چکيده
هدف از انجام اين تحقيق مطالعه توزيع تنش در ايمپلنت زانو به همراه مينسک مصنوعي است. براي انجام اين مطالعه، ابتدا ابعاد اندازه قطعات ايمپلنت بعد از تهيه نمونه‌اي از کارخانه Zimmer ساخت آلمان با مهندسي معکوس استخراج شد سپس در نرم‌افزارCATIA V5.R18 طراحي شد و نمونه طراحي شده به نرم‌افزار Abaqus/CAE 6.14-1 انتقال داده شد. در اين تحقيق، جنس مينيسک و وزن تغيير داده شدند، تغييرات مينيسک عبارت بودند از جنس پلي اتيلن UHMWPE (پليمري با تراکم بالا) و کامپوزيت زيست سازگار پلي پروپيلن-هيدروکسي آپاتيت ( PE-HA) با اعمال شرايط مرزي و اوزان Kg 60 ، Kg 75، Kg 100 که توزيع تنش در هر يک از متغيرهاي بيان شده روي ايمپلنت بروي يک پاي انسان در حالت ايستاده مطالعه شده است. در نهايت نتايج با يکديگر مقايسه و نتيجه‌گيري در مورد طراحي مطلوب ايمپلنت با توجه به حالت بارگذاري و جنس منيسک صورت مي‌گيرد.
مقدمه
زانو يکي از مهم‌ترين و مورد مطالعه‌ترين مفاصل بدن انسان است. تعداد زيادي از رشته‌هاي رباطي، همراه با عضلات متعددي که از مفصل عبور مي‌کنند پيچيدگي مفصل زانو را آشکار مي‌کنند. اين پيچيدگي آناتوميک تعامل دقيق بين حرکات متحرک و نقش‌هاي ثبات در زانو است. به طور پويا، پيوند با مفصل ران و مچ پا براي حمايت و جابجايي بدن در هر دو نوع مختلف فعاليت‌هاي معمول و دشوار در آن کار مي‌کند. اين نقش مهمي در حرکات انسان است. مفصل زانو از مفاصل متوسط اندام بدن انسان است و بزرگ‌ترين، پيچيده‌ترين و سنگين‌ترين مفصل بدن انسان است که به طور منظم تحت فشار قرار مي‌گيرد. از اين رو براي سال‌هاي متمادي مطالعه بيومکانيک مفصل زانو همواره مورد توجه محققين زيادي بوده است.
شکل 1: آناتومي مفصل زانو
همانطور که در شکل 1 ديده مي‌شود، زانو ترکيبي از بافت سخت (استخوان) و بافت نرم (ليگامان، عضله، مايع سينوويال و غضروف) و قطعات استخواني است.
مينيسک
بين کنديل‌هاي استخوان ران و پلاتوي تيبيا دو ساختار نيمه حلقوي قرار گرفته‌اند که به آن‌ها مينيسک گفته مي‌شود. جنس مينيسک ها فيبروکارتيلاژ است يعني هم شبيه غضروف و هم شبيه رباط هستند. يک مينيسک بر روي نيمه خارجي پلاتوي تيبيا قرار گرفته که مينيسک خارجي ناميده مي‌شود. مينيسک خارجي به شکل 2 قرص است. سطح پاييني آن که بر روي پاتلاي تيبيا مي‌نشيند صاف و سطح بالايي آن که در زير کنديل خارجي ران قرار مي‌گيرد مقعر است.
شکل2: آناتومي مينيسک
مينيسک داخلي بر روي نيمه داخلي پلاتوي تيبيا قرا دارد و به شکل نعل اسب است که طرف باز نعل آن در طرف رباط‌هاي صليبي قرار دارد. سطح پايين مينيسک داخلي هم که بر روي پلاتوي تيبيا قرار گرفته است صاف و سطح بالايي آن که با کنديا داخلي ران در تماس است مقعر است. دور تا دور مينيسک‌ها در زير توسط رباط‌هاي محکمي به لبه پلاتوي تيبيا چسبيده و محکم شده است.
سطح کنديل‌هاي ران گرد و مدور است ولي سطح بالايي پاتلاي تيبا مقعر نيست. در واقع مانند اين است که يک توپ بر روي يک سطح صاف قرار گرفته است. مفصل زانو مانند مفصل ران پايداري استخواني ندارد چون دو سطح استخواني که مقابل يکديگر هستند مقعر و محدب نيستند. در نتيجه اين دو سطح کاملاً بر روي يکديگر قرار نگرفته و نيروهاي وارده به مفصل نمي‌توانند در تمام سطح کنديل و پاتلا پخش شوند.
