Numerical description of working parameters for human elliptical hip joint

• Autorzy: Czajkowski, A.A.

Warianty tytułu

PL

Opis numeryczny parametrów pracy dla eliptycznego stawu biodrowego człowieka

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In 1971 Cathcart proposed the use of an elliptical head for the femoral endoprosthesis, based on his anatomical and clinical studies, which have proved that the normal femoral head is elliptical and not spherical. It was decided to use the an elliptical head of endoprosthesis because it improves the lubrication of acetabular cartilage and better distributes the loads. The numerical analysis of pressure, carrying capacity and compressive stresses are presented in this paper. It is taken into account the synovial unsymmetrical and stationary fluid flow in human elliptical hip joint. The paper shows the particular Reynolds equation for pressure distribution in hydrodynamic lubrication problem for human elliptical hip joint.

PL

Z wieloletnich badań i obserwacji klinicznych wynika, że głowa stawu biodrowego człowieka ma raczej kształt elipsoidalny niż sferyczny. Fakt ten uzasadnia stosowanie endoprotez tego stawu o zarysie głowy elipsoidalnym, jednak pod warunkiem zachowania własnej panewki (acetabulum). Stosowanie takich protez rozpoczął Cathcart już w 1971 roku(8|-(10]. W pracy zostały obliczone parametry pracy stawu biodrowego człowieka o eliptycznym zarysie współpracujących powierzchni. W modelu analitycznym przyjęto izotermiczny, stacjonarny i osiowo-niesymetryczny przepływ cieczy synowialnej o nienewtonowskich własnościach. Po oszacowaniu równań podstawowych otrzymano uproszczony układ równań różniczkowych cząstkowych, z którego uzyskano równanie Reynoidsa wyznaczające ciśnienie. Równanie to zostało rozwiązane numerycznie. W hydrodynamicznym problemie smarowania stawu biodrowego wyznaczono wartość maksymalna ciśnienia, wartość naprężenia, wartość siły nośnej. Dla stawu normalnego przy parametrach: a = 2,5 cm i 2,550 < b < 2,625 cm, omega= 0,75 1/s, eta= 0,2 Pa • s, epsilon min = 3 žm uzyskano wartość ciśnienia od 2,026 • 1000000 do 1,998 • 1000000 Pa, siły nośnej - od 916 do 945 N, naprężeń - od 49,1759 do 48,7918 N/cm2 przy powierzchni od 18,627 do 19,368 cm2. Natomiast dla stawu chorego (osteoartrotycznego) przy parametrach: a = 2,4 cm i 2,448 < b < 2,520 cm, omega = 0,25 1/s, eta = 0,25 Pa • s, epsilon min = 1 žm uzyskano wartość ciśnienia od 1,504 • 1000000 do 1,433 • 1000000 Pa, siły nośnej - od 436 do 443 N, naprężeń - od 25,3975 do 24,8193 N/cm2 przy powierzchni od 17,167 do 17,849 cm2. Wyniki te mogą przyczynić się do lepszej diagnostyki i terapii ortopedycznej ludzkiego stawu biodrowego oraz jego protez.

Słowa kluczowe

PL

smarowanie; eliptyczny staw biodrowy człowieka; parametry pracy

EN

lubrication; human elliptical hip joint; working parameters

• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2003
• Tom: nr 5
• Strony: 435-445
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys.

Twórcy

autor

Czajkowski, A.A.

• University of Szczecin, Mathematical and Physical Department, Institute of Mathematics, Wielkopolska 15, 70-451 Szczecin
• [e-mail]

Bibliografia

• 1. Czajkowski AA.: Distribution of pressure values in the human hip joint with femoral elliptical head bone and its smali peripherial velocities. Pro¬ceedings of The XL symposium „Modelling in Mechanics", Wisła--Gliwice, 2001, pp. 19-24.
• 2. Czajkowski A.A.: Numerical calculations of capacity and compressive stress and in human elliptical endoprosthesis. Tribologia, 2002, No. 5(185), pp.1353-1366.
• 3. Czajkowski A.A.: Numerical calculations of capacity, compressive stress and pressure in human elliptical hip joint. Scientific Papers of the Institute of Machinę Design and Operation of the Wrocław University of Technology, No. 87, Conference No. 27, Wrocław, 2002, pp. 53-60.
• 4. Dowson D.: Biotribology of natural and replacement synovial joints. In: Van Mow C, Ratcliffe A., Woo S.L-Y.: Biomechanics of diarthrodinal joint. Springer-Verlag, NY, Berlin, London, Paris, Tokyo, 1990, Vol. 2, Chap. 29, pp. 305-245.
• 5. Dowson D.: Basic Tribology, in: An Introduction to the biomechanics of joints and joint replacement. D. Dowson and V. Wright. MEP, London 1981, pp. 49-60.
• 6. Mow V.C: The role of lubrication in biomechanical joints. Journal Lub. Tech. Trans. ASME 91, 1969, pp. 320-329.
• 7. Mow V.C, Ratcliffe A., Woo S.: Biomechanics of diarthrodial joints. Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 1990.
• 8. Pipino F., Molfetta L.: The Cathcart elliptical orthocentric endoprosthesis. A long-term clinical and radiographic study. Italian Journal of Orthopaedics and Traumatology, 1989 March, No. 15(1), pp. 5-14.
• 9. Pipino F., Molfetta L.: The elliptical femoral prosthesis. Hip International, 1991, No. l,pp. 39^14.
• 10. Wierzcholski K.: Numerical view of pressure, capacity and compressive stress in human hip joint gap. Tribologia, 2002, No. 2(182), pp. 765-777.
• 11. Wierzcholski K.: Numerical values of pressure and capacity for unsteady lubrication of human hip joint. Tribologia, 2002, No. 4(184), pp. 1321— -1329.
• 12. Wierzcholski K.: Capacity force for synovial unsymmetrical flow in human hip joint with changeable gap. Exploitation Problems of Machines. Polish Academy of Sciences. Vol. 37, z. 3(131), 2002, pp. 169-180.