کتاب طراحي، مدل‌سازي، انتخاب ماده و تحليل پروتز زانو

فهرست
عنوان صفحه
مقدمه 9
فصـل اول 15
کلیات 15
شناخت عمل تعويض مفصل زانو 16
شناخت عمل تعويض مفصل لگن 19
قانون وولف 20
قانون داوي 20
انواع پروتز‌ها و اندام‌هاي مصنوعي 21
پروتز زانو 21
پروتز لگن 23
پروتز شانه 25
پروتز دندان 25
پروتز ستون فقرات 26
پروتز آرنج 27
پروتز بيولوژيک 28
پروتز آسيب‌ 28
فصـل دوم 31
مبانی نظری 31
محور مکانيکي و محور آناتومي 33
تنش‌هاي تماسي هرتز 34
استحکام سطح 41
مدل سايشي آرچارد 44
مدل آرچارد به بيان ديگر 46
بررسي رفتار سايشي پليمر مفاصل مصنوعي 47
خاصيت ترشوندگي 49
سطوح پرانرژي و کمانرژي 51
بيومواد‌ به کار رفته در ساخت پروتزها 52
ويژگي‌ها و خواص بيومواد‌ها 54
انواع بيومواد‌ها 55
بيومواد‌هاي فلزي 55
تيتانيوم 56
آلياژهاي تيتانيوم 56
بيومواد‌هاي غيرفلزي 58
خواص مکانيکي بيومواد‌هاي رايج در ساخت پروتز‌ها 59
خواص مکانيکي پلي‌اتيلن 59
خواص مکانيکي بيومواد سراميکي 62
خواص مورد انتظار از آلياژ تيتانيوم به کار رفته در پروتز زانو 62
سايش سطوح تماسي متفاوت روي يکديگر 64
مطالعات 69
مطالعات انجام‌شده در زمینه‌ی تعویض مفصل و مدل‌سازی ریاضی آن 69
مطالعات انجام‌شده در زمینه‌ی آلياژهای تیتانیوم 71
مطالعات انجام‌شده در زمینه‌ی پلي‌اتيلن 73
مطالعات انجام‌شده در زمینه‌ی مدل‌سازی سه‌بعدی کامپیوتری و آنالیز المان محدود پروتز زانو 74
هدف این مطالعه 81
فصـل سوم 83
روش‌شناسی 83
بازسازی سه‌بعدی استخوان ران و ساق پا به‌وسیله‌ی نرم‌افزار میمیکس 84
نحوه‌ی استخراج استخوان‌هاي ران و ساق 85
مقياس ‌هانسفيلد 88
طراحی و شبيهسازي پروتز زانو در نرم‌افزار کتیا 96
تحليل المان محدود پروتز در نرمافزار آباکوس 102
مدل‌سازی فرآیند تحلیل المان محدود پروتز 102
بارگذاری روی پروتز 108
فصـل چهارم 111
نتایج و بحث 111
نتايج حاصل از آناليز عددي 112
نتايج حاصل از تحليل المان محدود با نرم‌افزار آباکوس 116
فصـل پنجم 127
نتیجه‌گیری 127
پيشنهادها 129
منـابع و مآخـذ 131

آرتروز بيماري بسيار شايعي است که با سن عجين بوده و بسياري از افراد در سن بالا دچار آن مي‌شوند. تقريبا 70 درصد افراد بالاي 65 سال، دچار آرتروز مفاصل هستند. افزايش سن مهمترين عامل به وجود آمدن اين بيماري مي‌باشد به طوري که آب زيادتري داخل غضروف مي‌رود و در نتيجه تقريبا تمامي افراد مسن در صورت عکس‌برداري متوجه آرتروز در مفاصلشان مي‌شوند. يکي از عوامل به وجود آورنده آرتروز، آسيب‌هاي مفصلي است. ضربات به صورت مختلف مي‌توانند آسيب‌هايي را به تاندون، رباط و ديسک وارد کنند.
از مهمترين علامت‌هاي وجود آرتروز مي‌توان به مهمترين علامت که درد است اشاره کرد. درد آرتروز در ابتدا حالت مکانيکي دارد يعني با راه رفتن و استفاده از مفصل، اين درد بدتر مي‌شود و با خوابيدن و استراحت بهتر مي‌شود که اين برخلاف درد هاي رماتيسمي است. درمان‌هاي آرتروز شامل درمان‌هاي غير دارويي، دارويي و جراحي است. جراحي براي اصلاح انحرافات داخل مفصل است و گاهي در مراحل پيشرفته بيماري، استفاده از تعويض مفصل از بين رفته است.
استخوان ماده اي ترد، متخلخل و بافت زنده اي است که مجموعه اي از آن چارچوب يا استخوان‌بندي بدن را تشکيل مي‌دهد. دسته بندي استخوان معمولا با شکل ظاهري آن انجام مي‌گيرد که بنا به شکل آنها، هر دسته وظيفه ي معيني را بر عهده دارند. از لحاظ بافت استخواني نيز به دو دسته کورتيکال و کنسلوس تقسيم‌بندي مي‌شوند [1]. صدمات استخواني مي‌توانند درقالب بيماري‌هايي نظير پوکي استخوان يا وجود تومور ظاهر شوند يا تحت تاثير بارهاي تکراري، پاسخ‌هايي مثل ايجاد ترک از خود نشان دهند [2]. تحليل بيومکانيکي صدمات استخواني به دليل وجود فاکتورهاي دروني (مانند ظرفيت جذب انرژي، مدول الاستيسيته، استحکام خستگي و دانسيته استخوان) و فاکتورهاي بيروني (مدت و جهت وارد شدن نيروي اعمالي به استخوان و سرعتي که تحت آن بارگذاري انجام شده است) از اهميت بالايي برخوردار است [3 و 4] و مي‌تواند به صورت تحليل تنش با تغيير متغير فاکتورهاي دروني و بيروني انجام پذيرد. تحليل مهندسي اتصالات بدني و همچنين استخوان فمور يکي از موضوعاتي است که در دهه‌هاي اخير توجه دانشمندان و پژوهشگران علم آناتومي ‌را به خود جلب کرده است.

شناخت عمل تعويض مفصل زانو
يکي از گزينه‌هاي پيش روي پزشکان انجام عمل جراحي و جايگزيني مفصل مصنوعي به جاي مفصل آسيب‌ديده مي‌باشد. عمل تعويض زانو زماني انجام مي‌شود که ديگر درمان‌هاي انجام شده باعث بهبودي علائم آرتروز نشده باشد. جراح در طول عمل جراحي تعويض مفصل زانو، در اصل سطح مفصلي استخوان‌هاي آسيبديده را بازسازي مي‌کند. در تعويض کامل مفصل زانو همه ي سطوح تماس در مفصل زانو تعويض مي‌شوند که هر دو برآمدگي گرد انتهاي استخوان ران، کل سطوح درشت ني و در برخي موارد سطوح مفصلي کفشک زانو را شامل مي‌شود. در مواردي هم جراح قسمتي از مفصل را برمي‌دارد، در اين مواقع پروتز نيمي ‌از سطح مفصل را در بر مي‌گيرد و نيم ديگر غضروف و مايع مفصلي طبيعي خواهد بود.

در طول يک فرآيند تعويض کامل مفصل زانو، جراح در ابتدا از راهکارها و ابزارهاي دقيق براي برداشتن سطوح استخوان آسيب‌ديده استفاده مي‌کند. سپس انتهاي استخوان‌ها براي پذيرش پروتزها شکل داده مي‌شود. بعد پروتز زانو که از ترکيب چند نوع آلياژ و يک پلاستيک پلي‌اتيلن ساخته شده، جاسازي مي‌شود. پيشرفت‌هاي قابل توجهي در علم پلاستيک پلي‌اتيلن حاصل شده است که اين ماده را نسبت به ضربه بسيار مقاوم کرده است.
زانوي مصنوعي شبيه زانوي بيمار ساخته مي‌شود تا حرکت عادي را فراهم کند. قسمت فلزي بالاي پروتز براي هماهنگي دقيق با انحناي طبيعي در انتهاي استخوان ران به صورت گرد در آمده است. بالاي استخوان درشت ني (استخوان ساق) با يک صفحه ي مسطح و صاف از فلز و يا پلي‌اتيلن جايگزين مي‌شود. اگر اين صفحه فلزي باشد، با يک سطح پلي‌اتيلن صاف پوشيده مي‌شود تا غضروف را شبيه‌سازي کند و حرکت رواني را فراهم کند. پشت کشکک زانو نيز ممکن است با پوشش پلي‌اتيلن گرد جايگزين شود.
عمل جراحي تعويض مفصل زانو با يک برش براي ظاهر شدن مفصل زانو آغاز مي‌شود. طول و محل دقيق برش بسته به نياز متفاوت خواهد بود. عمل جراحي معمول تعويض مفصل زانو شامل يک برش بيست تا سي سانتي‌متري مي‌شود. براي برخي از بيماران ممکن است از يک روش کمتر تهاجمي ‌استفاده شود که در اين روش برش کوچکتر پوست مي‌تواند براي تعويض مفصل کافي باشد. ممکن است ساير بيماران به همان برش بزرگتر روش معمول نياز داشته باشند. پروتز‌هايي با کيفيت مشابه براي هر دو روش استفاده مي‌شود. جراح بر اساس چندين فاکتور، شامل ماهيت مشکل زانو، نوع تکنيک انجام شده، سن و شرايط فيزيکي، تحمل در برابر دارو‌هاي ضد درد خوراکي و شرايطي که بيمار در طول عمل جراحي با آن مواجه مي‌شود، تشخيص خواهد داد که چه روشي براي بيمار بهتر خواهد بود. پروتزهاي زانو يا به وسيله يک نوع سيمان (ملاط) خاص استخوان و يا به سادگي با اصطکاک در محل محکم مي‌شود. برخي پروتزها مواد خواصي دارند که به استخوان اجازه مي‌دهند در طول زمان در روزنه‌ها و خلل و فرج‌ها رشد کند و در واقع پروتز را در برگيرد تا در جاي خود محکم شود. در کل پروتزها به دو نوع کلي تقسيم‌بندي مي‌شوند: پروتزهاي با سيمان و پروتزهاي بدون سيمان که اين تقسيم‌بندي بر اساس نحوه‌ اتصال پروتز به استخوان انجام مي‌شود. در پروتزهاي بدون سيمان از هيچ‌گونه مواد يا چسبي براي متصل کردن پروتز به استخوان استفاده نمي‌شود. در اين مدل بعد از کاشت پروتز، استخوان رشد کرده و پروتز را در بر مي‌گيرد. شايان ذکر است که در اين مدل، سطوح پروتز به نحوي تهيه مي‌شوند که استخوان بتواند آن را در بر بگيرد. در روش دوم که روش با سيمان مي‌باشد، پروتز را با استفاده از مواد و يا سيمان‌هاي خاص در داخل استخوان محکم مي‌کنند. هر دوي اين روش‌ها داراي مزايا و معايبي هستند که هر روش را از ديگري متمايز مي‌کنند. در حالت‌هاي کلي عمل ابتدايي پروتزگذاري از جمله پروتزگذاري لگن، کاشت به صورت بدون سيمان خواهد بود و در صورت نياز به عمل مجدد يا رويژن اين عمل به صورت کاشت با سيمان مي‌باشد.

شناخت عمل تعويض مفصل لگن
در طول يک عمل تعويض کامل مفصل ران، جراح از ابزارهاي دقيق براي برداشتن گوي سر استخوان ران (فمور) و صاف کردن سطح داخلي کاسه لگن فرسوده شده استفاده مي‌کند. سپس پزشک يک پروتز مفصل ران را وارد مي‌کند، همانطور که در شکل 1-2 نشان داده شده است، پروتز لگن از چندين قسمت تشکيل شده است.

اين قسمت‌ها مي‌تواند از جنس فلزهاي مختلف و پلي‌اتيلن‌ها باشد که توضيح داده خواهد شد.
اين پروتز شبيه مفصل ران بوده تا به بيمار اجازه حرکت عادي را بدهد. يک گوي صاف فلزي يا سراميکي به جاي سر فرسوده استخوان ران جايگزين مي‌شود که به فمور هد مشهور است. اين گوي به يک پايه يا ساقه متصل مي‌شود که اين ساقه به صورت با سيمان و يا بدون سيمان با توجه به تشخيص پزشک وارد استخوان ران مي‌شود. عمل جراحي با يک برش در محدوده مفصل ران آغاز مي‌شود. طول و محل برش بسته به نياز بيمار متفاوت خواهد بود. عمل جراحي معمول تعويض مفصل ران شامل يک برش به طول 25 تا 30 سانتي‌متر مي‌شود. ممکن است در برخي بيماران رويکرد کم تهاجمي‌تري استفاده شود که در آن برش‌هاي کوچکتر با حفظ عضلات و بافت‌هاي کليدي براي تعويض مفصل کافي باشد. با اين روش ممکن است مدت بستري بيمار در بيمارستان کوتاهتر و توان‌بخشي سريع‌تر انجام شود. ممکن است ساير بيماران نياز به برش‌هاي بزرگتر روش معمول داشته باشند. پروتز‌هاي با کيفيت مشابهي براي هر دو روش وجود دارد. پزشک بر اساس ماهيت بيماري، مشکل مفصل ران، نوع تکنيک جراحي، سن و شرايط بدني و شرايطي که در طول عمل جراحي پيش مي‌آيد، تشخيص خواهد داد چه چيز براي بيمار مناسب تر است.

قانون وولف
قانون وولف [6] يکي از اصلي‌ترين تئوري‌ها و اصول در مهندسي پزشکي و ارتوپدي مي‌باشد. اين تئوري توسط ژوليوس وولف بيان شده است. اين تئوري بيان مي‌کند که استخوان‌ها با اعمال بار وارده خود را سازگار مي‌کنند و در صورت اعمال بار استخوان ساخته مي‌شوند يعني استخوان خود را در برابر اين بار مقاوم مي‌کند. حتي عکس اين موضوع نيز صادق است در صورتي که بار وارده بر روي استخوان برداشته شود استخوان ضعيف مي‌شود.

قانون داوي
قانون داوي نيز به مانند قانون وولف مي‌باشد با اين تفاوت که قانون وولف بياني براي استخوان‌ها مي‌باشد ولي قانون داوي بياني مشابه براي ماهيچه‌ها مي‌باشد. به عنوان مثال در مورد قانون وولف مي‌توان به اين نکته اشاره کرد که وزنه‌برداران داراي استخوان‌هاي قوي‌تري نسبت به انسان‌هاي عادي هستند.

انواع پروتز‌ها و اندام‌هاي مصنوعي
امروزه با پيشرفت علوم پزشکي و مهندسي پزشکي، پروتزهاي متنوع و مختلفي توسط شرکت‌هاي سازنده در سطح دنيا توليد مي‌شوند. در اين قسمت انواع پروتزهاي مختلف ساخته شده براي جايگزيني در بدن معرفي مي‌شوند.

پروتز زانو
مفصل زانو بزرگترين و پيچيده‌ترين مفصل بدن است که نقش و اهميت آن در بدن بسيار قابل توجه مي‌باشد؛ هنگام راه رفتن و ايستادن همه نيروهاي وارده به ستون فقرات از طريق مفصل زانو به ساق، پا و نهايتا به زمين منتقل مي‌شوند. پيچيدگي مفصل زانو ناشي از وجود استخوان‌هاي ران، درشت ني، نازک‌ني، عضلات متعدد، رباط‌ها و کپسول مفصلي مي‌باشد. مفصل زانو نقش بسيار مهمي را در حمايت بدن و انتقال وزن آن در حين فعاليت‌هاي استاتيک و ديناميک ايفا مي‌کند و ثبات آن بيشتر از طريق عضلات و ليگامنت‌هاي اطراف آن تامين مي‌گردد و تقريبا هيچ عامل استخواني در ايجاد ثبات آن نقش ندارد به همين دليل اين مفصل از آسيب‌پذيرترين مفاصل بدن است. شکل 1-3 قسمت‌هاي مختلف مفصل زانو و استخوان‌ها و ساير اجزاء اطراف آن و شکل 1-4 نمونه‌اي از پروتز زانو را نشان مي‌دهد. اين پروتز ممکن است تماما مجموعه مفصل زانو را در برگيرد و يا در بعضي از مواقع قسمتي از مفصل را که آسيب ديده با پروتز جايگزين مي‌کنند و قسمت‌هاي سالم را به صورت دست نخورده نگه مي‌دارند.