. 1

 

1-1-پیشگفتار 2

 

1-2-آناتومی مفصل زانو 3

 

1-2-1مفصل ساق– ران. 4

 

1-2-2-مفصل کاسه زانو- ران. 4

 

1-3-دردها و آسیب‌های معمول زانو 6

 

1-4-پروتز زانو 7

 

1-4-1-جنس مواد پروتز زانو 7

 

1-5-انواع جایگزینی پروتز زانو 8

 

1-5-1-جایگذاری چند تکه و کلی پروتز زانو 9

 

1-5-2-جایگذاری پروتز زانوی متحرک و ثابت.. 10

 

1-6-دلایل اصلی خرابی پروتز زانو 11

 

1-7-پیشینه پژوهش… 13

 

1-8-اهداف تحقیق حاضر 17

 

1-9-رئوس مطالب تحقیق. 18

 

1-10-جنبه‎های منحصر به فرد این پایان‌نامه. 19

 

2-1-صفحات بدن. 21

 

2-2-درجات آزادی زانو 22

 

2-3-تحلیل نیروها در مفصل زانو 23

 

2-3-1-محاسبه نیروها در مفصل زانو 25

 

2-3-2-نیروهای وارد بر مدل پروتز زانو برای انجام شبیه سازی. 31

 

2-4-موقعیت‌های گوناگون استفاده از پروتز زانو در فعالیت‌های روزمره 34

 

2-5-تحلیل مفصل زانو 37

 

2-6-روش‌های حل عددی. 38

 

2-6-1-روش تفاضل محدود 39

 

2-6-2-روش المان محدود 39

 

2-6-3-روش المان مرزی. 41

 

2-7-معرفی برنامه ANSYS Workbench. 41

 

2-7-1-شبیه‌سازی عددی مفصل زانو 44

 

3-1-فرضیات شبیه‌سازی پروتز 47

 

3-2-مراحل مختلف شبیه‌سازی پروتز زانو 48

 

3-2-1-مشخصات مکانیکی بخش‌های مختلف پروتز زانو 49

 

3-2-2-مدل‌سازی بخش‌های مختلف پروتز زانو 51

 

3-2-2-1-ویرایش مدل ابر نقاط بخش‌های مختلف پروتز زانو 52

 

3-2-3-المان‌‌بندی بخش‌های مختلف پروتز زانو 54

 

3-2-4-اعمال شرط مرزی و بارگذاری در شبیه‌سازی پروتز زانو 55

 

3-2-5-استخراج نتایج حاصل از شبیه‌سازی پروتز زانو 57

 

3-2-5-1-نتایج شبیه‌سازی برای زاویه زانوی صفر درجه و شرط مرزی نوع دوم. 58

 

3-2-5-2-مقایسه نتایج حاصل از شبیه‌سازی با دو روش اعمال شرط مرزی. 63

 

3-2-5-3-مقایسه نتایج شبیه‌سازی با دو فرض خطی و غیر خطی بودن رفتار مواد 66

 

3-2-5-4-نتایج شبیه‌سازی با فرض خطی بودن رفتار مواد در موقعیت‌های مختلف.. 69

 

3-2-5-5-ارائه مدل جدید ویرایش‌شده تیبیال و تیبیال‌ترای. 73

 

4-1-بررسی عدم وابستگی نتایج شبیه‌سازی‌ پروتز زانوی مورد نظر به المان. 83

 

4-2-مقایسه کیفی نتایج شبیه‌سازی پروتز زانوی مورد نظر با نتایج شبیه‎سازی پروتز زانوی مشابه. 88

 

4-3-مقایسه منحنی تنش- کرنش واقعی با منحنی تنش- کرنش حاصل از شبیه‌سازی. 89

 

5-1-نتیجه‌گیری. 92

 

5-2-پیشنهادات.. 94

 

 

 

فهرست شکل‌ها

 

شکل ‏1‑1: ساختمان زانو [1]. 3

 

شکل ‏1‑2: ساختمان زانو [1]. 5

 

شکل ‏1‑3: رباط‌های زانو [1]. 6

 

