FSI VUT v Brně Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky Biomechanická studie patologicky vyvinutého kyčelního spojení z hlediska následných chirurgických operací Doktorand: Ing. Michal Vaverka Školitel: Ing. Zdeněk Florian, CSc. 23. seminář 16.června.2006 1/29
Osnova Klinické řešení patologií kyčelního kloubu Formulace problému a cíle jeho řešení Současný stav řešené problematiky Výpočtové modelování Prezentace a analýza výsledků Závěr 2/29
Onemocnění kyčelního kloubu Onemocnění kyčelního kloubu jsou spojena s nepříznivými (patologickými) silovými poměry v kloubu Vývojová dysplazie kyčelního kloubu Legg Calvé Perthesova choroba Coxa vara adolescentinum Coxa vara congenita Poškození kyčle v důsledku dětské mozkové obrny Artróza kyčelního kloubu Revmatoidní artritida Residuální dysplasie Nádorová onemocnění Poškození kyčelního kloubu úrazem Př: postupná deformace hlavice stehenní kosti u M. Perthes RTG snímek dysplastické kyčle před a po provedení trojité osteotomie pánve 3/29
Klinické řešení problémů kyčelního kloubu Př.: Schéma Salterovy osteotomie pánve Př.: Varizační osteotomie femuru Chirurgické zákroky vedou na upravení biomechanických parametrů provedením úprav vzájemné polohy částí kloubu nebo modifikací či rekonstrukcí jejich geometrie. Chirurgický zákrok je motivován zlepšením funkčních poměrů vkyčelním spojení blížících se fyziologickému stavu Nejsou k dispozici výsledky biomechanických analýz o mechanických veličinách odpovídajících různým patologickým stavům v kloubu, které by mohly být využity v klinické praxi 4/29
Cíl práce Cílem práce je zjistit deformačně napjatostní parametry vkyčelním kloubu ve fyziologickém stavu (zdravý kloub) a ve vybraných patologických stavech kyčelního kloubu. Úkolem je vytvořit prostorové výpočtové modely fyziologického a patologického kyčelního kloubu dospělého a dospívajícího člověka, na nich provést deformačně napjatostní analýzu a formulovat závěry pro klinickou praxi. Analýzy jsou prováděny v systému ANSYS metodou konečných prvků MKP Problematika je řešena ve spolupráci s lékaři v KDCHOT FN Brno 5/29
Současný stav řešené problematiky poznatky z fotoelasticimetrie experimentálně zjištěné stykové výslednice pomocí implantovaných totálních náhrad vybavených snímači - telemetrie aproximace stykového tlaku na rovinné úloze z RTG snímku nebo pomocí filmů citlivých na tlak řešení problémů kyčelních kloubů převážně z implantovanými totálními nebo povrchovými náhradami (ÚMTMB FSI) Bergmann, G., Deuretzbacher, G., Heller, M. et al.: Hip contact forces and gait patterns from routine activities. Journal of Biomechanics, 2001 Brand, R. A., Iglič, A., Kralj-Iglič, V.: Contact stresses in the human hip: Implications for disease and treatment. Hip International, 2001 6/29
Výpočtové modelování modely geometrie a síť KP Tvorba geometrického modelu kyčelního kloubu dospělého člověka Reálné kosti nasnímání pomocí CT CT řezy Konečnoprvkový model v systému Geometrický model 7/29
Výpočtové modelování modely geometrie, výměna dat Tvorba geometrického modelu kyčelního kloubu dospívajícího člověka Konverze dat ze standardu DICOM Segmentace tkání CT data: KDR a KDCHOT FN Brno CT řezy Byl vytvořen soubor pravidel pro výměnu dat mezi modelářem a výpočtovým systémem na základě vlastních zkušeností Modely geometrie v plošném modeláři 8/29
