Biomechanická studie patologicky vyvinutého kyčelního spojení z hlediska následných chirurgických operací

Biomechanical Study of Pathological Hip Joint In terms of following Surgical Operations

dissertation

Czech

Tato disertační práce je zaměřena na řešení biomechanických problémů kyčelního kloubu. Princip řady chirurgických zákroků prováděných na patologických kyčelních kloubech spočívá v upravení nepříznivých anatomických a silových poměrů v kloubu provedením modifikace či rekonstrukce geometrie částí kloubu. Jedná se o náročné operace, jako jsou např. osteotomie. V této práci je nejprve popsána řešená problematika a to jak z hlediska medicínského, tak z hlediska současných poznatků biomechaniky. Aby bylo možné modelovat vybrané typy chirurgických zákroků a formulovat závěry pro klinickou praxi je třeba znát povahu zkoumaných mechanických veličin, tedy deformačně-napěťových parametrů, která odpovídá fyziologickému stavu a stavu před provedením chirurgického zákroku na patologickém kyčelním kloubu. Na základě dat z počítačové tomografie (CT), uložených ve vektorovém formátu IGES byl nejprve vytvořen výpočtový model fyziologického kyčelního kloubu dospělého člověka a byla na něm provedena deformačně-napěťová analýza metodou konečných prvků (MKP) v programovém systému ANSYS. Dále byly vytvořeny dva výpočtové modely obou kyčlí dospívajícího člověka. Jeden výpočtový model představuje zdravý kloub s kulovým tvarem hlavice stehenní kosti a druhý představuje patologický kyčelní kloub, postižený M. Perthes s deformovaným tvarem hlavice. Geometrie těchto dvou modelů kyčelního kloubu dospívajícího člověka byla vytvořena na základě rastrových dat z CT, uložených ve formátu DICOM. Nejprve byla provedena segmentace tkání v plošném modeláři RHINOCEROS pomocí uzavřených splajnů a ze vzniklé série řezů byl vytvořen prostorový geometrický model kyčelního spojení, opět v plošném modeláři RHINOCEROS. Takto vytvořený model byl importován do systému ANSYS, kde byla vytvořena síť konečných prvků. Protože výměna dat mezi dvěma systémy, jako je RHINOCEROS a ANSYS, je spojena s množstvím problémů, zabývá se tato práce i touto problematikou a popisuje základní zásady, které je vhodné dodržet při modelování, exportu dat a odstraňování vzniklých chyb. Na výpočtových modelech fyziologického a patologického kyčelního kloubu byla provedena deformačně - napěťová analýza v systému ANSYS. Při hodnocení výsledků byly především sledovány veličiny které nejlépe vystihují přenos zatížení mezi jednotlivými částmi kloubu, zejména v oblasti hlavice, jamky a kloubních chrupavek (velikost a orientace výsledné stykové síly, velikost a rozložení stykového tlaku na stykových plochách, napětí v prvcích řešené soustavy atd.). Na výpočtovém modelu kyčelního spojení dospělého člověka byla provedena citlivostní analýza vlivu velikosti kolodiafyzárního úhlu na velikost a rozložení stykového tlaku, na velikost a orientaci stykové výslednice a na velikost napětí v krčku femuru. Jedná se tedy o jednoduché varianty výpočtového modelu popisující deformity coxa vara a coxa valga. Protože materiálové charakteristiky publikované od různých autorů vykazují velký rozptyl hodnot, byly dále provedeny citlivostní analýzy vlivu některých materiálových charakteristik na velikost a rozložení stykového tlaku a na velikost výsledné stykové síly. Výsledky získané výpočtovým modelováním pak byly srovnány s poznatky klinické praxe. Výsledky a závěry práce mohou být základem pro další výzkum jak v klinické praxi tak v oblasti biomechaniky, např. pro výpočtové modelování dalších patologií kyčle.

This PhD thesis solves biomechanical problems of the hip joint. Many surgical operations on pathological hips are based on the improvement of improper anatomical and mechanical conditions in the joint, resulting from modification or reconstruction of its geometry In this thesis, problems of the hip joint are described both in terms of medicine and in terms of present knowledge in biomechanics. In order to study biomechanics of the pathological hip, the computational model of the physiological hip joint of adult human was first created. The geometry of this three-dimensional model was created using the data from computed tomography (CT), which were stored in an IGES format. Next, two computational models of both hips of young patient (16 years) were created. The first one corresponds to the physiological hip while the second one corresponds to the pathological hip, affected by Perthes disease with a deformed shape of the femoral head. The geometry of these two models was created using CT data, which were stored in DICOM Part of this PhD thesis is concerned with troubleshooting data exchange between the two systems, RHINOCEROS and ANSYS. The strain and stress analysis was performed on all computational models by means of finite element method (FEM) in ANSYS system. The quantities, which describe appropriately the interaction between individual components of the hip were analysed (magnitude and distribution of contact pressure on contact surfaces, magnitude and spatial orientation of resultant contact force, stress in individual components of the hip etc.). A sensitivity analysis of the influence of CCD angle (angle between axis of femoral body and axis of femoral neck) on the contact pressure, on the resultant contact force, and on the stress in femoral neck was performed on computational model of the hip of adult human. Variants of the model, which were used for this sensitivity analysis, represent deformities coxa vara and coxa valga. Material characteristics, published by various authors have substantial scatter of values. Therefore, the sensitivity analyses of the influence of several material characteristics on contact pressure and resultant contact force were performed. The results obtained were discussed and compared with the findings from clinical practice. Conclusions presented in this PhD thesis represent new findings for clinical practice and also forms a basis for further research in biomechanics of the hip e.g. for modelling of other types of pathological hip.

biomechanics, hip joint, femur, pelvis, computational modelling, finite element method, FEM, strain and stress analysis, contact pressure

VAVERKA, M.

21. 7. 2006

VUTIUM

80-214-3217-9

Ph.D. Thesis

380

1

31

31