Σχεδιασμός και ανάλυση τεχνητής άρθρωσης γόνατου με χρήση πεπερασμένων στοιχείων

Abstract

Η άρθρωση του γόνατος αποτελεί μία από τις μεγαλύτερες και πολυπλοκότερες αρθρώσεις του ανθρωπίνου σώματος και είναι αυτή που δέχεται τις μεγαλύτερες πιέσεις κατά τη διάρκεια των καθημερινών δραστηριοτήτων. Σε κάποιες περιπτώσεις ανθρώπων, όταν η αρθρίτιδα έχει φτάσει σε προχωρημένο επίπεδο, κρίνεται απαραίτητη η αντικατάσταση της άρθρωσης του γόνατος, δηλαδή η εκτέλεση της διαδικασίας της αρθροπλαστικής γόνατος. Άλλοτε γίνονται ολικές και άλλοτε μερικές αρθροπλαστικές γόνατος, ανάλογα πάντα με την κατάσταση της άρθρωσης του ασθενούς. Σκοπός της παρούσας εργασίας, είναι να σχεδιαστεί μια τεχνητή άρθρωση γόνατος, του δεξιού ανθρώπινου άκρου, η οποία θα μπορεί να προσομοιώνει τη φυσική κίνηση κάμψης του γόνατος και να μελετηθεί μέσω της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων η αντοχή της σε διάφορες περιπτώσεις φόρτισης. Αρχικά, αναπτύχθηκε η τρισδιάστατη ψηφιοποιημένη αναπαράσταση όλων των οστών, που συνθέτουν την άρθρωση του γόνατος, μέσω μιας συσκευής τρισδιάστατης σάρωσης (3D Laser Scanner) και τη χρήση κατάλληλου λογισμικού. Σε αυτήν την εργασία επιλέχτηκε η σχεδίαση ενός εμφυτεύματος ολικής αρθροπλαστικής γόνατος, το οποίο αποτελείται από τρία τμήματα, δύο μεταλλικά προθέματα και το επίθεμα του πολυαιθυλενίου (UHMWPE). Τα τμήματα που συνθέτουν το εμφύτευμα του γόνατος, σχεδιάστηκαν με βάση τις τομές που εκτελέστηκαν κατά προσέγγιση επί του μηριαίου οστού και της κνήμης. Τα σχέδια καθώς και οι τομές των οστών εκτελέστηκαν σε κατάλληλο σχεδιαστικό πρόγραμμα CAD. Στη συνέχεια, ακολούθησε το στάδιο της μοντελοποίησης με πεπερασμένα στοιχεία. Η μοντελοποίηση του δεξιού άκρου με το εμφύτευμα ολικής αρθροπλαστικής γόνατος πραγματοποιήθηκε με το λογισμικό ANSA. Επίσης, για την καλύτερη προσέγγιση, ως προς τη δομή ενός φυσικού γόνατος, σχεδιάστηκαν οι πλάγιοι σύνδεσμοι, ο επιγονατιδικός σύνδεσμος καθώς επίσης και το σκληρό μέρος των οστών. Έπειτα, αποδόθηκαν οι ιδιότητες των υλικών και οι οριακές συνθήκες στο μοντέλο. Οι περιπτώσεις που εξετάστηκαν αφορούν την κάμψη του ενός μόνο γονάτου για τέσσερα διαφορετικά βάρη ανθρώπου στα 60kg, 70kg, 80kg και 90kg και για ένα εύρος μοιρών κάμψης από 0ο–120ο, με βήμα 10ο. Η επίλυση του στατικού γραμμικού προβλήματος έγινε στο υπολογιστικό πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων Epilysis. Η μετέπειτα ανάλυση των αποτελεσμάτων των τάσεων και μετατοπίσεων πραγματοποιήθηκε στο λογισμικό πακέτο μETA.