Výpočtové modelování model materiálů Modul pružnosti [MPa] Poissonovo číslo [-] Kompaktní kost pánve a femuru 14 000 0,3 Spongiózní kost pánve a femuru 3 000 0,3 Subchondrální kost 1 400 0,3 60 0,3 210 000 0,3 Tkáň Chrupavka Svaly 9/29
Výpočtové modelování model vazeb a zatížení Zatížení dolní končetiny Model vazeb Silová a momentová výslednice zatížení 10/29
Výpočtové modelování model svalů Název svalu Číslo na obr. M. glutaeus medius 1 M. glutaeus minimus 2 M. glutaeus maximus 3 M. piriformis 4 M. pectineus 5 M. quadratus femoris 6 M. adductor brevis 7 M. adductor longus 8 M. adduktor magnus 9 modelovány jsou svaly podstatné pro stoj a chůzi MKP model s devíti svaly MKP model se svaly skupiny M. glutaeus lanové prvky spojují počátky a úpony svalů rozmístění prvků vystihuje tvar svalu velmi vysoká tuhost odpovídá isometrické kontrakci 11/29
Výpočtové modelování testovací kontaktní úlohy Byl zkoumán zejména vliv těchto faktorů na přesnost výsledků: rovinná nebo prostorová úloha typ kontaktních prvků typ objemových prvků symetrický nebo nesymetrický kontakt uvažování velkých deformací, tření, plasticity velikost kontaktní tuhosti (FKN) a dalších parametrů jemnost sítě a vzájemná poloha protějších uzlů na stykových plochách Př.: Rozložení stykového tlaku pro případ styku koule a roviny Maximum stykového tlaku v závislosti na kontaktní tuhosti pro případ koule-rovina Vaverka, M., Vrbka, M.: Řešení kontaktních úloh pomocí MKP a jejich aplikace v biomechanice. Aplikovaná mechanika 2002, VŠB TU, Ostrava, 2002 12/29
Přehled řešených variant Ozn. Popis výpočtového modelu A1 A2 A3 1 chrupavka pevně spojená s acetabulem Výpočtový model fyziologického kyčelního kloubu dospělého člověka 2 chrupavky, na hlavici femuru i v acetabulu A4 B1 Výpočtový model kyčelního kloubu dospívajícího člověka B2 Model chrupavky v kloubní dutině Varianta A1 a A2 kulový tvar hlavice, zdravý kloub deformovaná hlavice, M. Perthes Kontaktní plochy Kontakt mezi hlavicí femuru a chrupavkou Kontakt mezi chrupavkou na hlavicí femuru a chrupavkou v acetabulu 2 chrupavky, na hlavici femuru i v acetabulu Kontakt mezi chrupavkou na hlavicí femuru a chrupavkou v acetabulu Varianty A1 a A3 Svaly v modelu 9 vybraných svalů 3 svaly skupiny M. glutaeus 9 vybraných svalů 3 svaly skupiny M. glutaeus Ozn. Popis výpočtového modelu C1 Model fyziologického i patologického kloubu dospělého člověka - citlivostní analýza vlivu kolodiafyzárního úhlu (deformity coxa vara, coxa valga) C3 C4 3 svaly skupiny M. glutaeus modulu pružnosti kompakty C2 C5 C6 Výpočtový model fyziologického kyčelního kloubu dospělého člověka citlivostní analýza vlivu modulu pružnosti spongiózy modulu pružnosti chrupavek Poissonova čísla chrupavek součinitele tření Výpočtové modely v analýzách C1 až C6 mají 2 chrupavky a svaly skupiny M.glutaeus 13/29
Výsledky výpočtového modelování Zdravý kloub dospělého člověka varianta A4 Stykový tlak v jamce (acetabulum) Stykový tlak na hlavici femuru 14/29
