Deformačně napěťová analýza fyziologicky a patologicky vyvinutého kyčelního spojení

Strain-stress analysis of physiologically and pathologically developed hip joint

dissertation

Czech

Biomechanika člověka se zabývá řešením celé řady problémů souvisejících s lidským tělem. Při řešení biomechanických problémů jsou využívány vědomosti a poznatky z oboru inženýrské mechaniky. Biomechanických problémů je velké množství. Do skupiny nejstarších, často řešených a v současné době stále aktuálních problémů patří problémy související s funkčností kyčelního kloubu. V klinické praxi se setkáváme s různými onemocněními kyčelního kloubu. Počínaje dětstvím (např. vývojová dislokace kyčelního kloubu, Legg-Calvé-Perthesova choroba nebo coxa vara dospívajících), dále ve věku produktivním a zejména ve věku seniorském (např. koxartróza). Většina onemocnění je provázena deformitou kyčelního spojení, což vede ke snížení funkčnosti kloubu, které se projevuje špatným přenosem zatížení mezi hlavicí stehenní kosti a jamkou kloubu, omezením pohyblivosti a bolestí. S rozvojem onemocnění kloubu dochází k degenerativním změnám spojených s narůstající bolestí, takže v určitém okamžiku může dojít k úplné ztrátě funkčnosti kyčelního spojení. Pokud je konzervativní léčba málo efektivní, je třeba uvažovat o chirurgickém zákroku. Z mechanického hlediska můžeme chirurgické zákroky na nejjednodušší úrovni rozdělit na implantace náhrad a na zákroky, které upravují tvar a orientaci jednotlivých komponent kyčelního kloubu (např. osteotomie, repozice, plastika stříšky). Použití daného chirurgického postupu je závislé na míře poškození kyčelního kloubu a také na jiných okolnostech např. na věku pacienta a zejména na jeho celkovém zdravotním stavu. Rovněž lékařská pracoviště se mohou odlišovat způsobem léčby stejného typu onemocnění, záleží vždy na zkušenostech a orientaci konkrétního pracoviště. Cílem operativního řešení (chirurgického zákroku) je zlepšit nepříznivé tvarové a silové poměry mezi jednotlivými prvky patologického kyčelní kloubu tak, aby se co nejvíce přiblížily poměrům ve zdravém kyčelním kloubu. V biomechanice a ortopedii hovoříme o zlepšení biomechanických poměrů v kloubu. V současné době je v biomechanice člověka stále více využívána metoda konečných prvků, která zpočátku sloužila k řešení inženýrských problémů. Je to jedna z metod výpočtového modelování. Pomocí výpočtového modelování můžeme provádět mechanickou analýzu kyčelního spojení pro různé stavy: zdravý (fyziologický) kloub, patologický kloub např. s nějakým typem dysplazie, kloub po provedení osteotomie nebo kloub po aplikaci náhrady. Chirurgické zákroky na patologických kloubech jsou velice složité zejména díky obtížné prostorové orientaci na kyčelním spojení a podstatné změně biomechanických poměrů. Právě mechanická analýza kyčelního spojení před a po operaci může být jedním z významných ukazatelů úspěšnosti operace a zdrojem poznatků pro další zákroky podobného charakteru. Předkládaná práce se zabývá problematikou fyziologického a patologického kyčelního spojení. Jsou vytvořeny výpočtové modely a na těchto modelech jsou provedeny deformačně napěťové a citlivostní analýzy s využitím metody konečných prvků.

At present the hip joints belong to the most frequently solved segments of the human body. This PhD thesis deals with biomechanical problems of physiologically and pathologically developed hip joints of adult human. Numerous disorders of the hip joint are characterized by various deformities of the femoral head and acetabulum (dysplastic hip joint), which are a frequent cause of unfavourable mechanical conditions and decrease of moveability in the joint accompanied by pain. A lot of deformities of the hip joint can be treated with a suitable surgical interventions based on the improvement of improper mechanical conditions in the hip joint that result from modification and reconstruction of its geometry. For modelling of particular types of the surgical interventions on pathological hip joints (e.g. hip osteotomies, plastic surgeries of the roof of the acetabulum), it is necessary to analyse the behaviour of physiological and pathological (dysplastic) hip joint. These problems have currently been a common subject of investigations carried out by the Institute of Mechanics of Solids, FME BUT and First Orthopaedic Department, St. Annes University Hospital in Brno. The aim of the PhD thesis was to create and to analyse the computational models of the physiological and pathological hip joint using computational modelling based on the finite element method (FEM) and ANSYS software system, and finally to compare the results from computational modelling with the results obtained from clinical practice. This will serve as a basis for further research in this particular area and specifically for clinical practice.

biomechanics, hip joint, pelvis, femur, dysplasia, finite element method, strain-stress analysis, contact pressure

VRBKA, M.

5. 5. 2004

VUT Brno

Brno

80-214-2694-2

Deformačně napěťová analýza fyziologicky a patologicky vyvinutého kyčelního spojení

PhD Thesis, sv. 255

1213-4198

Vědecké spisy Vysokého učení technického v Brně Edice PhD Thesis

Czech Republic

1

31

31