دانشگاه صنعتی امیرکبیر
(پلی تکنیک تهران)
دانشكده مهندسی پزشکی
پایان‌نامه کارشناسی ارشد
گرایش بیومکانیک
عنوان
طراحی و تحلیل سیستم تثبیت جناغ سینه
نگارش
استاد راهنما
دکتر سید عطا ا… هاشمی دکتر نبی ا… ابوالفتحی
بهمن‌ماه 1393
برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
چكیده
امروزه جراحی قلب باز به یک عمل کاملاً رایج در سراسر جهان تبدیل‌شده است. بیش از نیم‌قرن، سیم‌های فولادی برای بستن قفسه سینه، مورداستفاده قرار می‌گرفتند. اکنون روشهای تثبیت به‌طور چشمگیری تغییر کرده است. با بررسی روشهای رایج بستن جناغ و با توجه پارامترهای مهم در طراحی این سیستم‌ها، مشخص شد که سیستم زیپفیکس، بیشتر موردتوجه جراحان بوده و از مزایای بیشتری بهره برده است. سیستم زیپفیکس منحصراً از PEEK ساخته‌شده است. هزینهی سیستم زیپفیکس، در حدود 5 تا 8 برابر هزینهی سیم‌های معمولی است. با توجه به گران بودن ماده PEEK و اینکه واردات این ماده به کشور، تحریم میباشد، در این پژوهش سعی بر آن شده است که یک روش جایگزین و مقرون به صرفه برای بستن جناغ ارائه گردد. بدین منظور با استفاده از مدل‌سازی المان محدود، به بررسی و تحلیل بیومکانیکی روش زیپفیکس با دو ماده متفاوت و همچنین هندسه جدید، پرداخته شده است. بر اساس پژوهشهای انجام‌شده، یکی از بهترین موادی که می‌تواند جایگزین ماده پیک گردد، UHMWPE میباشد. از تصاویر سی‌تی‌اسکن برای ایجاد مدل سه‌بعدی جناغ استفاده شد. برای مدل‌سازی دو مرحله در نظر گرفته شد. در مرحله اول نحوه بستن زیپفیکس با اعمال جابجایی به دو انتهای زیپفیکس مدل‌سازی شد و نیروی بستن زیپفیکس ها تقریباً برابر با N 200 بود. در مرحله دوم با اعمال نیروی کشش برابر با N14700، نیروی سرفه مدل‌سازی گردید. با توجه به نتایج مشخص شد که UHMWPE، جایگزین بسیار مناسبی برای PEEK در ساخت سیستم زیپفیکس خواهد بود که بسیار ارزانتر بوده که با توجه به هندسه جدید، از نظر اندازه مشکلی نداشته و به‌راحتی در داخل کشور، قابل‌تولید خواهد بود.
واژه‌های کلیدی:
استرنوتومی، تثبیت جناغ، سیستم ZipFix، پلی اتر اتر کتون، پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار سنگین، المان محدود
| فهرست عناوین | صفحه |
1 فصل اول مقدمه. 1
1.1 تثبیت جناغ سینه. 2
1.2 هدف پژوهش….. 5
1.3 خلاصه فصل‌های بعدی… 5
2 فصل دوم جراحی قفسه سینه. 6
2.1 آمار جراحی قلب باز. 7
2.2 آناتومی قفسه سینه. 8
2.2.1 قفسه سینه. 8
2.2.2 دنده‌ها 9
2.2.3 مهره‌های شرکت‌کننده در ساختمان قفسه سینه. 10
2.2.4 جناغ سینه. 11
2.2.5 عضلات سینه. 11
2.2.6 پرده دیافراگم.. 13
2.2.7 چگونگی حرکت دنده‌ها در حین تنفس…. 14
2.2.8 تغییر شکل قفسه سینه. 14
2.3 آناتومی جناغ سینه. 15
2.3.1 ساختار و عملکرد. 15
2.3.2 پوکی استخوان.. 18
2.3.3 چالشهای وابسته به آناتومی و فیزیولوژی مرتبط با تثبیت جناغ. 18
2.4 استرنوتومی… 19
2.5 نحوه بارگذاری جناغ.. 20
3 فصل سوم روشهای بستن و تثبیت جناغ سینه. 22
3.1 تثبیت غیر سفت… 23
3.1.1 تثبیت باسیم.. 23
3.2 تثبیت سفت و سخت… 25
3.2.1 سیستم بستن سریع جناغ تالن.. 26
3.2.2 سیستم پیچ و پلاک… 26
3.2.2.1 سیستم پیچ و پلاک ضدلق بودن.. 32
3.2.2.2 طرح میکروتثبیت کننده بایومت… 32
3.2.2.3 سیستم پلاک ویالپی فوت گروه اسمیت و نفیو. 33
3.2.2.4 سیستم تیاس قفل رزوهای کیالاس مارتین.. 34
3.2.2.5 سیستم قفل سریع سینتز سیاسالپی.. 35