شکل ‏1‑4: بخش‌های اصلی پروتز زانو (فیمورال، تیبیال و تیبیال‌ترای) [2]. 7

 

شکل ‏1‑5: جایگذاری چندتکه و کلی مفصل زانو [1]. 9

 

شکل ‏1‑6: نمای زانو در حالت نگه داشتن رباط صلیبی پشتی (چپ)، پروتز جایگزین تثبیت‌کننده پشتی در تعویض کل مفصل زانو (راست) [1]. 10

 

شکل ‏1‑7: پروتز های زانوی ثابت (چپ) و متحرک (راست) و اجزای آن [1]. 10

 

شکل ‏1‑8: نمونه‌ای از آسیب پروتز زانو به دلیل ایجاد تغییر شکل پلاستیک [2]. 12

 

شکل ‏2‑1: صفحات بدن [17]. 23

 

شکل ‏2‑2: نمایش درجات آزادی مفصل زانو [1]. 23

 

شکل ‏2‑3: دیاگرام پیکر آزاد مفصل زانو برای حالت اول [22]. 26

 

شکل ‏2‑4: دیاگرام پیکر آزاد مفصل زانو برای حالت اول [16]. 28

 

شکل ‏2‑5: (الف) دیاگرام پیکر آزاد مفصل زانو برای حالت دوم (ب) دیاگرام برداری [16]. 29

 

شکل ‏2‑6: نمایش استخوان‌های مفصل زانو [16]. 33

 

شکل ‏2‑7: نیروها و گشتاور وارد بر سطح تیبیال در صفحه ساژیتال زانو. 33

 

شکل ‏2‑8: ماهیچه‌ها و زردپی‌های احاطه کننده مفصل زانو [23]. 34

 

شکل ‏2‑9: نمایش زاویه زانو و مقدار بار فشاری در حالت برخاستن از صندلی [25]. 36

 

شکل ‏2‑10: نمایش زاویه زانو و مقدار بار فشاری در حالت بالا رفتن از پله [25]. 36

 

شکل ‏2‑11: نمایش زاویه زانو و مقدار بار فشاری در حالت دو زانو ایستاده [25]. 37

 

شکل ‏2‑12: نمایش نیروها و حرکت های اعضای زانو [1]. 44

 

شکل ‏2‑13: نمایش مدل المان محدود پروتز ثابت (چپ) و متحرک (راست) [1]. 45

 

شکل ‏3‑1: منحنی تنش- کرنش واقعی پلی‌اتیلن مولکولار غنی شده [1]. 50

 

شکل ‏3‑2: قطعات تیبیال و تیبیال‌ترای و فیمورال پروتز زانوی مورد بررسی. 51

 

شکل ‏3‑3: مدل ابرنقاط خام قطعات تیبیال و تیبیال‌ترای پروتز زانوی مورد بررسی. 51

 

شکل ‏3‑4: مدل سه بعدی قطعه‌ فیمورال پروتز زانوی مورد بررسی (الف) قبل از ویرایش و (ب) بعد از ویرایش. 52

 

شکل ‏3‑5: مدل سه بعدی تیبیال و تیبیال‌‌ترای پروتز زانو، (الف) قبل از ویرایش و (ب) بعد از ویرایش. 53

 

شکل ‏3‑6: مدل سه بعدی پروتز کامل زانو مورد بررسی (الف) قبل از ویرایش و (ب) بعد از ویرایش. 53

 

شکل ‏3‑7: هندسه المان‌ Solid187. 54

 

شکل ‏3‑8: المان‌بندی بخش‎های مختلف پروتز زانوی مورد بررسی. 54

 

شکل ‏3‑9: نحوه بارگذاری پروتز زانو در حالت زاویه زانوی 135 درجه (بخشی از فیمورال ثابت و نیرو عمود بر سطح تیبیال‌ترای). 56

 

شکل ‏3‑10: نحوه بارگذاری پروتز زانو در حالت زاویه زانوی 135 درجه (سطح تیبیال ترای ثابت و نیرو در مرکز مفصل وارد بر سطوح فیمورال). 56

 

شکل ‏3‑11: تماس‎های مختلف موجود در تحلیل پروتز مورد نظر. 57

 

شکل ‏3‑12: کانتور تنش ون مایزز قطعه فیمورال با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در حالت زاویه زانوی صفر درجه. 58

 

شکل ‏3‑13: کانتور تنش ون مایزز قطعه تیبیال با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در حالت زاویه زانوی صفر درجه. 59

 

شکل ‏3‑14: کانتور تنش ون مایزز قطعه تیبیال‌ترای با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در زاویه زانوی صفر درجه. 59

 

شکل ‏3‑15: کانتور کرنش معادل قطعه فیمورال با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در حالت زاویه زانوی صفر درجه. 60

 

شکل ‏3‑16: کانتور کرنش معادل قطعه تیبیال با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در حالت زاویه زانوی صفر درجه. 60

 

شکل ‏3‑17: کانتور کرنش معادل قطعه تیبیال‌ترای با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در زاویه زانوی صفر درجه. 61

 

شکل ‏3‑18: کانتور تغییر شکل کلی قطعه فیمورال با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در حالت زاویه زانوی صفر درجه. 61

 

شکل ‏3‑19: کانتور تغییر شکل کلی قطعه تیبیال با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در حالت زاویه زانوی صفر درجه. 62

 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

 

شکل ‏3‑20: کانتور تغییر شکل کلی قطعه تیبیال‌ترای با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در زاویه زانوی صفر درجه. 62

 

شکل ‏3‑21: کانتور تنش ون مایزز قطعه تیبیال با اعمال شرط مرزی نوع اول، در حالت زاویه زانوی 15 درجه. 63

 

شکل ‏3‑22: کانتور تنش ون مایزز قطعه تیبیال با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در حالت زاویه زانوی 15 درجه. 64

 

شکل ‏3‑23: کانتور کرنش معادل قطعه تیبیال با اعمال شرط مرزی نوع اول، در حالت زاویه زانوی 90 درجه. 64

 

شکل ‏3‑24: کانتور کرنش معادل قطعه تیبیال با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در حالت زاویه زانوی 90 درجه. 65

 

شکل ‏3‑25: نمایش کرنش الاستیک- پلاستیک. 66

 

شکل ‏3‑26: کانتور تنش ون مایزز تیبیال با شرط مرزی اول، در حالت زاویه زانوی 15 درجه و رفتار خطی ماده. 67

 

شکل ‏3‑27: کانتور کرنش معادل تیبیال با شرط مرزی اول، در حالت زاویه زانوی 15 درجه و رفتار خطی ماده. 67

 

شکل ‏3‑28: کانتور تنش ون مایزز تیبیال با شرط مرزی اول، در حالت زاویه زانوی 90 درجه و رفتار خطی ماده. 68

 

شکل ‏3‑29: کانتور کرنش معادل تیبیال با شرط مرزی اول، در حالت زاویه زانوی 90 درجه و رفتار خطی ماده. 68

 

شکل ‏3‑30: تنش معادل ون مایزز تیبیال، با فرض رفتار خطی ماده در موقعیت‌های مختلف. 70

 

شکل ‏3‑31: کرنش معادل تیبیال، با فرض رفتار خطی ماده در موقعیت‌های مختلف. 70

 

شکل ‏3‑32: تنش معادل ون مایزز تیبیال، با فرض رفتار غیرخطی ماده در زاویه زانوی 140 درجه. 71

 

شکل ‏3‑33: کرنش پلاستیک معادل تیبیال، با فرض رفتار غیرخطی ماده در زاویه زانوی 140 درجه. 71

 

شکل ‏3‑34: کرنش الاستیک معادل تیبیال، با فرض رفتار غیرخطی ماده در زاویه زانوی 140 درجه. 72

 

شکل ‏3‑35: کرنش کلی معادل تیبیال، با فرض رفتار غیرخطی ماده در زاویه زانوی 140 درجه. 72

 

شکل ‏3‑36: توزیع تنش ون مایزز به ازای شعاع ساژیتال mm 40 و زاویه زانو صفر درجه [14]. 74

 

شکل ‏3‑37: تنش ون مایزز به ازای مقادیر گوناگون شعاع ساژیتال [14]. 74

 

