بررسی تجربی و عددی رفتار مکانیکی استخوان ران در بارگذاری های مختلف

تا کنون مطالعات زیادی جهت پیش بینی شکست استخوان ران به دلیل افزایش آمار سالیانه ی شکست آن و پیامد هایی که در پی دارد، انجام شده است. پاسخ مکانیکی استخوان ران در حالت های مختلف بارگذاری و پیش بینی سریع و دقیق شکست استخوان از جمله مسائل بالینی پراهمیت در ارتوپدی می باشد. برای پیش گیری از شکست استخوان ران، تشخیص جهت هایی که در آن استخوان احتمال شکست بیشتری دارد، بسیار کمک کننده است. در این تحقیق از تعداد 11 نمونه استخوان تازه و منجمد ران انسان، مدل اجزا محدود مبتنی بر برش نگاری کمی رایانه ای تهیه شد. نمونه ها در 8 جهت متفاوت، تحت بارگذاری مکانیکی قرار گرفتند. نیروی شکست و محل شروع ترک هرکدام از نمونه ها با تشخیص المان های دارای فاکتور خطر بالا و با استفاده از تحلیل خطی اجزا محدود هرکدام از نمونه ها مطابق با بارگذاری اعمال شده در تست مکانیکی، بدست آمد. پس از اطمینان از اعتبار روش فوق، برای 6 نمونه در 27 جهت متفاوت، سفتی، نیروی شکست و محل شروع ترک پیش بینی شد. به منظور بررسی تاثیر ساده سازی در اختصاص خواص مکانیکی به استخوان ران، برای 5 نمونه سفتی، نیروی شکست و محل شروع ترک در 5 حالت تخصیص تعداد مواد متفاوت ، پیش بینی شد. در ادامه روابطی خطی به منظور پیش بینی سریع و قابل اطمینان مقدار بار بحرانی شروع شکست استخوان ران، در 6 مقدار نیروی متفاوت اعمالی ارائه شده و در نهایت یک رابطه ی کلی مستقل از مقدار نیروی اعمالی پیشنهاد شد. نتایج بدست آمده نشان می دهد که روش اجزا محدود خطی و استفاده از معیار فاکتور خطر، با دقت قابل قبول قادر به پیش بینی شکست استخوان ران می باشد. نتایج مشاهده شده از تحلیل نمونه ها در زاویه های متفاوت حاکی از آن است که استخوان ران تحت بارگذاری در جهت های جانبی-خلفی و جانبی-قدامی کمترین سفتی را از خود نشان می دهد و بیشترین سفتی را در جهت بارگذاری از سمت میانی و در صفحه ی کرونال ( جهت ایستادن بر روی پاها ) دارا می باشد. همچنین نیروی شکست در استخوان ران تحت بارگذاری در جهت های جانبی-خلفی و جانبی-قدامی کمترین مقدار را دارد که جهتی بحرانی برای شکست استخوان است، ولی در جهت بارگذاری از سمت میانی و با 10 درجه مثبت نسبت به صفحه ی کرونال بیشترین مقدار را دارا می باشد. نتایج بدست آمده از تحلیل نمونه ها در مقادیر متفاوت خواص مکانیکی، نشان می دهد که ساده سازی های انجام شده در این تحقیق در زمینه ی تقسیم بازه ی خواص مکانیکی به تعداد زیر بازه های کمتر، و اختصاص تعداد خواص مکانیکی کمتر به استخوان ران، تاثیر قابل توجهی در محاسبه ی نیروی شکست و سفتی استخوان و همچنین تشخیص محل شروع ترک ندارد، زیراکه یکنواختی در توزیع خواص مکانیکی حفظ شده است. نیروی شکست و محل شروع ترک پیش بینی شده برای نمونه های تست شده با استفاده از روابط خطی ارائه شده در مقادیر نیروی اعمالی اجزا محدود متفاوت، تطابق خوبی با نتایج تست های مکانیکی داشته است.