بررسي تنش و كرنش در كفي‌هاي طبي از جنس مواد هايپرالاستيك مخصوص بيماران در زمان راه رفتن با نرم‌افزار المان محدود

An Investigation on the stress and strain in medical hyper elastic insole in diabetic person during gait by finite element method

مقدمه و اهداف دیابت یكی از بیماری‌های متابولیكی است. عدم كنترل دیابت می‌تواند منجر به زخم كف پای بیماران دیابتی و در صورت عدم درمان منجر به قطع پا گردد. با توزیع مناسب فشار در كف پا از طریق تغییر جنس و نحوه‌ی چینش لایه‌های تشكیل‌دهنده‌ی كفی چندلایه می‌توان از ایجاد زخم جلوگیری و بهبود زخم را تسریع نمود. در این مطالعه به بررسی كفی‌های تك لایه و سه لایه از جنس‌های سیلیكون ژل، پلاستوزوت، پلی‌فوم و اتینیل وینیل استات پرداخته‌شده است. مواد و روش‌ها خواص چهار ماده‌ی انتخابی با انجام تست فشار به دست آمد. با ساخت كفی سفارشی و اپتیك كردن آن، فایل ابر نقاط به دست آمد كه با نرم‌افزار كتیا سطح و حجم سازی شد. به كمك مدل اجزاء محدود سه‌بعدی چهار نوع كفی تك لایه و هجده نوع كفی سه لایه با تحلیل‌ دینامیكی، موردبررسی قرار گرفتند. برای صحت سنجی نتایج آزمون عملی با سیستم پدار انجام شد. یافته‌ها طبق نتایج در بین كفی‌های تك لایه سیلیكون و پلاستوزوت و در بین كفی‌های چندلایه پلاستوزوت-سیلیكون-اتینیل وینیل استات بهترین عملكرد را داشتند. نتیجه‌گیری نتایج نشان می‌دهد كه با استفاده از كفی سه لایه به‌طور نسبی 31% تمركز تنش ون میزز و 30% كرنش نسبت به كفی‌های تك لایه در كف پای بیمار می‌توان كاهش داد. نتایج تست‌های عملی با سیستم پدار نیز نتایج المان محدود را مورد تأیید قرارداد. در حالت دینامیكی كفی تك لایه‏ی سیلیكونی و سه لایه پلاستوزوت-سیلیكون-اتیلن وینیل استات به ترتیب 30% و 54% نسبت به حالت پابرهنه فشار را در كف پا كاهش می‏دهد. روش‌های استفاده‌شده در این تحقیق یك رویكرد مناسب برای درك رفتار این مواد در مواقعی كه به‌عنوان كفی استفاده می‌شود فراهم می‌كند و یك راهنمای المان محدود برای بررسی كفی‌های طبی می‌تواند باشد.

Background and Aim: Uncontrolled diabetes can lead to diabetic foot ulcers and if it is not treated can lead to amputation. With suitable plantar pressure distribution, by changing material and arrangement of constituent layers for multi-layer insoles, the foot ulcers can be prevented or improved. In this study, single-layer and three-layer insoles made by Silicone Gel, Plastazote Foam, Polyfoam and Ethyl Vinyl Acetate foam have been compared. Materials and Method: the materials behavior determined using a uniaxial pressure test. Then a custom-made insole was prepared and by a digitizer device, a scatter file obtained from machined sample. This file was imported in Catia software and the volumes and surfaces has been created by using a three dimensional nonlinear FEM model, for 4 single-layer and 18 combinations of three-layer insoles during dynamic test. For verification of FE results, experimental test has been done by using Pedar system. Results: The results showed that among single-layer insoles, the Silicon Gel and Plastazote and between three-layer insoles arranging Plastazote, Silicone Gel and Ethyl Vinyl Acetate (from top to bottom) were recognized as the best combination. Conclusions: Three-layer insole stress concentration and strain can reduce 31% Von Mises constrain stress and 30% strain with respect to one layer insole. Experimental tests using Pedar system verified this result. In dynamic mode using Pedar system, Silicon Gel one layer insole and three-layer PLZ-SG-EVA decrease plantar pressure by 30% and 54% respectively in comparison with bare foot. The method used in this research can show suitable performance of these materials when used as insole. Also this research can be helpful for analyzing insoles using finite element method. Keyword: Hyper elastic Material, Medical Insole Diabetic, 3D Model, Pedar System