Analiza właściwości tłumiących chrząstki w stawie skokowym

• Autorzy: Klekiel T. , Będziński R.

Warianty tytułu

EN

Damping properties of articular cartilage in ankle

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Niniejszy artykuł przedstawia analizę mechanizmu rozpraszania energii przez chrząstkę stawu skokowego człowieka. Wykonano analizę mającą na celu określenie prawdopodobieństwa powstawania urazu powierzchni stawowej pod wpływem obciążenia silnym impulsem. Opracowano model numeryczny stawu uwzględniający kość piszczelową, kość skokową, powierzchnie stawowe oraz więzadła. Sztywność układu uzyskano uwzględniając więzadła w postaci elementów sprężystych. Na podstawie opracowanego modelu, dokonano analizy wpływu zmian właściwości chrząstki i więzadeł na stopień tłumienia energii obciążenia. Wyniki badań numerycznych uwzględniają zarówno zmiany sztywności poszczególnych struktur, jak również zmiany modeli konstytutywnych materiałów użytych w modelu. Wyznaczono zależność pomiędzy strukturą geometryczną chrząstki a jej zdolnością do rozpraszania energii. Na drodze eksperymentów numerycznych wyznaczono warunki, przy których wystąpi uraz powierzchni stawowej.

EN

This article presents an analysis of the energy dissipation in the ankle during impact load. The aim of study was to analyze different material models of cartilage for selected conditions in which the contact of surface is destroyed. The numerical model includes tibia and talus with articular cartilage surfaces and ligaments. Based on the model, the changes in the material properties of cartilage were investigated for research the damping behavior of cartilage under impact load. The damping properties were analyzed based on the reaction force in the support. The differences in the force values were used for comparison of the selected material models. The numerical experiments show mechanism of destruction in the cartilage layer during plastic deformations. This destruction moment was detected by the yield stress of cartilage.

Słowa kluczowe

PL

staw skokowy; chrząstka; naprężenia w chrząstce; kontakt w stawie skokowym; element skończony; nieliniowy model materiału; materiał hipersprężysty

EN

ankle; articular cartilage; stress in cartilage; contact in ankle joint; finite element; nonlinear material model

• Wydawca: Jacek Doskocz
• Czasopismo: Acta Bio-Optica et Informatica Medica. Inżynieria Biomedyczna
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 22, nr 4
• Strony: 198--206
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz.

Twórcy

autor

Klekiel T.

• Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Mechaniczny, Zakład Inżynierii Biomedycznej, 65-419 Zielona Góra, ul. Licealna 9

autor

Będziński R.

• Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Mechaniczny, Zakład Inżynierii Biomedycznej, 65-419 Zielona Góra, ul. Licealna 9