شکل ‏3‑38: تنش برشی به ازای مقادیر گوناگون شعاع ساژیتال [14]. 75

 

شکل ‏3‑39: تنش ون مایزز به ازای مقادیر گوناگون زاویه زانو [14]. 75

 

شکل ‏3‑40: تنش برشی به ازای مقادیر گوناگون زاویه زانو [14]. 76

 

شکل ‏3‑41: مدل جدید تیبیال و تیبیال‌ترای. 77

 

شکل ‏3‑42: مدل جدید تیبیال، تیبیال‌ترای و فیمورال تحت زاویه زانوی 60 درجه. 77

 

شکل ‏3‑43: کانتور تنش مدل ویرایش شده 60 درجه با فرض رفتار خطی مواد تیبیال. 79

 

شکل ‏3‑44: کانتور تنش مدل ویرایش شده 140 درجه با فرض رفتار خطی مواد تیبیال. 79

 

شکل ‏3‑45: تنش معادل تیبیال، با فرض رفتار خطی ماده تیبیال در دو مدل ویرایش شده و مدل پروتز مد نظر. 80

 

شکل ‏3‑46: کرنش معادل تیبیال، با فرض رفتار خطی ماده در دو مدل ویرایش شده و مدل پروتز مد نظر. 80

 

شکل ‏4‑1: نمایش المان‌بندی با المان‌های درشت. 84

 

شکل ‏4‑2: نمایش المان‌بندی با المان‌های متوسط. 84

 

شکل ‏4‑3: نمایش المان‌بندی با المان‌های ریز. 85

 

شکل ‏4‑4: نمایش المان‌بندی با المان‌های مناسب… 85

 

شکل ‏4‑5: نمایش کانتور تنش ون مایزز تیبیال پروتز با المان‌های درشت برای زاویه زانو 60 درجه. 86

 

شکل ‏4‑6: نمایش کانتور تنش ون مایزز تیبیال پروتز با المان‌های ریز برای زاویه زانو 60 درجه. 86

 

شکل ‏4‑7: نمایش عدم وابستگی تنش ون مایزز به المان‌بندی پروتز زانو. 87

 

شکل ‏4‑8: کانتور تنش ون مایزز در پروتز زانو مشابه. 88

 

شکل ‏4‑9: کانتور تنش ون مایزز در پروتز زانو مورد نظر با زاویه زانو صفر درجه. 89

 

شکل ‏4‑10: مقایسه منحنی تنش- کرنش واقعی و منحنی تنش- کرنش استخراجی از شبیه‌سازی پروتز زانو. 90

 

 

 

فهرست جداول

 

جدول ‏1‑1: مشخصات مواد به کار گرفته شده در پروتز جانشین زانو [1]. 8

 

جدول ‏2‑1: مقدار نیروهای وارد بر مفصل زانو به ازای وزن‌های مختلف- حالت اول [16]. 29

 

جدول ‏2‑2: تحلیل نیروهای وارد بر مفصل زانو به ازای وزن‌های مختلف- حالت دوم [16]. 30

 

جدول ‏2‑3: بحرانی‌ترین حالت در موقعیت‌های مختلف فعالیت‌های روزمره [2] و [25]. 37

 

جدول ‏3‑1: مشخصات مواد به کار گرفته شده در پروتز جانشین زانو [1]. 49

 

جدول ‏3‑2: تنش- کرنش پلاستیک مواد به کار گرفته شده در پروتز زانوی مورد نظر [1]. 50

 

جدول ‏3‑3: نیروهای اعمالی بر سطح تیبیال در موقعیت‌های گوناگون. 55

 

جدول ‏3‑4: مقایسه نتایج حاصل از شبیه‌سازی با دو روش اعمال شرط مرزی. 65

 

جدول ‏3‑5: مقایسه نتایج حاصل از شبیه‌سازی با دو فرض خطی و غیر خطی بودن رفتار مواد. 69

 

جدول ‏3‑6: مقایسه نتایج حاصل از شبیه‌سازی با دو فرض خطی و غیر خطی بودن رفتار مواد. 78

 

1-1-پیشگفتار