مينيسک‌ها با پرکردن فضاي خالي بين کنديل و پلاتو موجب مي‌شوند تا در عمل سطح بالايي پاتلاي مقعر شده و تماس کامل و يکنواختي با کنديل ران داشته باشد و در نتيجه نيروهاي وزن به طور متعادل و يکنواخت بين کنديل و پلاتو توزيع شوند.
شکل 3: توزيع نيروي وزن در مينيسک
آرتروپلاستي مفصل زانو
از آنجا که زانو بارگذاري زيادي را تحمل مي‌کند و يکي از متحرک‌ترين جفت‌هاي بدن انسان نيز است از جمله مفاصلي است که بيشترين آسيب‌ديدگي‌ها را مي‌بيند. همانطور که پيشتر گفته شد، اين مفصل به گونه‌اي است که عمدتاً در يک سطح مانند يک لولا حرکت مي‌کند. اين محدوديت در حرکت خود سبب آسيب به زانو مي‌شود. علاوه بر اين، زانو به طور منظم تحت تأثير فشار و حمايت وزن بدن قرار مي‌گيرد و همچنين جذب شوک که ناشي از فعاليت‌هاي زندگي روزانه است. با گذشت زمان، اين تنش‌ها مي‌تواند موجب آسيب‌هاي متعدد و آسيب دژنراتيو از رباط‌ها، تاندون‌ها و کپسول مفصلي شود که زانو را نگه مي‌دارد. بنابراين، حرکت استخوان ممکن است بيش از حد باشد و ممکن است منجر به افزايش دژنراسيون غضروف مفصلي و در نهايت اصطکاک استخوان بر استخوان شود. اين باعث درد و اختلال در استخوان در داخل مفصل زانو مي‌شود؛ به عنوان مثال، از دست دادن حرکت و گاهي اوقات تورم. در بدترين حالت، اين بيماري به عنوان آرتريت شناخته مي‌شود، که شايع‌ترين علت آسيب‌شناسي مفصل زانو است. در اين ميان انواع آرتريت، آرتروز و آرتريت روماتوئيد هستند که به طور عمده بر مفصل زانو تأثير مي‌گذارد.
استئوآرتريت (OA) يک بيماري غير مولد است که به تدريج از بين مي‌رود و در نتيجه غضروف مفصل که انتهاي استخوان‌ها را در مفصل مي‌پوشاند، از بين مي‌رود (شکل 4). OA نتيجه ترکيبي از پيري (سالخوردگي) چاقي، تحريک مفاصل، ضعف عضلاني، و سايش است. اين بيماري شايع‌ترين شکل آرتريت و شايع‌ترين علت جراحي جايگزيني هيپ و زانو است.
شکل 4: استئوآرتريت مبتلا به مفصل زانو
آرتريت روماتوئيد (RA) يک بيماري خود ايمني است که در آن سيستم ايمني بدن به دلايلي نمي‌تواند بافت‌هاي مفصلي (غضروف و مفصل روغني) را به عنوان بافت‌هاي خود تشخيص دهد و در واقع به آن حمله کند. نتيجه التهاب آسيب مفصلي و بافتي (مانند غضروف و روان کننده‌هاي مايع طبيعي سينوويال)، همراه با درد مشترک، تورم و از دست دادن عملکرد (از دست دادن حرکت) است. اين يکي از جدي‌ترين و ناتوان‌کننده‌ترين بيماري‌هاي زانو است که بيشتر در بانوان ديده مي‌شود.
مواد و روش تحقيق
مشخصات و خواص مکانيکي مواد
همانطور که قبلاً ذکر شد، مواد مورد استفاده براي اين ايمپلنت‌ها، تيتانيوم Ti6Al4V، پلي اتيلن با UHMWPE (پليمري با تراکم بالا) و کامپوزيت پلي پروپيلن- هيدروکسي آپاتيت ( PE-HA) هستند که هر سه به علت سازگاري بالا با بافت‌هاي انساني به عنوان مواد بيومتريال شناخته مي‌شوند. الزامات اصلي براي اين مواد و مخصوصاً براي استفاده‌هاي ارتوپدي عبارتند از:
جدول 1: مشخصات و خواص مکانيکي مواد
نتايج
نتايج تحليل ايمپلنت در نرم افزار آباکوس به صورت ذيل استخراج شده است.
