PRELUDIUM 14

Tytuł:  Opracowanie modeli MES do analizy biomechanicznej stopy ze zniekształceniem koślawym palucha (hallux valgus) podczas chodu

Kierownik grantu:  mgr. Zhang Yan

Opiekun naukowy:  prof. dr hab inż. Jan Awrejcewicz

Nr decyzji:  2017/27/N/ST8/00148

Okres realizacji:  2018-10-22 – 2019-10-21

Przyznane środki:  69 945 PLN

Streszczenie: https://www.ncn.gov.pl/sites/default/files/listy-rankingowe/2017-09-15/streszczenia/394056-pl.pdf

Plan badań:

  1. Analiza kinematyczna i kinetyczna kończyny dolnej podczas chodu.
  2. Obliczenie sił mięśni kończyny dolnej podczas fazy podparcia.

  3. Pozyskanie obrazów medycznych oraz opracowanie modeli MES.

  4. Porównanie wartości ciśnienia podeszwowego oraz stopnia opadania kości łódkowatej (ang. navicular drop) dla wyników otrzymanych w pomiarach eksperymentalnych oraz symulacjach numerycznych.

  5. Analiza MES symulująca fazę podporu.

  6. Eksport otrzymanych wyników symulacji oraz analiza danych.

Podsumowanie grantu:

W ramach projektu opracowano narzędzie obliczeniowe do przewidywania ryzyka wystąpienia urazów i ogólnej oceny wydajności biomechanicznego funkcjonowania stopy ze zniekształceniem koślawym palucha (hallux valgus, HV). Opracowano trzy trójwymiarowe modele stóp, w tym model stopy normalnej, stopy z lekkim HV oraz ze znacznym HV (typowym dla tzw. stopy skrępowanej u Chinek). Obrazy tomografii komputerowej (w projekcji czołowej) poddano segmentacji, która umożliwiła odróżnienie kości od tkanek miękkich. Do symulacji więzadeł i powięzi podeszwy zastosowano elementy łączące, które mają zdolność wyłącznie do rozciągania. Geometria kości i tkanek miękkich została zrekonstruowana poprzez podzielenie struktury anatomicznej stopy na mniejsze części, anastępnie nałożenie na każdą z nich siatki złożonej z sześciobocznych elementów. Zbadano wrażliwość siatki, aby zapewnić dokładność i poprawnośćmodelu oraz optymalne wymagania dotyczące zasobów obliczeniowych.

Zbadano wpływ zniekształcenia koślawego palucha (HV) oraz nałożonych więzów na biomechanikę stopy. Oddziaływanie między powierzchnią podeszwy stopy a podłożem zostało zasymulowane jako zagadnienie kontaktowe z udziałem tarcia. Podczas modelowania tylnej części kości piętowej zastosowano pięć składowych wektora siły ścięgna Achillesa. Siły mięśni zostały oszacowane na podstawie sygnału elektromiografii i pola przekroju mięśni. Zaokres fazy lądowania przyjęto 0,1s mierzonej od połowy masy ciała do dwukrotności masy ciała. Wszystkie elementy kostne oraz więzadła zostały osadzone wewnątrz tkanki miękkiej przy użyciu funkcji tzw. regionu osadzonego (Embedded Region). Jako warunki brzegowe do kontroli procesu lądowania na stopie, na górnych powierzchniach kości piszczelowej, strzałkowej i tkanki miękkiej zastosowano przemieszczenia otrzymane z eksperymentów kinematycznych. Na podstawie danych zebranych w czasie badań chodu przyjęto także początkowy kąt między podeszwą stopy a podłożem (wyniósł on 5°). Modele MES (metody elementów skończonych) zostały zwalidowane poprzez porównanie rozkładu ciśnienia podeszwowego, ciśnienia szczytowego i obniżenia kości łódkowatej uzyskanych na drodze obliczeńw oprogramowaniu MES i pomiaru z wykorzystaniem nowatorskiej platformy dynamometrycznej dla przypadku pozycji stojącej. Badania te przeprowadzono dla tego samego ochotnika, który był również badany przy użyciu tomografii komputerowej.

Wyniki uzyskane w projekcie wskazują, że dynamiczny model MES stopy może być wykorzystany do realistycznego symulowania dynamiki ludzkiej stopy i może przyczynić się do lepszego zrozumienia strukturalnej dynamiki układu mięśniowo-szkieletowego stopy podczas jej normalnego, a nawet patologicznego funkcjonowania. Rezultaty niniejszego projektu mogą także przyczynić się do zrozumienia mechanizmów leżących u podstaw strukturalnych problemów mechanicznych i nieprawidłowego wzorca chodu w przypadku stóp ze zniekształceniem koślawym palucha. Mogą one również w przyszłości (po rozszerzeniu dotrójwymiarowego, dynamicznego, napędzanego w pełni mięśniami modelu ze szczegółową reprezentacją wszystkich głównych struktur anatomicznych) stanowić użyteczne narzędzie do badania dynamiki strukturalnej układu mięśniowo-szkieletowego ludzkiej stopy podczas analizy stanów dynamicznych normalnych i patologicznych.

Artykuły: