Введение к работе
Актуальность темы. Современный уровень развития численных методов расчетов динамики деформируемых тел, достижения в области вычислительной техники позволяют решать все более широкий крут задач в различных областях знаний, более полно рассматривать моделируемые физические явления.
С каждым годом возрастают требования к уровню обеспечения здоровья и безопасности жизнедеятельности человека, расширяется круг задач, в которых требуется исследование прочностных свойств тела человека при воздействиях различных факторов. Необходимость моделирования механического состояния опорно-двигательного аппарата человека возникает при создании новой техники, оценке уровня безопасности существующих технических систем, при разработке или совершенствовании методов лечения.
Одной из актуальных задач биомеханики, возникающей при создании конструкций эндопротезов суставов, является моделирование механического состояния системы эндоггротез-кость. Численное моделирование механического состояния опорно-двигательного аппарата человека рассматривается на примере разработки методики индивидуального эндопротезирования тазобедренного сустава человека.
Эндопротезирование тазобедренного сустава - широко распространенный, перспективный метод лечения ряда заболеваний и повреждений опорно-двигательного аппарата человека. Обладая высокой эффективностью, эндопротезирование имеет существенные недостатки, связанные, в основном, с отдаленными неблагоприятными последствиями, возникающими через 5-12 лет после установки эндопротеза.
Несмотря на большое количество разнообразных конструкций эндопротезов тазобедренного сустава до настоящего времени не решена проблема создания конструкции, позволяющей избежать тяжелых осложнений, не выработаны методы выбора и оценки конструкций эндопротезов, отсутствует биомеханически обоснованное прогнозирование результатов лечения.
Один из определяющих этапов проектирования эндопротеза состоит в нахождении действующих на конструкцию эксплуатационных нагрузок. В современных расчетах исследуется статическое нагружение системы эндопротез-кость, величина и характер действующих сил и моментов рассматривается для ограниченного числа возможных случаев нагружения.
В этой связи разработка методики создания конструкции эндопротеза тазобедренного сустава, не приводящей при эксплуатации к некоторым негативным последствиям, присущих современному эндопротезированию, является актуальной задачей медицинской биомеханики. Ее решение будет способствовать повышению результатов лечения, позволит сократить число
операций реэндопротезирования, снизит количество послеоперационных осложнений.
Цель и задачи исследования. Цель настоящего исследования состоит в разработке методики моделирования опорно-двигательного аппарата человека и разработке на ее основе методики проектирования эндопротеза тазобедренного сустава человека, направленной на повышение эффективности эндопротезирования, уменьшения негативных последствий эксплуатации эндопротезов и снижения числа операций реэндопротезирования.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать численную методику определения нагрузок, возникающих в элементах опорно-двигательного аппарата человека при динамическом характере внешнего воздействия.
-
Создать конечномерную модель тела человека, позволяющую учитывать некоторые особенности пациента, такие как: размеры и массу сегментов тела, геометрические параметры основных костей (анатомические параметры), тренированность основных скелетных мышц, латентные периоды сокращений, развиваемые мышечные усилия (биомеханические параметры), интенсивность ежедневных нагрузок (особенности социально-бытовой активности).
-
Разработать методику определения модулей упругости и величины мышечного усилия основных скелетных мышц в зависимости от позы человека и характера внешнего воздействия.
-
Проанализировать напряженно-деформированное состояние трехмерной системы эндопротез - бедренная кость при динамическом нагружении опорно-двигательного аппарата человека.
5. Предложить методику создания индивидуальной конструкции
эндопротеза, реализованную в виде комплекса прикладных программ с
использованием вычислительной техники.
Научная новизна исследования. Разработана новая методика численного определения сил и моментов, возникающих в опорно-двигательном аппарате человека при динамическом характере внешнего воздействия.
Разработанная конечномерная модель опорно-двигательного аппарата человека, отличается учетом ряда особенностей пациента.
Впервые разработана конечномерная методика определения модулей упругости и величины мышечного усилия основных скелетных мышц в зависимости от позы человека и характера внешнего воздействия.
Предложенная методика определения формы и размеров эндопротеза тазобедренного сустава позволяет учитывать некоторые параметры пациента (анатомические, биомеханические, особенности социально-бытовой активности). Методика реализована в виде комплекса прикладных программ с использованием вычислительной техники.
Практическая значимость исследования. Разработана методика расчета нагрузок, возникающих в опорно-двигательном аппарате при динамическом характере внешнего воздействия.
Разработана конечномерная модель тела человека, позволяющая учитывать ряд особенностей пациента.
Разработана методика создания индивидуального эидопротеза с учетом особенностей пациента и условий функционирования конструкции при различных видах нагружения.
Создан комплекс компьютерных программ, реализующий основные этапы работ по разработанной методике индивидуального эндопротезирования.
Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре механики деформируемого твердого тела Балтийского государственного технического университета и на кафедре травматологии и ортопедии Медицинской академии последипломного образования, г. С.-Петербург. Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Fourth International Congress on Sound and Vibration (St.-Petersburg, Russia.1996), международном конгрессе «Человек и его здоровье» (С.-Петербург, 1997). Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, двух глав собственных исследований, выводов по каждой главе и по работе в целом, списка использованной литературы и приложений. Работа иллюстрирована 42 рисунками и 9 таблицами. Список литературы содержит 143 наименования.