Výsledky výpočtového modelování Radiální napětí v celém kyčelním spojení a v acetabulu Celkové posuvy řešené soustavy Napětí ve směru osy krčku femuru 15/29
Výsledky výpočtového modelování citlivostní analýzy Vliv kolodiafyzárního úhlu na napětí v krčku, na stykový tlak v kloubu a na stykovou výslednici Styková výslednice v souřadnicovém systému Kolodiafyzární úhel 16/29
Výsledky výpočtového modelování citlivostní analýzy Coxa vara, coxa valga Vliv kolodiafyzárního úhlu na napětí v krčku, na stykový tlak a velikost stykové výslednice 17/29
Výsledky výpočtového modelování citlivostní analýzy Vliv modulu pružnosti kompaktní kosti na velikost a rozložení stykového tlaku a na poměr velikostí stykové a tíhové síly 1,76 1,74 1,72 2,8 Poměr stykové a tíhové síly [-] Maximální hodnota stykového tlaku [MPa ] C2 1,7 1,68 1,66 1,64 1,62 6000 10000 14000 18000 Modul pružnosti kompakní kosti [MPa] 22000 2,76 2,72 2,68 2,64 2,6 2,56 6000 10000 14000 18000 Modul pružnosti kompaktní kosti [MPa] 22000 C2 18/29
Výsledky výpočtového modelování citlivostní analýzy Vliv modulu pružnosti spongiózy na velikost a rozložení stykového tlaku a na poměr velikostí stykové a tíhové síly 3 2,5 2,8 Poměr stykové a tíhové síly [-] Maximální hodnota stykového tlaku [MPa] C3 2 1,5 1 0,5 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Modul pružnosti spongiózní kosti [MPa] 14000 2,75 2,7 2,65 2,6 2,55 0 2000 4000 6000 8000 10000 Modul pružnosti spongiózní kosti [MPa] 12000 14000 C3 19/29
Výsledky výpočtového modelování citlivostní analýzy Vliv modulu pružnosti chrupavky na velikost a rozložení stykového tlaku a na poměr velikostí stykové a tíhové síly 1,75 1,7 1,65 2,69 1,6 1,55 1,5 1,45 1,4 0 10 20 30 40 50 Modul pružnosti chrupavek [MPa] 60 70 Poměr stykové a tíhové síly [-] Maximální hodnota stykového tlaku [MPa] C4 2,68 2,67 2,66 2,65 2,64 2,63 0 10 20 30 40 50 Modul pružnosti chrupavek [MPa] 60 70 C4 20/29
Výsledky výpočtového modelování citlivostní analýzy Vliv Poissonova čísla chrupavek na velikost a rozložení stykového tlaku a na poměr velikostí stykové a tíhové síly 2,6 2,8 2,1 Poměr stykové a tíhové síly [-] Maximální hodnota stykového tlaku [MPa] C5 1,6 1,1 0,6 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 Poissonovo číslo chrupavek [-] 0,45 0,5 2,75 2,7 2,65 2,6 2,55 2,5 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 Poissonovo číslo chrupavek [-] 0,45 0,5 C5 21/29
Výsledky výpočtového modelování citlivostní analýzy Vliv součinitele tření mezi chrupavkami na velikost a rozložení stykového tlaku a na poměr velikostí stykové a tíhové síly 1,75 1,7 2,68 Poměr stykové a tíhové síly [-] Maximální hodnota stykového tlaku [MPa] C6 1,65 1,6 1,55 1,5 1,45 0 0,015 0,03 0,045 0,06 0,075 0,09 0,105 0,12 0,135 0,15 Součinitel tření mezi chrupavkami [-] 2,66 2,64 2,62 2,6 2,58 2,56 2,54 2,52 2,5 2,48 0 0,015 0,03 0,045 0,06 0,075 0,09 0,105 0,12 0,135 0,15 Součinitel tření mezi chrupavkami [-] C6 22/29
