Emberi inak, ínszalagok numerikus modellezése
Az emberi ízületek megfelelő működésében mind az inak, mind az ínszalagok különösen fontos szerepet játszanak. Az előbbiek legfőbb feladata az izmok által generált erők továbbítása a csontok felé, míg az utóbbiak az ízületek stabilitásáért felelnek. Abban az esetben, ha ezek a szalagok különböző sérüléseket szenvednek, nem csak a sporttevékenységek, hanem a mindennapi élet is sokkal nehezebbé, fájdalmasabbá válhat. Sajnos ez a jelenség viszonylag gyakori a mai világban, ezért mind orvosi, mind a biomechanikai vizsgálatuk nélkülözhetetlen a sikeres helyreállításukhoz.
Dolgozatomban első lépésként áttekintem az inak és ínszalagok funkcióját, szerkezeti felépítését, majd a mechanikai tulajdonságaikat, melyeket az átlagos mérnöki szerkezeti anyagokéhoz képest jóval összetettebb viselkedés jellemez. Ezek a lágyszövetek egyszerre mutatnak anizotrop, inhomogén, nemlineárisan rugalmas/viszkoelasztikus viselkedést. Jelen munkában a térdízületet vizsgálom, mely az emberi test legnagyobb és legbonyolultabb ízülete. Mindennapi életünk során igen nagy terheknek van kitéve, így ez az egyik leggyakrabban sérülő ízületünk. A fizikailag aktív populációban évente nagyjából minden 1000 emberből kettő szenved valamilyen térdsérülést.
Az ízület komplexitásából fakadóan még jelenleg is sok a nyitott kérdés, feltáratlan terület. A pontos mechanikai viselkedés modellezéséhez nem elegendő a leggyakrabban használt lineárisan rugalmas anyagmodell használata, ennél egy komplexebb modell szükséges. Az inak, ínszalagok szálas felépítésűek, továbbá terheletlen állapotban ezek a szálak ernyedtek, irányuk nem egységes, teljesen szabálytalan. A terhelés növelésével viszont fokozatosan, egymás után kiegyenesednek, és részt vesznek a teherviselésben. Erre a bonyolult folyamatra nincs pontos matematikai leírás, többnyire csak egyszerűsített, kísérleti eredményeken alapuló tapasztalati egyenletek léteznek. A gyakorlatban legtöbbször hiperelasztikus anyagmodelleket alkalmaznak, melyek előállításához, paraméterezéséhez általában különféle laboratóriumi kísérleti eredményeket használnak. Lehetőségem nyílt részt venni a BME Biomechanikai Laboratóriumában egy inakkal foglalkozó kísérletsorozatban, ahol a mechanikai viselkedést egy univerzális szakítógép segítségével vizsgálták. Ezen eredményeket felhasználva állítom elő az ebben a munkában alkalmazott hiperelasztikus anyagmodelleket.
Ennek felhasználásával elkészítettem az egyik ín paraméteres végeselemes modelljét, és a különféle anyagmodell-variánsok figyelembevételével elvégeztem a szükséges numerikus szimulációkat, végül a kapott eredményeket összehasonlítottam a kísérleti eredményekkel.
szerző
-
Szakály Ferenc
szerkezet-építőmérnök
nappali