جدول2: مقادير تنش‌هاي ماکزيم و محل آناتومي
نمودار 1: نمودار توزيه تنش نسبت به وزن
بحث
در پي مطالعاتي که پروفسور ويجي پارمار و همکارانش با عنوان “تجزيه و تحليل عناصر محدوديت سه بعدي تنش‌هاي مکانيکي در مفصل زانوي انسان» و لنرت دو رويتر با عنوان “ارزيابي عددي ايمپلنت مفصل زانو در آرتروپلاستي کل زانو در طي راه رفتن” انجام دادند به اين نتيجه دست يافتند که ماده UHMWPE، ماده‌اي مناسب و مقاوم در برابر افزايش بار و فشار است. ما نيز در اين مطالعه، به نتايجي مشابه با نتايج تحقيقات و مطالعات قبلي دست يافتيم. همچنين تغييري که تحقيق ما را متمايز با تحقيق‌هاي قبلي کرده بود، تغيير در نوع مينيسک و انتخاب ماده کامپوزيت به جاي UHMWPE (پليمري با تراکم بالا) بود و در نهايت نتيجه‌گيري از اين مطالعه اين بود که ماده UHMWPE (پليمري با تراکم بالا) از لحاظ مقاومت و تحمل تنش‌ها در وزن‌هاي مختلف اعمال شده نسبت به کامپوزيت هيدروکسي آپدايت مقاوم و مناسب است.
پيشنهادات
براي کار آينده، تحليل خستگي مي‌تواند به منظور ارزيابي مزاياي کوتاه و بلند مدت اين طراحي جديد انجام شود. با توجه به مطالعات انجام شده در سال‌هاي قبل و مطالعه‌اي که ما براي يک قسمت ايمپلنت و يک پا در حالت ايستاده انجام داده‌ايم براي محققان آتي پيشنهادات ذيل ارائه مي‌شود:
تحليل کامل اجزاي ايمپلنت در نرم افزارهاي تحليلي ارائه شده
تحليل ايمپلنت در زاويه‌هاي مختلف راه رفتن
تحليل ايمپلنت در سيکل راه رفتن براي هر دو پا
تحليل ايمپلنت در ورن هاي مختلف
تحليل ايمپلنت براي هر دو پاي در حال ايستاده و زانو زدن
تحليل ايمپلنت در حالت تغيير در جنس ايمپلنت
تحليل ايمپلنت از بابت تغيير در اندازه ريشه ايمپلنت
منابع
1- Palastanga, N. and Field D., Anatomy and human movement structure and function. 4 th ed. 2002: Butterworth-Heinemann.
2- Kutzner, I., Heinlein, B., F. Graichen, A. Bender, A. Rohlmann, A.M. Halder, A. Beier, and G. Bergmann, Loading of the knee joint during activities of daily living measured in vivo in five subjects. J Biomech. 2010 Aug 10;43(11):2164-73.
3- Taylor, R., Heller, O., Bergmann, G., Duda, N., Tibio-femoral loading
4-during human gait and stair climbing. Journal of Orthopaedic Research 22 (2004) 625-632. [4] Tortora, G. and Derrickson, B., Principles of anatomy and physiology. 12. 2009: John Wiley & Sons, Inc.
5- Darrow, M., The Knee Sourcebook. 1st ed. 2002: McGraw-Hill.
6- Bei, Y., Dynamic simulation of knee joint contact during human movement. Dissertation for the doctor degree, University of Florida, 2003.
7- Carvalho, F., Tratamento da gonartrose numa abordagem cirúrgica, Dissertation for the master degree, Universidade da Beira Interior, 2010.
8- NIH Consensus Statement on total knee replacement. NIH Consens State Sci Statements 2003 Dec 8-10;20(1):1-34.
9- Shetty, A.A., A. Tindall, P. Ting, and F.W. Heatley, The evolution of total knee arthroplasty. Part I: introduction and first steps. Current Orthopaedics, 2003. 17: p. 322-325.
10-[10] Wylde, V., Dieppe, P., Hewlett, S., Learmonth, I.D., Total knee replacement: Is it really an effective procedure for all?. The Knee 14 (2007) 417–423.
دیدگاه ها