Symulacja numeryczna procesów adaptacyjnych występujących w kości piszczelowej pod wpływem zmian obciążenia

Abstract

Opis i analiza zjawiska przebudowy tkanki kostnej, są niezbędne w przypadku potrzeby stałej kontroli gęstości tkanki kostnej czy modułu sprężystości, jak to ma miejsce np. po implantacji czy okresie długiej bezwładności. Głównym celem tej pracy jest opracowanie realistycznego modelu kości piszczelowej oraz symulacji adaptacji funkcjonalnej kości piszczelowej. Osiągnięto to poprzez odtworzenie i rozbudowę doświadczenia Cartera. Pracę wykonano z użyciem metody elementów skończonych w programie Ansys. Stworzona procedura daje realną możliwość kontroli gęstości tkanki kostnej i modułu sprężystości w całym okresie leczenia. Otrzymane wyniki wskazują na korelację między stanem obciążenia i rozkładem właściwości mechanicznych. Porównując uzyskane rezultaty z fizjologicznym rozkładem gęstości w tkance kostnej, widoczne jest wyraźne podobieństwo, co świadczy o dobrej jakości wyników.
Autor: Agnieszka KAWA

1. WPROWADZENIE

Jednym z ważniejszych problemów współczesnej ortopedii stawu kolanowego są zaobserwowane zaburzenia procesu wzrostu tkanki kostnej np. wokół implantu. Na podstawie badań klinicznych, stwierdzono spadek gęstości kości w rejonie implantacji [1], co powoduje rozrzedzenie struktury beleczek kostnych, a w rezultacie obluzowanie implantu, co może powodować silne bóle. Jest to wynikiem adaptacji tkanki kostnej do nowo zaistniałych warunków obciążenia mechanicznego. Aby możliwe było zapobieganie takim przypadkom, konieczne jest badanie procesu przebudowy. Ponieważ prowadzenie takich doświadczeń na żywym obiekcie byłoby niezmiernie trudne, można przeprowadzić symulację adaptacji tkanki kostnej na drodze symulacji numerycznej. Obecnie można wyróżnić cztery różne podejścia do opisu zjawiska procesu remodellingu. Różnią się one opisem parametru odpowiedzialnego za przyrost i ubytek tkanki kostnej. Podział ze względu na parametr sterujący procesem adaptacji funkcjonalnej jest następujący:
1) różnica odkształceń głównych na powierzchni swobodnej tkanki kostnej
2) bodziec mechaniczny, związany najczęściej z gęstością energii odkształcenia kości 3) wielkość i rozmiar mikropęknięć kości
4) sygnał sieci „sensorów” zmiany odkształcenia kości

Przyjmując, iż parametrem sterującym procesem remodellingu kości, jest bodziec mechaniczny, na szczególną uwagę zasługuje praca Cartera. Opracował on symulację przebiegu remodellingu dla kości udowej. Jednakże dodać należy, iż praca Cartera jako jedyna została oparta o badania doświadczalne. Przeprowadził on, bowiem badania dla kości udowej indyka. Otrzymane w ten sposób wyniki korespondowały z rezultatem uzyskanym w wyniku działania symulacji. Jednakże otrzymane przez Cartera rozkłady zostały określone tylko dla kości udowej. W literaturze można również znaleźć wyniki dla kręgów lędźwiowych, natomiast brak w niej jakiejkolwiek wzmianki na temat opisu procesu adaptacji tkanki kostnej w kości piszczelowej.

Celem tej pracy jest stworzenie symulacji przebudowy kości piszczelowej. Zakres obejmuje stworzenie dwuwymiarowego modelu kości piszczelowej; opracowanie procedury symulacyjnej w języku APDL oraz analizę zmian gęstości i modułu sprężystości tkanki kostnej dla piszczeli.