Badania przemieszczeń kości udowej z endoprotezami bezcementowymi metodą interferometrii holograficznej

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 1992

Seria: Mechanika z. 112 Nr kol. 1182

Romuald BĘDZIŃSKI, Szymon DRAGAN, Andrzej WALL, Piotr ZYDOROWICZ Politechnika Wrocławska, Akademia Medyczna Wrocław

BADANIA PRZEMIESZCZEŃ KOŚCI UDOWEJ Z ENDOPROTEZAMI BEZCEMENTOWYMI METODĄ INTERFEROMETRII

HOLOGRAFICZNEJ

Streszczenie. C elem badań była analiza porównawcza przem ieszczeń kości udowej. Badano kość udową przed i po w szczepieniu endoprotez bezcementowych M ittelm ciera oraz Parchofera - Miincha.

Z astosow ano m etodę interferometrii holograficznej. Obciążenia m odelow e realizowano wg schematu Pauwelsa.

Summary. U sin g the holographic interferometry m ethod the femur bone was investigated.

D elorm ation o f bone w ithout prosthesis and with M ittelm eier and Parchofer-M iinch prosthesis were analyzed.

Zusam m enfassung. D as Z iel der Untersuchungen war ein e Vergleichsanalyse, der Verlagerung des Schenkelknochens. D er Schenkelknochen wurde vor und nach der Transplantation von zementrosen Endoprothesen von M ittelm eier und Parhöfer - M ünch untersucht. Es wurde die M ethode der holographischen Interferom etrie angewendet. D ie M odellbelastungen wurden nach dem Pauvels - Schem a realisiert

1. W PR O W A D Z E N IE

Obciążenia przenoszone przez sław biodrowy są jednymi z największych, jakie występują w narządzie ruchu człowieka. W przypadku zadziałania wewnętrznego lub zewnętrznego czynnika patologicznego oraz po implantacji endoprotezy zmianie ulega biomechanika biodra i pozostałych elementów dynamicznych prowadząc do szybkiego postępu zmian zwyrodnieniowo-zniekształcających lub występowania powikłań po endoprotezoplastyce. W prowadzenie przed 25 laty przez Charuleya cem entu kostnego i zastosowanie techniki "pressure-fit" - ciśnieniowego osadzenia kom ponentu endoprotezy w panewce i kości udowej pozwoliło na znaczne zmniejszenie odsetka powikłań. W ostatnich 5 latach w wielu ośrodkach europejskich prowadzone są badania nad poszukiwaniem optymalnych warunków implantowania endoprotezy bezcementowej.

Jedną z m etod oceny pracy stawku biodrowego są badania na biomechanicznych modelach fizycznych z zastosowaniem różnych technik pom iaru przemieszczenia i odkształcenia, np.

interferom etrii holograficznej.

R.Będziński, Sz.Dragan, A.Wall, P.Zydorowicz 2. PR ZEB IEG BADAŃ

Celem pracy była analiza przemieszczeń kości udowej przed i po wszczepieniu trzpienia endoprotezy bezcementowej. Zastosowano m etodę interferom etrii holograficznej, która przy możliwości oceny wizualnej pola deformacji stwarza możliwość analizy ilościowej z dużą dokładnością. Idea metody polega na zarejestrowaniu i odtworzeniu

badana

i kość

R ys.l Schema! ukfadu optycznego F ig.l Schem e o f the optical system

fazow o-am plitudow ego zapisu obrazu b a d a n e g o o b iek tu . S ch em at układu optycznego pokazano na rys.l. Umożliwia on pom iar techniką podwójnej ekspozycji, zastosowaną w doświadczeniu. Polega ona na dwukrotnym zarejestrowaniu hologramu przed i po obciążeniu obiektu. W wyniku interferencji tych dwóch obrazów przy odtwarzaniu interferogram u na tle badanego przedm iotu widoczne są prążki przebiegające przez punkty o jednakowej wartości przemieszczenia w kierunku prostopadłym do płaszczyzny rejestracji. Przemieszczenia te odpowiadają przyrostowi między pierwszą a drugą ekspozycją. Pomiaty przeprowadzono z użyciem zestawu holograficznego i specjalnego układu obciążającego (rys. 2).

