FSI VUT v Brně Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky
Biomechanická studie patologicky vyvinutého kyčelního spojení z hlediska následných chirurgických operací
Doktorand:
Ing. Michal Vaverka
Školitel:
Ing. Zdeněk Florian, CSc.
23. seminář
16.června.2006
1/29
Osnova Klinické řešení patologií kyčelního kloubu Formulace problému a cíle jeho řešení Současný stav řešené problematiky Výpočtové modelování Prezentace a analýza výsledků Závěr
2/29
Onemocnění kyčelního kloubu Onemocnění kyčelního kloubu jsou spojena s nepříznivými (patologickými) silovými poměry v kloubu • • • • •
Vývojová dysplazie kyčelního kloubu Legg – Calvé – Perthesova choroba Coxa vara adolescentinum Coxa vara congenita Poškození kyčle v důsledku dětské mozkové obrny
• • •
Artróza kyčelního kloubu Revmatoidní artritida Residuální dysplasie
•
Nádorová onemocnění
•
Poškození kyčelního kloubu úrazem
Př: postupná deformace hlavice stehenní kosti u M. Perthes
RTG snímek dysplastické kyčle před a po provedení trojité osteotomie pánve
3/29
Klinické řešení problémů kyčelního kloubu
Př.: Schéma Salterovy osteotomie pánve
Př.: Varizační osteotomie femuru
Chirurgické zákroky vedou na upravení biomechanických parametrů provedením úprav vzájemné polohy částí kloubu nebo modifikací či rekonstrukcí jejich geometrie. Chirurgický zákrok je motivován zlepšením funkčních poměrů v kyčelním spojení blížících se fyziologickému stavu
Nejsou k dispozici výsledky biomechanických analýz o mechanických veličinách odpovídajících různým patologickým stavům v kloubu, které by mohly být využity v klinické praxi
4/29
Cíl práce
Cílem práce je zjistit deformačně – napjatostní parametry v kyčelním kloubu ve fyziologickém stavu (zdravý kloub) a ve vybraných patologických stavech kyčelního kloubu. Úkolem je vytvořit prostorové výpočtové modely fyziologického a patologického kyčelního kloubu dospělého a dospívajícího člověka, na nich provést deformačně – napjatostní analýzu a formulovat závěry pro klinickou praxi. Analýzy jsou prováděny v systému ANSYS metodou konečných prvků – MKP Problematika je řešena ve spolupráci s lékaři v KDCHOT FN Brno
5/29
Současný stav řešené problematiky
•poznatky z fotoelasticimetrie •experimentálně zjištěné stykové výslednice pomocí implantovaných totálních náhrad vybavených snímači - telemetrie • aproximace stykového tlaku na rovinné úloze z RTG snímku nebo pomocí filmů citlivých na tlak •řešení problémů kyčelních kloubů převážně z implantovanými totálními nebo povrchovými náhradami (ÚMTMB FSI)
•Bergmann, G., Deuretzbacher, G., Heller, M. et al.: Hip contact forces and gait patterns from routine activities. Journal of Biomechanics, 2001 •Brand, R. A., Iglič, A., Kralj-Iglič, V.: Contact stresses in the human hip: Implications for disease and treatment. Hip International, 2001
6/29
Výpočtové modelování – modely geometrie a síť KP Tvorba geometrického modelu kyčelního kloubu dospělého člověka
Reálné kosti
nasnímání pomocí CT CT řezy
Konečnoprvkový model v systému Geometrický model
7/29
Výpočtové modelování – modely geometrie, výměna dat Tvorba geometrického modelu kyčelního kloubu dospívajícího člověka Konverze dat ze standardu DICOM
Segmentace tkání
CT data: KDR a KDCHOT FN Brno
CT řezy
Byl vytvořen soubor pravidel pro výměnu dat mezi modelářem a výpočtovým systémem na základě vlastních zkušeností
Modely geometrie v plošném modeláři
8/29
Výpočtové modelování – model materiálů
Modul pružnosti [MPa]
Poissonovo číslo [-]
Kompaktní kost pánve a femuru
14 000
0,3
Spongiózní kost pánve a femuru
3 000
0,3
Subchondrální kost
1 400
0,3
60
0,3
210 000
0,3
Tkáň
Chrupavka Svaly
9/29
Výpočtové modelování – model vazeb a zatížení
Zatížení dolní končetiny
Model vazeb Silová a momentová výslednice zatížení
10/29
Výpočtové modelování – model svalů Název svalu
Číslo na obr.
M. glutaeus medius
1
M. glutaeus minimus
2
M. glutaeus maximus
3
M. piriformis
4
M. pectineus
5
M. quadratus femoris
6
M. adductor brevis
7
M. adductor longus
8
M. adduktor magnus
9
•modelovány jsou svaly podstatné pro stoj a chůzi
MKP model s devíti svaly
MKP model se svaly skupiny M. glutaeus
•lanové prvky spojují počátky a úpony svalů •rozmístění prvků vystihuje tvar svalu •velmi vysoká tuhost odpovídá isometrické kontrakci 11/29
Výpočtové modelování – testovací kontaktní úlohy Byl zkoumán zejména vliv těchto faktorů na přesnost výsledků: •rovinná nebo prostorová úloha •typ kontaktních prvků •typ objemových prvků symetrický nebo nesymetrický kontakt •uvažování velkých deformací, tření, plasticity •velikost kontaktní tuhosti (FKN) a dalších parametrů •jemnost sítě a vzájemná poloha protějších uzlů na stykových plochách
Př.: Rozložení stykového tlaku pro případ styku koule a roviny
Maximum stykového tlaku v závislosti na kontaktní tuhosti pro případ koule-rovina
Vaverka, M., Vrbka, M.: Řešení kontaktních úloh pomocí MKP a jejich aplikace v biomechanice. Aplikovaná mechanika 2002, VŠB TU, Ostrava, 2002
12/29
Přehled řešených variant Ozn.
Popis výpočtového modelu
A1
A2
A3
1 chrupavka pevně spojená s acetabulem Výpočtový model fyziologického kyčelního kloubu dospělého člověka 2 chrupavky, na hlavici femuru i v acetabulu
A4
B1
Výpočtový model kyčelního kloubu dospívajícího člověka
B2
Model chrupavky v kloubní dutině
Varianta A1 a A2
kulový tvar hlavice, zdravý kloub deformovaná hlavice, M. Perthes
Kontaktní plochy
Kontakt mezi hlavicí femuru a chrupavkou
Kontakt mezi chrupavkou na hlavicí femuru a chrupavkou v acetabulu
2 chrupavky, na hlavici femuru i v acetabulu
Kontakt mezi chrupavkou na hlavicí femuru a chrupavkou v acetabulu
Varianty A1 a A3
Svaly v modelu 9 vybraných svalů 3 svaly skupiny M. glutaeus 9 vybraných svalů 3 svaly skupiny M. glutaeus
Ozn.
Popis výpočtového modelu
C1
Model fyziologického i patologického kloubu dospělého člověka - citlivostní analýza vlivu kolodiafyzárního úhlu (deformity coxa vara, coxa valga)
C3
C4
3 svaly skupiny M. glutaeus
modulu pružnosti kompakty
C2
C5
C6
Výpočtový model fyziologického kyčelního kloubu dospělého člověka citlivostní analýza vlivu
modulu pružnosti spongiózy modulu pružnosti chrupavek Poissonova čísla chrupavek součinitele tření
Výpočtové modely v analýzách C1 až C6 mají 2 chrupavky a svaly skupiny M.glutaeus
13/29
Výsledky výpočtového modelování Zdravý kloub dospělého člověka – varianta A4
Stykový tlak v jamce (acetabulum)
Stykový tlak na hlavici femuru
14/29
Výsledky výpočtového modelování
Radiální napětí v celém kyčelním spojení a v acetabulu
Celkové posuvy řešené soustavy
Napětí ve směru osy krčku femuru
15/29
Výsledky výpočtového modelování – citlivostní analýzy Vliv kolodiafyzárního úhlu na napětí v krčku, na stykový tlak v kloubu a na stykovou výslednici
Styková výslednice v souřadnicovém systému
Kolodiafyzární úhel
16/29
Výsledky výpočtového modelování – citlivostní analýzy
Coxa vara, coxa valga
Vliv kolodiafyzárního úhlu na napětí v krčku, na stykový tlak a velikost stykové výslednice 17/29
Výsledky výpočtového modelování – citlivostní analýzy Vliv modulu pružnosti kompaktní kosti na velikost a rozložení stykového tlaku a na poměr velikostí stykové a tíhové síly
1,76 1,74 1,72
2,8 Poměr stykové a tíhové síly [-]
Maximální hodnota stykového tlaku [MPa ]
C2
1,7 1,68 1,66 1,64 1,62 6000
10000
14000
18000
Modul pružnosti kompakní kosti [MPa]
22000
2,76 2,72 2,68 2,64 2,6 2,56 6000
10000
14000
18000
Modul pružnosti kompaktní kosti [MPa]
22000
C2
18/29
Výsledky výpočtového modelování – citlivostní analýzy Vliv modulu pružnosti spongiózy na velikost a rozložení stykového tlaku a na poměr velikostí stykové a tíhové síly
3 2,5 2,8 Poměr stykové a tíhové síly [-]
Maximální hodnota stykového tlaku [MPa]
C3
2 1,5 1 0,5 0 0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Modul pružnosti spongiózní kosti [MPa]
14000
2,75 2,7 2,65 2,6 2,55 0
2000
4000
6000
8000
10000
Modul pružnosti spongiózní kosti [MPa]
12000
14000
C3
19/29
Výsledky výpočtového modelování – citlivostní analýzy Vliv modulu pružnosti chrupavky na velikost a rozložení stykového tlaku a na poměr velikostí stykové a tíhové síly
1,75 1,7 1,65
2,69
1,6 1,55 1,5 1,45 1,4 0
10
20
30
40
50
Modul pružnosti chrupavek [MPa]
60
70
Poměr stykové a tíhové síly [-]
Maximální hodnota stykového tlaku [MPa]
C4
2,68 2,67 2,66 2,65 2,64 2,63 0
10
20
30
40
50
Modul pružnosti chrupavek [MPa]
60
70
C4
20/29
Výsledky výpočtového modelování – citlivostní analýzy Vliv Poissonova čísla chrupavek na velikost a rozložení stykového tlaku a na poměr velikostí stykové a tíhové síly
2,6 2,8
2,1
Poměr stykové a tíhové síly [-]
Maximální hodnota stykového tlaku [MPa]
C5
1,6 1,1 0,6 0,1 0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
Poissonovo číslo chrupavek [-]
0,45
0,5
2,75 2,7 2,65 2,6 2,55 2,5 0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
Poissonovo číslo chrupavek [-]
0,45
0,5
C5
21/29
Výsledky výpočtového modelování – citlivostní analýzy Vliv součinitele tření mezi chrupavkami na velikost a rozložení stykového tlaku a na poměr velikostí stykové a tíhové síly
1,75 1,7 2,68 Poměr stykové a tíhové síly [-]
Maximální hodnota stykového tlaku [MPa]
C6
1,65 1,6 1,55 1,5 1,45 0
0,015 0,03 0,045 0,06 0,075 0,09 0,105 0,12 0,135 0,15 Součinitel tření mezi chrupavkami [-]
2,66 2,64 2,62 2,6 2,58 2,56 2,54 2,52 2,5 2,48 0
0,015 0,03 0,045 0,06 0,075 0,09 0,105 0,12 0,135 0,15 Součinitel tření mezi chrupavkami [-]
C6
22/29
Výsledky výpočtového modelování – citlivostní analýzy
Označení citlivostní analýzy
Veličina
C1
Rozsah vstupních hodnot
Maximální hodnota stykového tlaku [MPa] Interval
Změna v %
CCD úhel [˚]
95 - 150
C2
modul pružnosti kompakty [MPa]
C3
Velikost výsledné stykové síly [N]
Poměr velikostí stykové a tíhové síly [-]
Interval
Změna v %
Interval
1,41 2,06
+ 46 %
1632 - 2401
+ 47 %
2,22 - 3,26
7000 22000
1,74 1,64
- 17 %
2030 - 1905
-6%
2,76 - 2,58
modul pružnosti spongiózy [MPa]
100 - 14000
2,82 - 1,7
- 39 %
2044 - 1905
- 6,8 %
2,78 - 2,58
C4
modul pružnosti chrupavek [MPa]
5 - 70
1,45 - 1,7
+ 17 %
1973 - 1943
- 1,5 %
2,68 - 2,64
C5
Poissonovo číslo chrupavek [-]
0,15 - 0,48
1,62 - 2
+ 23 %
1942 - 1942
0%
2,64 - 2,64
C6
součinitel tření [-]
0 - 0,15
1,69 - 1,5
- 11 %
1963 - 1841
-6%
2,67 - 2,5
23/29
Výsledky výpočtového modelování
Zdravý kloub dospívajícího člověka s kulovou hlavicí femuru
Patologický kloub dospívajícího člověka, postižený Legg-CalvéPerthesovou chorobou se značně deformovanou hlavicí femuru
Varianta B1
Varianta B2
RTG snímek kyčelních kloubů konkrétního pacienta (KDR a KDCHOT FN Brno) 24/29
Výsledky výpočtového modelování
Stykový tlak na hlavici femuru zdravého a patologického kyčelního kloubu
Radiální napětí ve zdravém a patologickém kyčelním kloubu
25/29
Výsledky výpočtového modelování
Styková výslednice v souřadnicovém systému
26/29
Hlavní body práce •vytvoření několika variant prostorových výpočtových modelů zdravého kyčelního kloubu dospělého člověka • vytvoření prostorových výpočtových modelů obou kyčelních kloubů dospívajícího člověka, zdravého a patologického, postiženého Perthesovou chorobou •Modelování patologických stavů coxa vara a coxa valga •provedení deformačně – napjatostních analýz a zjištění mechanických veličiny u modelovaných případů •realizace spolupráce s KDCHOT FN Brno •podrobně zmapování problematiky jak z hlediska biomechanického tak medicínského •získání řady poznatků z oboru zpracování CT dat •získání obecně platných poznatků na testovacích kontaktních úlohách •vytvoření souboru pravidel pro výměnu dat mezi modelářem a výpočtovým systémem na základě vlastních zkušeností
27/29
Závěr •U všech variant zdravého kloubu je oblast nejvyšších hodnot stykového tlaku v horní části stykových ploch (Hodnota maximálního tlaku přibližně 1,7 MPa) •Výsledné síly působící na hlavici femuru a v kyčelních abduktorech vykazují malý rozdíl oproti analytickému řešení pro variantu se pouze s kyčelními abduktory (Použitý model svalů zásadně ovlivňuje výsledky) •U varianty s devíti svaly dosahují posuvy v distálním konci femuru a stykové výslednice vyšších hodnot •Výsledky vykazují nepodstatný rozdíl, modelujeme-li jednu nebo dvě chrupavky •Rostoucí úhel krčku femuru zásadně zvyšuje hodnoty stykové síly (nárůst o 47%) a stykového tlaku, napětí v krčku se snižuje, mění se charakter namáhání, valgózní postavení není výhodné – přetěžování chrupavek •Citlivostní analýzy ukázaly, že největší vliv na kontaktní veličiny mají vlastnosti spongiózy a chrupavky •Podobný charakter namáhání je u zdravého kloubu dospívajícího člověka, krček je namáhán na ohyb s výrazným podílem tlaku •U kloubu postiženého Perthesovou chorobou se zdeformovanou hlavicí femuru je maximum stykového tlaku v místě, kde okraj acetabula tlačí na hlavici a dosahuje hodnoty 7x větší než u zdravého kloubu •Dále je třeba vytvořit modely dalších patologií kyčle a simulovat na nich chirurgické zákroky (osteotomie)
28/29
Děkuji za pozornost
29/29
