نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی
نویسندگان
1 دانشجوی دکتری، گروه مکانیک، دانشکده‌ی مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران
2 استاد، گروه مکانیک، دانشکده‌ی مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران
3 استادیار، گروه مکانیک، دانشکده‌ی مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران
چکیده
در یک زانوی پرانتزی تعادل بار در دو طرف مفصل زانو به هم خورده و تنش وارده به قسمت داخلی مفصل بیش‌تر از مقدار آن در مقایسه با یک پای سالم است. این عارضه در بسیاری اوقات پیش‌رونده بوده و به تدریج منجر به ساییدگی و درد می‌شود. در این مطالعه مدل اجزای محدود برای دو نمونه‌ی مفصل زانوی سالم و زانوی پرانتزی در حالت ایستاده از روی تصاویر ام‌آر‌آی تولید شده و پس از بارگذاری و حل مساله، وضعیت توزیع تنش در منیسک‌ها و غضروف‌ها برای هر دو حالت به دست آمده است. نتایج به دست آمده، تفاوت در حداکثر تنش‌ها و تفاوت شکل نواحی توزیع تنش را نشان می‌دهد. هم‌چنین نتایج نشان می‌دهد که مقادیر حداکثر تنش فون‌مایسز و نیز فشار تماسی در ناحیه‌ی داخلی زانو برای زانوی پرانتزی مقادیر بسیار بالاتری در مقایسه با پای سالم دارد. در حالت ایستاده حداکثر فشار تماسی در ناحیه‌ی داخلی مفصل، تحت یک بار 400 نیوتنی که بر انتهای بالایی سر استخوان ران وارد شده، به ترتیب برابر با 527/4 و 821/7 مگاپاسکال برای زانوی سالم و پرانتزی به دست آمده است. حداکثر مقادیر تنش فون‌مایسز در ناحیه‌ی داخلی زانو به ترتیب برابر با 821/2 و 501/6 مگاپاسکال به دست آمده است. با توجه به نتایج و تفاوت در تنش‌ها، نیاز به جراحی برای متعادل کردن تنش‌ها و بارهای دو طرف زانو برای بیمار مبتلا به واروس زانو ضروری است. میزان تصحیح را می‌توان علاوه بر بررسی هندسه‌ی مفصل، با مطالعه‌ی تفاوت تنش‌ها در دو طرف مفصل به شیوه‌ی دقیق‌تری تعیین کرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Finite Element Analysis and Comparison of Stress Distribution in Cartilages and Meniscus of Two Healthy and Varus Knee Specimens
نویسندگان [English]
- Hadi Nickbakht 1
- Seyyed Yousef Ahmadi Brooghani 2
- Vahid Arbabi 3
1 Ph.D. Student, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, University of Birjand, Birjand, Iran
2 Professor, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, University of Birjand, Birjand, Iran
3 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, University of Birjand, Birjand, Iran
چکیده [English]
In a varus knee, the load balance on two sides of the knee joint is disturbed and the stress applied to the medial side of the joint will be greater than that of a healthy knee. Such a case is often progressive and gradually leads to wear and pain. In this study, the finite element model for two 3D samples of healthy knee joint and varus knee in standing position was generated from MRI images and after loading and solving the problem, the stress distribution status in menisci and cartilage is obtained for both modes. The obtained results show the difference in maximum stresses and the difference in the shape of stress distribution areas. The results also show that the maximum values of von Mises stress and also the contact pressure in the inner area of the knee for the varus knee are much higher values compared to a healthy knee. In the standing position, the maximum contact pressure in the inner area of the joint, under a 400 N load applied to the upper end of the femoral head, was obtained 4.527 and 7.821 MPa for a healthy knee and varus, respectively. For maximum values of von Mises stress, 2.821 and 6.501 MPa was obtained respectively. Due to the results and differences in stresses, the need for surgery to balance the stresses and loads on two sides of the knee is essential for a patient with varus knees. The amount of correction can be determined in addition to examining the joint geometry by examining the differences in stresses on both sides of the joint in a more accurate way.
کلیدواژه‌ها [English]
- Varus Knee
- Knee Joint
- Stress
- Finite Elements Model
- Meniscus
- Cartilage
- آر تی فلوید، «حرکت‌شناسی»، تهران: نشر ورزش، 1392، 53-57.
- ب. اعلمی هرندی، «درسنامه ارتوپدی و شکستگی»، تهران: دانشگاه علوم پزشکی و خدمات بهداشتی و درمانی تهران، 1382، 184-190
- Meislin, C. F. Peterson, E. W. Fulkerson, P. E. Di Cesare. “Osteotomy about the knee: applications, techniques, and results,” The journal of knee surgery, vol. 18, pp. 258-272, 2005.
- S. Halonen, M. E. Mononen, J. S. Jurvelin, J. Toyras, J. Salo and R. K. Korhonen, “Deformation of articular cartilage during static loading of a knee joint–Experimental and finite element analysis,” Journal of Biomechanics, vol. 47, pp. 2467–2474, 2014.
- Paley,“Principles of deformity correction,” New York: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2005.
- د. ا. هامبلن و س. آ. د. همیش، «اصول ارتوپدی آدامز،» تهران:کتاب ارجمند، 1391، 123-131.
- E. Peña, B. Calvo, M. A. Martinez, D. Palanca, M. Doblaré. “Finite element analysis of the effect of meniscal tears and meniscectomies on human knee biomechanics,” Clinical Biomechanics, vol. 20, pp. 498–507, 2005.
- Y. Bae, K. S. Park, J. K. Seon, D. S. Kwak, I. Jeon, E. K. Song. “Biomechanical analysis of the effects of medial meniscectomy on degenerative osteoarthritis,” Medical and Biological engineering and Computing, vol. 50(1), pp. 53-60, 2012.
- Dong, G. Hu, Y. Dong, Y. Hu, Q. Xu. “The effect of meniscal tears and resultant partial meniscectomies on the knee contact stresses: a finite element analysis,” Computer methods in biomechanics and biomedical engineering, vol. 17(13), pp. 1452-1463, 2014.
- L. H. Donahue, M. L. Hull, M. M. Rashid, C. R. Jacobs. “A Finite Element Model of the Human Knee Joint for the Study of Tibio-Femoral Contact,” Journal of Biomechanical Engineering, vol. 124, pp. 273-280, 2002.
- Thienkarochanakul, A. A. Javadi, M. Akrami, J. R. Charnley, A. Benattayallah, “Stress Distribution of the Tibiofemoral Joint in a Healthy Versus Osteoarthritis Knee Model Using Image‑Based Three‑Dimensional Finite Element Analysis,” Journal of Medical and Biological Engineering, vol. 40, pp. 409–418, 2020.
- Tarniţă, M. Catana, D. N. Tarnita, “Modeling and finite element analysis of the human knee joint affected by osteoarthritis,” Key Engineering Materials. vol. 601, pp. 147–150, 2014.
- Wang, Y. Fan, M. Zhang, “Comparison of stress on knee cartilage during kneeling and standing using finite element models,” Medical Engineering & Physics, vol. 36, pp. 439–447, 2014.
- Li, O. Lopez, H. Rubash, “Variability of a three-dimensional finite element model constructed using magnetic resonance images of a knee for joint contact stress analysis,” J Biomech Eng Trans ASME, vol. 123, pp. 341–346, 2001.
- Peña, B. Calvo, M. A. Martinez, M. Doblare, “A three-dimensional finite element analysis of the combined behavior of ligaments and menisci in the healthy human knee joint,” J Biomech, vol. 39, pp. 1686–1701, 2006.
)