Summer Workshop of Applied Mechanics June 2002 Department of Mechanics Faculty of Mechanical Engineering Czech Technical University in Prague Vliv mechanického zatížení na vznik a vývoj osteoartrózy kyčelního kloubu Ing. Zdenek Horák 1, Doc. Ing. Miroslav Sochor, CSc. 1, MUDr. Ing. Lubomír Poušek, MBA 2 1 Laboratoř Biomechaniky Člověka České vysoké učení technické v Praze Strojní fakulta Technická 4 166 07 Praha 6 2 Centrum Biomedicínckého Inženýrství České vysoké učení technické v Praze Zikova 4 166 35 Praha 6 e-mail: horakz@biomed.fsid.cvut.cz Klíčová slova: kyčelný kloub, MKP, osteoartróza 1 Abstrakt Osteoartróza (OA) kyčelního kloubu je onemocnění, které je způsobeno řadou chemických, mechanických a genetických příčin. Jednou z velmi významných příčin je nadměrné mechanické namáhání kloubní chrupavky. Domníváme se, že geometricky tvar a hlavně způsob zatížení způsobuje rozdílné rozložení napětí a velikost kontaktních tlaků v kyčelním kloubu. Tato práce je zaměřena na zjištění rozložení kontaktního napětí a tlaků v kyčelním kloubu. Dále má zhodnotit vliv změny způsobu a velikosti zatížení na tlak a rozložení napětí v kyčelním kloubu. 62
2 Úvod Vliv mechanického zatížení na vznik a vývoj osteoartrózy kyčelního kloubu Osteoartróza (OA) je závažné onemocnění, které postihuje hlavně starší populaci. Závažné poškození zdraví způsobené OA představuje nejen zdravotní ale i významný sociální a ekonomický problém. Preventivní přístup k onemocnění OA by přispěl k včasné diagnóze a následné léčbě tohoto onemocnění. Ukazuje se, že jedním z významných faktorů ovlivňujících vznik a vývin OA v kyčelním kloubu je velikost a hlavně způsob jeho zatížení. Způsob namáhání kyčelního kloubu, je v průběhu chůze cyklický. Tento způsob je pro kloubní chrupavku výhodný nejen z mechanického hlediska, ale i z hlediska jejího vyživování. Kloubní chrupavka je vyživována synoviální tekutinou kterou do sebe nasává při odlehčení a při zatížení vypuzuje. Narušením tohoto fyziologického stavu změnou způsobu zatížení, (tj. dochází k trvalému stlačení chrupavky) dochází k lokálnímu mechanickému přetížení kloubní chrupavky a k jejímu primárnímu poškození. V této oblasti totiž neprobíhá fyziologické vyživování tkáně chrupavky a v důsledku toho, je tato tkáň nevratně poškozena. Primární degenerativní oblast (PDO) se objevuje u každého pacienta v jiné oblasti hlavice femuru a to v závislosti na způsobu jeho lokomoce. Nejčastěji (60%) se však objevuje na vrcholu hlavice femuru. V místě PDO dochází vlivem mechanického zatížení ke zvýšené koncentraci napětí a deformací kloubní chrupavky, která se tak opět přetěžuje a dochází k její sekundární degeneraci a zvětšení degenerativní oblasti. Lidský organismus se snaží tento nepříznivý stav korigovat změnou své lokomoce, ovšem tím dochází k další nepříznivé koncentraci mechanického zatížení do stále menší oblasti chrupavkové tkáně která je tím přetěžována. Tento stále se rozvíjející cyklus: přetížení - změna lokomoce - přetížení (PZP) je jedním z hlavních faktorů ovlivňujících vznik a vývoj osteoartrózy kyčelního kloubu. Tato práce je proto zaměřena na provedení napěťově deformační analýzy kyčelního kloubu a posouzení vlivu změny způsobu zatížení kloubu v průběhu chůze. Dále na stanovení významných faktorů ovlivňujících vznik a vývoj cyklu PZP popsaného výše. 3 Metoda K provedení napěťově deformační analýzy 3D modelu kyčelního kloubu byla použita metoda konečných prvků (MKP). Tato kontaktní úloha byla řešena ve výpočtovém programu ABAQUS 6.2.1. Pomocí souboru CT snímků jsme vytvořily 3D geometrický model kyčelního kloubu (femur - pánev) viz. Figure 1. Celý tento model byl vysíťován 6 stěnnými elementy a to pomocí programu TrueGrid(r). Model byl řešen jako nelineární kontaktní úloha, kde kontakt byl definován mezi chrupavkou femuru a chrupavkou pánve. Svalové skupiny byly modelovány pomocí lineárních elastických elementů. Mechanické zatížení soustavy bylo definováno jako pomalá chůze, kdy femur byl zatížen silou od podložky a síly od svalových skupin 63