Výsledky výpočtového modelování citlivostní analýzy Označení citlivostní analýzy Veličina C1 Rozsah vstupních hodnot Maximální hodnota stykového tlaku [MPa] Interval Změna v % CCD úhel [ ] 95-150 C2 modul pružnosti kompakty [MPa] C3 Velikost výsledné stykové síly [N] Poměr velikostí stykové a tíhové síly [-] Interval Změna v % Interval 1,41 2,06 + 46 % 1632-2401 + 47 % 2,22-3,26 7000 22000 1,74 1,64-17 % 2030-1905 -6% 2,76-2,58 modul pružnosti spongiózy [MPa] 100-14000 2,82-1,7-39 % 2044-1905 - 6,8 % 2,78-2,58 C4 modul pružnosti chrupavek [MPa] 5-70 1,45-1,7 + 17 % 1973-1943 - 1,5 % 2,68-2,64 C5 Poissonovo číslo chrupavek [-] 0,15-0,48 1,62-2 + 23 % 1942-1942 0% 2,64-2,64 C6 součinitel tření [-] 0-0,15 1,69-1,5-11 % 1963-1841 -6% 2,67-2,5 23/29
Výsledky výpočtového modelování Zdravý kloub dospívajícího člověka s kulovou hlavicí femuru Patologický kloub dospívajícího člověka, postižený Legg-CalvéPerthesovou chorobou se značně deformovanou hlavicí femuru Varianta B1 Varianta B2 RTG snímek kyčelních kloubů konkrétního pacienta (KDR a KDCHOT FN Brno) 24/29
Výsledky výpočtového modelování Stykový tlak na hlavici femuru zdravého a patologického kyčelního kloubu Radiální napětí ve zdravém a patologickém kyčelním kloubu 25/29
Výsledky výpočtového modelování Styková výslednice v souřadnicovém systému 26/29
Hlavní body práce vytvoření několika variant prostorových výpočtových modelů zdravého kyčelního kloubu dospělého člověka vytvoření prostorových výpočtových modelů obou kyčelních kloubů dospívajícího člověka, zdravého a patologického, postiženého Perthesovou chorobou Modelování patologických stavů coxa vara a coxa valga provedení deformačně napjatostních analýz a zjištění mechanických veličiny u modelovaných případů realizace spolupráce s KDCHOT FN Brno podrobně zmapování problematiky jak z hlediska biomechanického tak medicínského získání řady poznatků z oboru zpracování CT dat získání obecně platných poznatků na testovacích kontaktních úlohách vytvoření souboru pravidel pro výměnu dat mezi modelářem a výpočtovým systémem na základě vlastních zkušeností 27/29
Závěr U všech variant zdravého kloubu je oblast nejvyšších hodnot stykového tlaku v horní části stykových ploch (Hodnota maximálního tlaku přibližně 1,7 MPa) Výsledné síly působící na hlavici femuru a v kyčelních abduktorech vykazují malý rozdíl oproti analytickému řešení pro variantu se pouze s kyčelními abduktory (Použitý model svalů zásadně ovlivňuje výsledky) U varianty s devíti svaly dosahují posuvy v distálním konci femuru a stykové výslednice vyšších hodnot Výsledky vykazují nepodstatný rozdíl, modelujeme-li jednu nebo dvě chrupavky Rostoucí úhel krčku femuru zásadně zvyšuje hodnoty stykové síly (nárůst o 47%) a stykového tlaku, napětí v krčku se snižuje, mění se charakter namáhání, valgózní postavení není výhodné přetěžování chrupavek Citlivostní analýzy ukázaly, že největší vliv na kontaktní veličiny mají vlastnosti spongiózy a chrupavky Podobný charakter namáhání je u zdravého kloubu dospívajícího člověka, krček je namáhán na ohyb s výrazným podílem tlaku U kloubu postiženého Perthesovou chorobou se zdeformovanou hlavicí femuru je maximum stykového tlaku v místě, kde okraj acetabula tlačí na hlavici a dosahuje hodnoty 7x větší než u zdravého kloubu Dále je třeba vytvořit modely dalších patologií kyčle a simulovat na nich chirurgické zákroky (osteotomie) 28/29
Děkuji za pozornost 29/29