استرس و خستگی در ایمپلنت های مدولار مورد استفاده در مفاصل ران

دستگاه‌های ارتوپدی مدولار که در مفاصل جایگزین رایج هستند، به جراحان اجازه می‌دهند تا اندازه، مواد و طراحی ایمپلنت را مستقیماً با نیازهای بیمار تنظیم کنند. با این حال، این انعطاف‌پذیری و سفارشی‌سازی با نیاز به قرار گرفتن صحیح اجزای ایمپلنت در کنار هم متعادل می‌شود. با قطعاتی که به طور ایده‌آل مطابقت ندارند، ریزحرکات و تنش‌های روی سطوح نامتناسب می‌تواند باعث خستگی و خوردگی شود. محققان شرکت Continuum Blue Ltd. تغییرات طراحی ایمپلنت فمور را برای تعیین کمیت و جلوگیری از این آسیب ارزیابی کرده اند.

شبیه سازی بارها در راه رفتن چرخه ای

چند قدم بردارید و ببینید که باسن شما چگونه می چرخد. متوجه خواهید شد که وزن بدن شما به طور مداوم بین سمت چپ و راست تغییر می کند، در حالی که پاهای شما خم می شوند، تاب می خورند، و سپس با هر قدم صاف می شوند. بنابراین، یک سیستم تعویض مفصل ران خوب باید بتواند آزادانه حرکات طبیعی بدن انسان – راه رفتن، دویدن، یا بالا و پایین رفتن از پله ها را مجاز کند. علاوه بر این، باید به اندازه کافی بادوام باشد تا بتواند بارهای دائماً در حال تغییر و گاهی اوقات بیش از حد را که در طول این حرکات بر روی آن وارد می شود، تحمل کند، در حالی که از مواد سبک وزنی تشکیل شده است که به خوبی با بدن منطبق می شوند و با بدن ارتباط برقرار می کنند.

ایمپلنت های مدولار اغلب شامل ساقه، سر، فنجان یا کل سیستم های مفصلی هستند. طیف وسیعی از مواد از فولاد و آلیاژهای تیتانیوم گرفته تا پلیمرها و سرامیک ها بسته به نیاز بیمار گزینه های زیادی را در اختیار جراح قرار می دهد. با این حال، انتخاب مواد و هندسی بر میزان سایش و پارگی که در طول زمان اتفاق می‌افتد تأثیر می‌گذارد، بنابراین ترکیبات خاصی از اجزا بهتر از سایرین هستند. با وجود عوامل مختلف بسیار زیاد، تعجب آور نیست که این مجموعه ها برای عملکرد صحیح و ماندگاری مادام العمر به تلرانس های سخت و ترکیب مواد مناسب نیاز دارند.

تحلیل سایش و خستگی Continuum Blue در ایمپلنت های مدولار.
کاشت مجازی تعویض مفصل ران در استخوان ران بیمار برداشته شده

مطالعه چگونگی رفتار ترکیبی مدولار از قطعات تحت بارها و تنش‌های دینامیکی، بخش مهمی از فرآیند طراحی و تصمیم‌گیری است. به منظور درک بهتر ترکیب‌های موجود و کمک به متخصصان پزشکی در تصمیم‌گیری، مهندسان Continuum Blue سه ترکیب از ایمپلنت‌های مدولار ساقه فمور و سر را مدل‌سازی کرده‌اند تا خستگی فرسایشی را بررسی کنند . سایش خستگی ناشی از حرکت لغزشی نسبی مکرر یک سطح روی سطح دیگر.

سر استخوان ران حاوی یک کانال زاویه دار برای گردن ساقه استخوان ران است که به نوبه خود باید به درستی باریک شود تا با کانال مطابقت داشته باشد. مهندسان سه پیکربندی هندسی مختلف را با استفاده از مواد مختلف برای سر و ساقه مورد مطالعه قرار دادند تا تعیین کنند که کدام یک از این سه پیکربندی برای به حداقل رساندن خستگی فرسایشی بهتر است.

ساقه و سر کاشت مفصل ران متناسب است.
پیکربندی های مختلف ساقه و سر با تناسب ایده آل، عدم تطابق مثبت و عدم تطابق منفی.