Jako źródła światła użyto lasera argonowego o mocy 1,5 W i długości fali k = 514 nm.

Sprzęt ten jest wyposażeniem Laboratorium Badań Naprężeń i Odkształceń M etodami

Rys.3 Schem at działania sil na k oić Fig.3 Schem e o f force operaiion on the bone

om iiunuM j u a u a w tit F i^ 2 Loading set

Badania przemieszczeń kości udowej z en d o p ro tezam i...

Optycznymi Instytutu Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechniki Wrocławskiej. Kość w czasie eksperymentu obciążono na podstawie analizy statycznej wg Pauwelsa [5] (rys.

3), stosując następujące obciążenia wstępne i przyrosty sił. R + M A = 600 N,

A (R + M a ) = 36 N, M x = 100 N, A M T = 4 N, R H = 50 N, A R H = 2 N, gdzie: R - wypadkowa siła obciążająca staw biodrowy, M A - siła mięśni odwodzących (stabilizator miednicy), M T - siła pasm a biodr.- piszczel., R H - wielkość siły rotującej. Przykładowe interferogramy uzyskane w czasie badań przedstawiono na rys. 4a i b. Na podstawie interferogram ów wykonano wykresy przemieszczeń kości w ich osi. Niektóre przedstawiono na rys. 5a, b, c i d. Zakładając, że źródło światła laserowego jest oddalone i wiązka jest wąska i skolimowana, przemieszczenie A w kierunku zgodnym z kierunkiem oświetlenia oblicza się z zależności:

gdzie:

N - num er prążka, X - długość fali światła.

Rys. 4. Interferogram kości: a) prawej, b) lewej z endoprotezą M ittelm eier

Fig. 4. B on e interferogram: a) right bone, b) left b on e with M ittelm eier endoprothesis

R.Będziński, Sz.Dragan, A W all, P.Zydorowicz

Rys. 5. Wykres przemieszczeń kości: a) prawej - obc. bez rotaq'i, b) prawej obc.z rotacją, c) prawej z endoprotezą Parchofer-M iinch, d) lewej z endoprotezą M ittelm eier

Fig. 5. Diagram o f the bone displacem ent, a) right b on e - loading w ithout rotation, b) right b o n e - loading with rotation, c) right bone with Parhofer-M unch endoprothesis, d) left b on e with M ittelm eier

endoproihesis

3. A NALIZA W YNIKÓW BADAŃ

Pierwszym zagadnieniem analizy były deformacje kości bez endoprotez. Stworzyło to warunki wyjściowe do analizy deformacji kości z endoprotezam i. Badania wykazują, iż w kości panuje złożony stan deformacji i na ich rozkłady istotny wpływ m ają rodzaj i charakter przykładanych obciążeń. Stwierdzono istotny wpływ sił M T (pasmo biodrowo-piszczelowe) oraz R H (mięśnie rotacyjne) na deform acje kości udowej. Siły MT powodują zwiększanie sztywności układu, a tym samym mniejsze przemieszczenia główki kości. Siły Rh (ruchy skrętne) wpływają na to, iż deform acje nasady bliższej kości udowej są bardziej złożone. Oprócz przemieszczeń wywołanych zginaniem ze ściskaniem pojawiają się przemieszczenia wywołane ruchami skrętnymi. Następnie analizowano wpływ wszczepienia dwóch różnych endoprotez bezcementowych na deform acje nasady bliższej kości udowej. Badano endoprotezy typu M ittelm eiera oraz Parhofera-M uncha. Obciążano je tak samo jak kości bez endoprotez. Mimo że endoprotezy' różnią się istotnie konstrukcją, długością oraz sztywnością, nie zauważono znaczniejszych różnic w deformacji kości z poszczególnymi endoprotezam i. W badaniach w celu zamodelowania bezcementowego mocowania endoprotezy w kości wprowadzono na styku tych elem entów kauczuk silikonowy z drobnymi wiórkami kostnymi. Pozwoliło to lepiej modelować przerost tkanki kostnej wokół endoprotezy. Wszczepienie endoprotezy powoduje znaczne zwiększenie sztywności nasady bliższej kości udowej. Wyniki badań mają istotne znaczenie

Badania przemieszczeń kości udowej z endoprotezam i ...

w określaniu zasad stosowania i doboru endoprotez stawu biodrowego z punktu widzenia mechaniki, jak również powinny stworzyć podstawy do optymalizacji układu zastępczego (kość-implantat).

