مروري بر مدل سازي زانو با كاربرد روش المان محدود

Review of Finite Element Model Studies in Knee Joint Biomechanics

زمينه و هدف: مفصل زانو به دليل حركات و بارهای زيادی كه در طی انواع  فعاليت های روزمره، شغلی و ورزشی بر آن تحميل می‌شود، در معرض خطر بالای صدمات و دژنراسيون است. استئوآرتريت و آسيب های ليگامانی اغلب سبب بروز درد و كاهش سطح فعاليت های فرد می‌گردد كه اين امر خود هزينه‌های انسانی واقتصادی هنگفتی را بر جوامع تحميل می‌كند. از اين رو برای سال های متمادی مطالعه  بيومكانيك مفصل زانو همواره  مورد توجه محققين زيادی بوده ‌است. هدف اصلی اين تحقيقات شناخت بهتر عملكرد مفصل زانوی سالم و آسيب‌ديده است. بطوريكه عمده روش های پيشگيری از آسيب و درمان بر اساس همين تحقيقات بنا شده‌ است. روش بررسی:‌ بدليل مشكلات، محدوديت های عملی و اخلاقی همچنين هزينه هنگفت انجام مطالعات تجربی بر روی زانوی زنده و جسد استفاده از مدل‏سازی رياضی به روش المان محدود ابزار كارا، قوی و مكملی برای بررسی بيومكانيك مفصل زانو است. يافته ها:‌ مزيت روش المان محدود در بررسی بيومكانيك مفصل مقاوم بودن آن برای تلفيق نمودن هندسه سه بعدی مفصل زانو، قيود پيچيده و شرايط بارگذاری، همچنين موادی با ويژگي‏های غير خطی و ناهمگن است. نتيجه گيری: در اين مقاله با مرور مطالعات مهمی كه با روش المان محدود به بررسی بيومكانيك زانو پرداخته‌اند و بحث پيرامون عمده نتايج آنها به ترسيم چشم‌انداز آتی در بررسی بيومكانيك مفصل زانو مبادرت شده ‌است.

Background and aim: Human knee joints experience very large loads and motions during regular daily, occupational and sport activities. Consequently, they are at high risk of being exposed to injuries and degeneration. Osteoarthritis and ligament injuries often inflict knee joints causing considerable pain and loss of productivity involving thus significant human and economic costs. Hence, biomechanics of human knee joints has been the focus of many investigations with the primary aim to improve understanding of joint function in normal and perturbed conditions. The existing prevention and treatment programs have been based on such studies.Material and Methods: Due to inherent costs, limitations, difficulties and ethical concerns associated with in vivo and in vitro cadaveric studies, finite element model studies have been developed as effective, powerful and complementary tools to investigate knee joint biomechanics subject to internal and external mechanical conditions affecting its normal function.Results: The advantage of finite element method in study of joint biomechanics lies in its robustness to incorporate complex 3D joint geometry, intricate boundary and loading conditions and materials with nonhomogeneous and nonlinear properties.Conclusion:This article reviews important model studies, presents their relevant results and discusses some of the promising future directions.