مدل سازي و شبيه سازي المان محدود رفتار مكانيكي مفصل زانو در سيكل راه رفتن

Modeling and Simulation of Mechanical Behavior in Knee Joint under Gait

رفتار مكانيكي غضروف مفصلي تحت تاثير عوامل متنوعي قرار دارد. توزيع ناهمگن پروتئوگليكان ها و فيبرهاي كلاژن در جهت ضخامت غضروف مفصلي منجر به شكل گيري بافتي با خواص متغير در جهت عمق مي شود. اين خواص مستقيما در مقادير تنش و تغير شكل ايجاد شده در غضروف تاثير دارد. در تحقيقات گذشته از خواص متفاوت و هندسه پيچيده اجزاي مفصلي صرف نظر گرديده، لذا هدف از اين تحقيق ايجاد يك مدل نزديك به آناتومي از غضروف مفصلي زانو جهت شبيه سازي رفتار آن تحت بار ديناميكي درفاز گام گذاري از سيكل حركت بود. مدل المان محدود سه بعدي ايجاد شده شامل غضروف ران، غضروف درشت ني و مينيسك هاي مياني و جانبي بود و در آن براي بافت هاي غضروفي، مدل غيرخطي پروويسكوالاستيك همسانگرد و براي مينيسك ها رفتار الاستيك خطي همسانگرد صفحه اي تعريف شد. همچنين غضروف ها به صورت اشباع از سيال درنظر گرفته شدند. نتايج نشان داد كه مقدار تنش اصلي در لايه فوقاني داراي بيشترين مقدار بوده و در جهت عمق كاهش مي يابد كه اين امر دليل بروز آرتروز را در لايه هاي بيروني توجيه مي كند. همچنين نشان داده شد كه تغيرات ضريب نفوذ هيدروليكي در غضروف مفصلي به عنوان تابعي از كرنش در بارگذاري ديناميكي ناچيز است. نتايج اين پژوهش با مطالعات آزمايشگاهي توافق خوبي نشان داد

Mechanical behavior of articular cartilage is affected by many factors. Inhomogeneous distribution of proteoglycans and collagen fibers through the thickness causes some depth-wise behavior. Mechanical properties directly affect stress and deformation of the tissue. In previous studies complexities and variation in mechanical properties were ignored. The aim of the present study is to create a model close to real anatomy of articular cartilage in knee joint and to simulate its behavior under dynamic gate in the stance phase. A 3D finite element (FE) model was created. It was constructed considering femur and tibial cartilages as well as medial and lateral meniscus. In the FE model, a nonlinear isotropic viscoelastic material model was used for cartilages and linear anisotropic elastic one was chosen for meniscuses. Morever, cartilages were assumed saturated. Numerical simulations on the model showed that peak of maximum principal stress occurred in superficial layer. It was decreased through thickness. This explains the existence of osteoarthritis in the exterior layers. The present study showed that hydraulic permeability variation in cartilage as a strain-dependent variable was negligible in dynamic loading. Also, results showed good agreement with experimental ones.