L IT E R A T U R A

[1] Będziński R., Siemasz M., Stępniewski Z.: Budowa modeli fizycznych i badania zjawisk biomechaniki w niektórych elem entach anatomicznych człowieka. R aport Inst.Konstr. i Ekspl.Maszyn Politechniki Wrocławskiej, seria Spr.Nr S-109/89, Wrocław 1989.

[2] Będziński R., Jankowski L.: Zastosowanie optycznych metod pomiarów naprężeń i odkształceń w konstruowaniu maszyn. M at.sem. V Szkoły Metodologii Konstruowania Maszyn, Rydzyna 1985.

[3] Będziński R.: Budowa modeli fizycznych elementów kręgosłupa lędźwiowego. Prace IKiEM Politechniki Wrocławskiej. Seria M onografie nr 13, Wrocław 1989.

[4] Pauwels F.: Biomechanics of the Locom otor A pparats. Spring V erlag 1980.

AN IN VESTIGATIONS O F DISPLA CEM EN T O F T H E F E M U R BY MEANS H O L O G R A PH IC IN T E R FE R O M E T R Y M E T H O D

A bstract

The loads carried by the hip joint are among the greatest which occur in the human locomotive organs. In the case of activation by an interior or exterior pathological agent, as well as, after the im plantation of an endoprothesis the biomechanics of the hip, and the remaining dynamic elem ents undergo a change leading to a fast progress of degenerative and deform ative changes or the occurrence of complications after plastic surgery of the endoprothesis.O ne of the methods through which the working o f the hip joint is evaluated are teste carried out onbiomechanical physical models using various techniques o f measuring the displacement and deformation, for example holographic interferom etry. The aim of the work was the analysis of displacement of the thigh bone before and after implanting the non-cement endoprothesis pin. The holographic interferom etry m ethod was applied which with the possibility of visual evaluation of the deform ed area creates potentialities o f highly precise quantitative analysis. The idea, of the m ethod depends upon registering and reproducing the phase-am plitude recording image of the examined object.Theschem e of the optical system is shown in Fig. 1. It allows measuring, by the double exposure technique used in the experiment. The m easurem ents were carried out using aholographicset and specjał loading system (Fig. 2).

During the experim ent the bone was loaded on the basis of the static analysis according to Pauwels [4] (Fig. 3) using initial loading and increase of force. Examples of interferogram s obtained in the course of investigations have been presented in Fig. 4a and b. Basing on the interferogram s diagrams of the displacement of bones in their axes were plotted. Som e of them have bee presented in Fig. 5a, b, c and d. Assuming that the source of laser light is distant and the beam is narrow and scolimated, the displacement

R.Będziński, Sz.Dragan, A. Wall, P.Zydorowicz A in the direction consistent with the direction, of lighting is calculated from the dependence:

2

X - light wave lenght.

The first problem of the analysis were the deformations of bones without endoprotheses.

This created initial conditions for the analysis of deform ations of bones with endoprotheses. Investigations reveal that in the bone there exists a complex state of deformations and that their distribution is essentially influenced by the kind and character of the loads applied. It was ascertained, that the forces M (the hip-tibial strip) and R (rotational muscles) have a considerable influence on the deform ation of the thigh bone.

The forces M \ cause the increase of the system’s stiffness thereby, lower value of the displacement of the capitellum. The forces R (torsional motions) influence the fact that deformations of the base of the nearer hip bone are m ore complex. A part from displacement caused, by bending with compression there ap p ear displacem ent caused by torsial motions. Further, the influence of implanting two different non-cement endoprotheses on the deform ation of the base of the neare hip bone, was analysed.

Endoprotheses of the M itterm eier and Parhofer-M unch types were investigated. They were loaded in the same way as bones without endoprotheses.

Recenzent: Prof. Antoni Jakubowicz Wpłynęło do redakcji w styczniu 1992