با استفاده از داده های بار سینماتیکی برگمان و همکاران. و بر اساس میانگین های چهار مجموعه بیمار، Continuum Blue یک شبیه سازی COMSOL Multiphysics برای تجزیه و تحلیل بارگذاری چرخه ای روی سر استخوان ران ایجاد کرد. آنها از مدل خود برای تعیین بارگذاری در نقاط مختلف در طول یک چرخه راه رفتن استفاده کردند، زیرا می دانستند که بار در مکان های مختلف چرخش تغییر می کند، و نتایج خود را در برابر داده های سینماتیک تایید کردند.

نتایج شبیه‌سازی بارها و تنش‌های دینامیکی را در طول چرخه راه رفتن نشان می‌دهد.

استرس و تناسب اندام: کدام گزینه بیشتر دوام خواهد آورد؟

خستگی مواد را می توان با مطالعه تنش متوسط و دامنه تنشی که در طول بارگذاری چرخه ای مفصل رخ می دهد، تعیین کرد. مانند بارگذاری در سر استخوان ران که قبلا نشان داده شد، تنش ها در ساقه فمور در طول یک چرخه راه رفتن تغییر می کند. با حرکات منظم پا، تنش های مشاهده شده نوسانی به خود می گیرند که حرکت مکرر فرد در حال راه رفتن را منعکس می کند.

منحنی های SN مورد استفاده در مطالعه Continuum Blue.
منحنی های SN برای ساقه تیتانیوم و سر کروم کبالت مورد استفاده در مطالعه.

Continuum Blue سه پیکربندی را با دو ماده مختلف ارزیابی کرد: یک آلیاژ کروم کبالت برای سر و یک آلیاژ تیتانیوم برای ساقه ایمپلنت مدولار. برای هر حوزه مواد، آنها تنش‌های مشاهده شده در یک چرخه راه رفتن را محاسبه کردند و این تنش‌ها را به منحنی‌های SN ماده و ریزحرکت‌های سطوح تماس مرتبط کردند. این به آن‌ها این امکان را می‌داد تا تعداد چرخه‌هایی را که دستگاه می‌توانست پیش از آن که خستگی مضطرب به یک مشکل تبدیل شود، پیش‌بینی کنند.

تجزیه و تحلیل خستگی ناشی از چرخه راه رفتن
نواحی که در آن خستگی مضطرب در طول چرخه راه رفتن برای هر پیکربندی رخ می دهد.

نتایج آنها یک واقعیت شگفت‌انگیز را نشان داد: تناسب “ایده‌آل”، که در آن کانال سر استخوان ران دقیقاً در کناره‌های ساقه استخوان ران قرار دارد، بهترین پیکربندی برای به حداقل رساندن خستگی ناشی از استرس نیست . در عوض، پیکربندی با ناهماهنگی مثبت جزئی، انتخاب بهتری بود که تنش‌های کمتر و خستگی کلی را نشان می‌داد.

Continuum Blue از طریق شبیه سازی خود قادر به پیش بینی استرس، فشار تماس و نواحی حساس به خستگی در نقاط مختلف یک چرخه راه رفتن بود. بسیاری از عوامل دیگر نیز وجود دارند که در تحقیقات آینده مورد توجه قرار خواهند گرفت، مانند حساسیت ایمپلنت به درجات مختلف ناهماهنگی. طرح های اضافی و تغییرات هندسی؛ مواد مختلف؛ و اثرات پرداخت های سطحی، پوشش ها، یا زبری که ممکن است بر نتایج تأثیر بگذارد. با این حال، کار مدل سازی آنها یک وعده منحصر به فرد برای ارزیابی طول عمر یک دستگاه ایمپلنت مدولار ارائه می دهد. این به عنوان روشی دقیق برای پیش‌بینی ساییدگی و پارگی که برای این سه پیکربندی ایمپلنت رخ می‌دهد تأیید شد. اگر زمانی نیاز به تجزیه و تحلیل تعویض مفصل داشته باشید – می دانید با چه کسی تماس بگیرید.