Προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς άθικτης ανθρώπινης πυέλου: in silico μελέτη

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η υπολογιστική προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς της άθικτης ανθρώπινης πυέλου. Η εργασία αυτή είναι ενταγμένη σε ένα μεγαλύτερο ερευνητικό πρόγραμμα που εκπονείται στη Μονάδα Εμβιομηχανικής του Τομέα Μηχανικής του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου σε συνεργασία με ιατρούς από το Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης και ιατρούς από το 401 Γενικό Στρατιωτικό Νοσοκομείο Αθηνών, εξειδικευμένους στην τραυματολογία της πυέλου. Καθώς η αποκατάσταση των πυελικών καταγμάτων απασχολεί όλο και περισσότερο την ιατρική κοινότητα και με δεδομένο ότι το συγκεκριμένο αντικείμενο εμφανίζει πολύ μεγάλες δυσκολίες στη διερεύνησή του, οι υπολογιστικές προσεγγίσεις από τον διεπιστημονικό κλάδο της Εμβιομηχανικής αποτελούν ένα αξιόπιστο και διαρκώς αναπτυσσόμενο εργαλείο μελέτης της. Το ευρύτερο ερευνητικό πρόγραμμα που λαμβάνει χώρα στο Ε.Μ.Π. αφορά στην συγκριτική αξιολόγηση διαφορετικών μεθόδων οστεοσύνθεσης της καταγματικής ανθρώπινης πυέλου. Η παρούσα εργασία, θέτοντας τα θεμέλια της υπολογιστικής ανάλυσης του προγράμματος, επικεντρώνεται στην δημιουργία ενός αξιόπιστου υπολογιστικού μοντέλου της άθικτης ανθρώπινης πυέλου ενώ, κατόπιν της επικύρωσης, προχωρά και στην μελέτη ορισμένων σημαντικών παραμέτρων που εμφανίζονται στο πείραμα. Πιο αναλυτικά, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά σε σημαντικά στοιχεία της ανατομίας και της φυσιολογίας των ανθρωπίνων οστών. Επίσης, γίνεται εισαγωγή στις έννοιες της εμβιομηχανικής προκειμένου ο οστίτης ιστός να εξεταστεί υπό το φως αυτού του κλάδου. Εν συνεχεία, αναλύεται η ανατομία της πυέλου και οι λειτουργίες της ενώ στο τέλος, γίνεται μνεία και στους τύπους των καταγμάτων που εμφανίζει. Στο δεύτερο κεφάλαιο επιχειρείται μία εισαγωγή στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Στην αρχή δίνονται ορισμένα ιστορικά στοιχεία που αφορούν στις ανάγκες που γέννησαν τη μέθοδο καθώς και στον τρόπο με τον οποίο η μέθοδος, τελικά, αναπτύχθηκε. Κατόπιν, παρουσιάζονται συνοπτικά τα στάδια που ακολουθούνται προκειμένου να εφαρμοστεί η μέθοδος. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται αναλυτικά ο σκοπός της εργασίας και το πλαίσιο εντός του οποίου αυτή εκπονείται. Παράλληλα, γίνεται μία κριτική βιβλιογραφική ανασκόπηση των σημαντικότερων εργασιών που έχουν πραγματοποιηθεί και αφορούν σε in silico πειράματα σχετικά με την πύελο. Σκοπός αυτών των εργασιών ήτανε είτε η μελέτη κάποιων κρίσιμων για το εκάστοτε μοντέλο παραμέτρων είτε απλά η εξασφάλιση ενός επικυρωμένου πυελικού μοντέλου. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύεται ο τρόπος κατασκευής του γεωμετρικού μoντέλου της πυέλου με τη χρήση αξονικών τομογραφιών, ενώ στο πέμπτο κεφάλαιο επεξηγείται το κυρίως έργο της παρούσας μελέτης καθώς αναλύεται ο τρόπος που εφαρμόζεται η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων στο συγκεκριμένο μοντέλο της πυέλου. Ξεκινώντας από την εισαγωγή της γεωμετρίας στο πρόγραμμα προσομοίωσης με πεπερασμένα στοιχεία παρακολουθείται βήμα προς βήμα η κατασκευή του υπολο-γιστικού μοντέλου φτάνοντας έως και την εξαγωγή των πρώτων αποτελεσμάτων. Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται η επικύρωση του μοντέλου ενώ στη συνέχεια πραγματοποιείται παραμετρική μελέτη της επίδρασης διαφόρων παραγόντων. Πιο συγκεκριμένα, στο δεύτερο αυτό σκέλος του κεφαλαίου, μελετώνται οι τάσεις που αναπτύσσονται στο μοντέλο καθώς αλλάζει το υλικό του τεχνητού χόνδρου, καθώς μετα-βάλλεται το πάχος του χόνδρου αλλά και καθώς επιβάλλονται διαφορετικές φορτίσεις κάθε μία εκ των οποίων αντιστοιχεί σε κάποια συνήθη, καθημερινή δραστηριότητα του ανθρώπου. Τέλος, στο έβδομο κεφάλαιο επιχειρείται μία σύνοψη της εργασίας και των συμπερασμάτων της ενώ στο όγδοο κεφάλαιο δίδονται ορισμένες προτάσεις για μελλοντική έρευνα.

The purpose of this diploma thesis is the computational simulation of the me-chanical behavior of an intact human pelvis. This thesis is part of a bigger research project which is being conducted in the Biomechanical Department of the Mechanical Faculty of the National Technical University of Athens (N.T.U.A.) in collaboration with physicians from the Demokritus University of Thrace and from the 401st general military hospital, who are specialized in pelvic fractures. Nowadays, rehabilitation of pelvic fractures interests more and more the medi-cal community. Because of that interest and because of the high complexity of this subject, it is no wonder why biomechanical modeling is a constantly developing tool for the research conducted in this area. The aforementioned research program which takes place in N.T.U.A., resides in the mutual evaluation of different types of osteosynthesis of a fractured human pelvis. This diploma thesis sets the foundations of the computational analysis of the pro-gram and focuses on the creation of a reliable computational model of an intact human pelvis. Furthermore, after the validation of the model, some important experimental parameters were studied. More extensively, in the first chapter, some important anatomical and physio-logical data concerning human bones are mentioned. There is also an introduction to the basic biomechanical notions in order to examine the bone tissue through the lit of that discipline. In the sequel, the anatomy of the pelvis is being elaborated as well as its functions and the fractures that may occur to it. The second chapter is an introduction in the finite element method. In the beginning, some historical data are given concerning the needs which led to the creation of FE method and the way in which it was actually developed. Thence, the stages of the method are displayed summarily. In the third chapter, the purpose of the thesis is displayed in detail as well as the purpose of the whole project conducted in N.T.U.A. Furthermore, a literature re-view is carried out; important scientific papers, concerning the in silico experiments of the human pelvis, are being analyzed. In the fourth chapter, the creation of the 3D model via CT images is explained while in the fifth chapter, there is a step by step analysis of the construction of thecomputational pelvic model using the finite element method. This chapter contains the major work of the thesis. In the sixth chapter, the model is being validated. After that, a parametric anal-ysis is performed in order to study the stresses of the pelvis a. while the material of the artificial cartilage is being changed, b. while the thickness of the cartilage changes and c. while different forces are applied simulating different load cases. Finally, in the seventh chapter, the thesis and the results which came out of it are summarized while in the eighth chapter, suggestions for further future research are being made.