نرمال مطابق با دیگر مدل های FE است که در این مقاله ارائه شده اند. هدف مطالعه اخیر ارائه راهکارهای جدید جهت توسعه بخشی و پیشرفت در پروتز قوزک پا است.

مشخصات

توسط: MUSTAFA OZEN, ONUR SAYMAN, HASAN HAVITCIOGLU مجله: Acta of Bioengineering and Biomechanics سال انتشار: 2013 میلادی تعداد صفحات متن اصلی: 9 تعداد صفحات متن ترجمه: 15 تاریخ درج: ۱۳۹۵/۵/۱۹ منبع: دیتاسرا

خرید آنلاین فایل ترجمه

عنوان: مدل سازی و آنالیز تنش در قوزک پای نرمال و مجموعه پروتزی قوزک پا حجم: 1.09 مگابایت فرمت فایل: pdf قیمت: 129500 تومان رمز فایل (در صورت نیاز): www.datasara.com نرم افزارهای مورد نیاز: winrar - adobe acrobat - office