Bibliografia

• [1] V.T. Inman: The joints of the ankle, 2nd ed., Williams & Wilkins, Baltimore 1991, s. 31−74.
• [2] K. Akiyama, T. Sakai, N. Sugimoto, H. Yoshikawa, K. Sugamoto: Three-dimensional distribution of articular cartilage thickness in the elderly talus and calcaneus analyzing the subchondral bone plate density, Osteoarthritis and Cartilage, vol. 20, 2012, s. 296−304.
• [3] W.P. Chen, C.W. Ju, F.T. Tang: Effects of total contact insoles on the plantar stress redistribution: a finite element analysis, Clinical Biomechanics (Bristol, Avon), vol. 18, 2003, s.17−24.
• [4] A. Gefen: Plantar soft tissue loading under the medial metatarsals in the standing diabetic foot, Medical Engineering & Physics, vol. 25(6), 2003, s. 491–499
• [5] A. Gefen: Stress analysis of the standing foot following surgical plantar fascia release, Journal of Biomechanics, vol. 35, 2002, s. 629–637.
• [6] T. Klekiel, R. Będziński: Finite element analysis of large deformation of articular cartilage in upper ankle joint of occupant in military vehicles during explosion, Archives of Metallurgy and Materials, vol. 60(3), 2015, s. 2115−2121.
• [7] J.T. Cheung, M. Zhang, A.K. Leung, Y.B. Fan: Three-dimensional finite element analysis of the foot during standing—a material sensitivity study, Journal of Biomechanics, vol. 38(5), 2005, s. 1045–1054.
• [8] J.M. Garcia-Aznar, J.H. Kuiper, M.J. Gomez-Benito, M. Doblare, J.B. Richardson: Computational simulation of fracture healing: influence of interfragmentary movement on the callus growth, Journal of Biomechanics, vol. 40(7), 2007, s. 1467–1476.
• [9] M.J. Sormaala, M.H. Niva, M.J. Kiuru, V.M. Mattila, H.K. Pihlajamaki: Bone stress injuries of the talus in military recruits, Bone, vol. 39, 2006, s. 199–204.
• [10] M.H. Niva, M.J. Kiuru, R. Haataja, J.A. Ahovuo, H.K. Pihlajamaki: Bone stress injuries of the ankle and foot: an 86-month magnetic resonance imagingbased study of physically active young adults, The American Journal of Sports Medicine , vol. 35, 2007, s. 643–649.
• [11] Y.C. Hsu, Y.W. Gung, S.L. Shih, C.K. Feng, S.H. Wei, CH. Yu, et al: Using an optimization approach to design an insole for lowering plantar fascia stress – a finite element study, Annals of Biomedical Engineering, vol. 36, 2008, s. 1345–1352.
• [12] T.M. Chu, N.P. Reddy: Stress distribution in the ankle-foot orthosis used to correct pathological gait, Journal of Rehabilitation Research & Development , vol. 32, 1995, s. 349−360.
• [13] E.K. Danso, J.T. Honkanen, S. Saarakkala, R.K. Korhonen: Comparison of Nonlinear Mechanical Properties of Bovine Articular Cartilage and Meniscus, Journal of Biomechanics, vol. 47(1), 2014, s. 200–206.
• [14] C. Venturato, G.P. Pavan, A. Forestiero, L.E. Carniel, N.A. Natali: Investigation of the biomechanical behaviour of articular cartilage in hindfoot joints, Acta of Bioengineering and Biomechanics, vol. 16(2), 2014.
• [15] A. Melińska, A. Czamara, Ł. Szuba, R. Będziński: Biomechanical characteristics of the jump down of healthy subjects and patients with knee injuries, Acta of Bioengineering and Biomechanics, 2015, vol. 17(2), s. 111−120.
• [16] S.A. Goldstein, D.L. Wilson, L.S. Matthews: The mechanical properties of human tibial trabecular bone as a function of metaphyseal location, .I. Biomechanm, vol. 16(2), 1983, s. 965−969.
• [17] A.H. Hogan, P.S. Ruhmann, W.H. Sampson: The Mechanical Properties of Cancellous Bone in the Proximal Tibia of Ovariectomized Rats, Journal of Bone and Mineral Research, vol. 15(2), 2000.
• [18] L. Cristofolini, M. Viceconti: Mechanical Validation Of Whole Bone Composite Tibia Models, Journal of Biomechanics, vol. 33, 2000, s. 279.
• [19] C.D. Untaroiu, N. Yue, J. Shin: A Finite Element Model of the Lower Limb for Simulating Automotive Impacts, Annals of Biomedical Engineering, vol. 41, 2013.
• [20] J. Shin, N. Yue, C.D. Untaroiu: A Finite Element Model of the Foot and Ankle for Automotive Impact Applications, Annals of Biomedical Engineering, vol. 40(12), 2012, s. 2519–2531.
• [21] P. Begeman, K. Aekbote: Axial load strength and some ligament properties of the ankle joint, Proceedings of the Injury Prevention through Biomechanics Symposium, 1996, s. 123−135.
• [22] O.H. Yeoh: Some forms of the strain energy function for rubber, Rubber Chemistry and technology, vol. 66(5), 1993, s. 754−771.
• [23] K.D. Butz, D. Chan, E.A. Nauman, C. Neu: Stress distributions and material properties determined in articular cartilage from MRI-based finite strains, Journal of Biomechanics, vol. 44, 2011, s. 2667–2672.
• [24] E.K. Robinson, J.T. Honkanen, S. Saarakkala, R.K. Korhonen: Mechanical properties of normal and osteoarthritic human articular cartilage, Journal of the mechanical behavior of biomedical materials, vol. 61, 2016, s. 96–109.
• [25] T. Klekiel: Biomechanical analysis of lower limb of soldiers in vehicle under high dynamic load from blast event, Series on Biomechanics, 2015, vol. 29(2-3), s. 14−30.
• [26] N. Yoganandan, F. Pintar, M. Boynton, P. Begeman, P. Prasad, S.M. Kuppa, Morgan, R.M. Eppinger: Dynamic Axial Tolerance of the Human Foot-Ankle Complex, Society of Automotive Engineers, Paper 962426, Warrendale 1996.
• [27] N. Yoganandan, B.D. Stemper, F.A. Pintar, D.J. Maiman, B.J. McEntire, V.C. Chancey: Cervical spine injury biomechanics: Applications for under body blast loadings in military environments, Clinical Biomechanics, vol. 28, 2013, s. 602–609.
• [28] J.E. Bischof, Ch. E Spritzer, A.M. Caputo, M.E. Easley, J.K. De Orio, J.A. Nunley, L.E. De Frate: In vivo cartilage contact strains in patients with lateral ankle instability, Journal of Biomechanics, vol. 43, 2010, s. 2561–2566.
• [29] K. Gallenberger, N.B. Yoganandan, F.P. Pintar: Biomechanics of foot/ankle trauma with variable energy impacts, Annals of Advances in Automotive Medicine, vol. 57, 2013.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).