Obrázek 1: Geometrický model kyčelního kloubu Obrázek 2: MKP model femuru a chrupavky 64
Kost kortikální Kost spongiózní Kloubní chrupavka Svalové skupiny isotropní, homogenní a elastické E=17000 MPa, µ = 0.36 isotropní, homogenní a elastické E=1000 MPa, µ = 0.4 hyperelastické, homogenní a isotropní E=20 MPa, µ = 0.49 isotropní, homogenní a elastické E=1000 MPa, µ = 0.4 Tabulka 1: Materiálové vlastnosti tkání jako předpětí lineárních prvků. Femur byl modelován ze dvou materiálů, z kompaktní a spongiózní kostní tkáně. Oba materiály byly uvažovány jako isotropní, homogenní a elastické. Kompakta byla modelována jako vrstva pokrývající spongiózní tkáň, zvolna se rozšiřující na konci femuru. Chrupavka na hlavici femuru a v kyčelní jamce je složena ze tří vrstev homogenního, isotropního a hyperelastického materiálu. Kdy všechny vrstvy mají stejnou tloušťku, ale jiné moduly pružnosti E. Pánev byla modelována jako jedna kompaktní kostní tkáň. V místě trvalého přetížení kloubní chrupavky bylo vytvořeno trvalé poškození. Tyto degenerativní změny na chrupavce byly simulovány zvýšením modulu pružnosti E a následně byly elementy odebrány. Tím vzniklo místo s výrazně větší koncentrací napětí. Model mechanického zatížení byl vytvořen pomocí svalových skupin a reakce od podložky. To vše v závislosti na fázi kroku. Veškeré dynamické účinky byly zanedbány, protože byla volena pomalá chůze. Svalové skupiny byly modelovány pomocí lineárních elastických elementů a síly od svalových skupin jako předpětí těchto lineárních prvků. Velikost sil svalových skupin pro pomalou chůzi byla převzata z literatury. 4 Výsledky Z výsledků analýzy je patrné, že změnou zatížení, dochází k místnímu trvalému zatížení kloubní chrupavky. V tomto místě pak po následné umělé změně materiálových vlastností tkáně dochází k prudkém nárůstu a hlavně koncentraci napětí a deformací. Tento trend je rostoucí spolu s rostoucí oblastí poškozené tkáně. Dále je patrné, že následnou změnou směru zatížení modelu dochází opět k nárůstu a koncentraci napětí do lokálních oblastí v místech degenerativních změn. 65
Obrázek 3: Ekvivalentní tlakové napětí na femuru Obrázek 4: Ekvivalentní tlakové napětí na chrupavce 66
5 Závěr Z porovnání výsledků analýzy lze potvrdit hypotézu, že velikost a způsob mechanického zatížení má přímý vliv na výživu kloubní chrupavky. Právě narušení fyziologické výživy chrupavky je jeden z faktorů, který má přímý vliv na vznik a vývoj osteoartrózy kyčelního kloubu. Vzhledem k nedokonalému modelu materiálových vlastností tkání, nelze považovat výsledné absolutní hodnoty vypočtených napětí a deformací za naprosto korektní. Přesto se provedená analýza blíží reálnému stavu kyčelního kloubu. Zpřesnění materiálového modelu tkání je cílem budoucí práce, spolu s potvrzením hypotézy podle které by změnou lokomočních stereotypů pacienta bylo možné zpomalit vývoj osteoartrózy. 6 Acknowledgement The research is supported by the Ministry of Education project: Transdisciplinary research in Biomedical Engineering, No. MSM 210000012. 67