3.2.3 سیستم تثبیت کننده زیپفیکس…. 36
3.3 جمع‌بندی… 40
4 فصل چهارم شبیه‌سازی بستن و تثبیت جناغ سینه. 44
4.1 مدل المان محدود. 45
4.1.1 الگوریتم حل مسئله. 45
4.1.2 هندسهی مدل.. 47
4.1.2.1 مدل‌سازی قفسه سینه. 48
4.1.2.2 مدل‌سازی زیپ فیکس…. 58
4.1.2.3 مونتاژ مدل سه‌بعدی.. 61
4.1.3 خواص مواد ورودی نرم افزار. 62
4.1.4 مراحل شبیه‌سازی… 62
4.1.5 شرایط تقابل.. 63
4.1.6 نیرو و شرایط مرزی… 63
4.1.7 مش بندی… 65
5 فصل پنجم نتایج و بحث.. 67
5.1 نتایج مدل‌سازی… 68
5.1.1 نتایج مرحله اول مدل‌سازی؛ بسته شدن زیپ فیکس ها 68
5.1.2 نتایج مرحله دوم مدل‌سازی؛ اعمال نیروی فیزیولوژیکی.. 75
5.2 بحث و نتیجه گیری… 85
5.2.1 مرحله اول؛ بسته شدن زیپفیکس ها 85
5.2.2 مرحله دوم؛ اعمال نیروی فیزیولوژیک…. 87
6 فصل ششم جمع‌بندی و پیشنهاد‌ها 90
منابع و مراجع. 95
| فهرست اشكال | صفحه |
شكل 1.1 روش های تثبیت جناغ سینه[6]. 4
شكل 2.1 قفسه سینه انسان[9]. 8
شكل 2.2 تصویر سینه، عکس‌برداری شده با پرتو ایکس[10]. 9
شكل 2.3 دنده های قفسه سینهی انسان[11]. 10
شكل 2.4 عضلات سینه انسان[12]. 12
شكل 2.5 محل قرارگیری دیافراگم[13]. 13
شكل 2.6 آناتومی جناغ سینه[6]. 15
شكل 2.7 تفاوت ساختار و نوع بافت جناغ را در مقطع عرضی[12]. 17
شكل 2.8 حجمها و ظرفیتهای ریوی[12]. 18
شكل 2.9 انواع بارگذاری جناغ[12]. 20
شكل 3.1 تثبیت جناغ با سیم[28, 29]. 24
شكل 3.2 نتایج بارگذاری چرخه ای در سیستم تثبیت با سیم و سیستم پیچ و پلاک[23]. 25
شكل 3.3 سیستم سریع تالن[31]. 26
شكل 3.4 بستن جناغ سینه با استفاده ار سیستم پیچ و پلاک[33]. 27
شكل 3.5 پیچ‌های کورتیکال.. 29
شكل 3.6 پیچ کنسلوس نیم رزوه[36]. 29
شكل 3.7 پیچ کورتیکال دارای Self tap [37]. 30
شكل 3.8 پلاک ساده[30]. 30
شكل 3.9 پلاک H (چپ) و پلاک X (راست)[5, 30]. 31
شكل 3.10 طرح میکروتثبیت کننده بایومت[29]. 33
شكل 3.11 سیستم پلاک وی ال پی فوت گروه اسمیت و نفیو[39]. 34
شكل 3.12 سیستم تیاس قفل رزوهای کی ال اس مارتین[40]. 35
شكل 3.13 سیستم قفل سریع سینتز سی اس ال پی[41]. 36
شكل 3.14 سیستم تثبیت کننده جناغ زیپ فیکس[42]. 37
شكل 3.15 سیستم زیپ فیکس به همراه دستگاه اعمال نیرو[43] الف: نحوه بریدن قسمت اضافی زیپ فیکس ب: نحوه اعمال نیروی 200 نیوتونی توسط دستگاه. 37
شكل 3.16 نتایج مقایسه استحکام خستگی برای سیستم زیپ فیکس و روش سیم[43]. 39
شكل 3.17 نتایج مقایسه برش استخوان برای سیستم زیپ فیکس و روش سیم[43]. 39
شكل 4.1 مدل کلی المان محدود برای جناغ سینه، الف: مدل کلی تثبیت با ورق و پیچ[49]، ب: مدل کلی تثبیت با سیم[50]. 46
شكل 4.2 مدل محلی المان محدود برای تثبیت با ورق و پیچ شامل سه لایه استخوان و خواص هرکدام از اجزا[49]. 46
شكل 4.3 ایجاد مدل هندسی با استفاده از تصویربرداری سه‌بعدی با کمک نرم‌افزار Mimics [51]. 48
شكل 4.4 ورود تصاویر به نرم‌افزار Mimics و تعیین موقعیت‌های شش‌گانه برای جهت‌گیری صحیح مدل.. 49
شكل 4.5 استفاده از ابزار Thresholding و ایجاد Mask.. 50
شكل 4.6 ایجاد مدل سه‌بعدی اولیه و مشاهده قسمت‌های اضافی مدل.. 51
شكل 4.7 حذف بخش‌های زائد مدل با استفاده از ابزارهای اصلاحی دوبعدی… 51
شكل 4.8 حذف بخش‌های زائد مدل که در شکل 5 نمایش داده‌شده‌اند.. 52
شكل 4.9 حذف بخش‌های زائد در نماهای دوبعدی و تأثیر آن بر مدل سه‌بعدی… 52
شكل 4.10 حذف بخش‌های زائد در نماهای دوبعدی و تأثیر آن بر مدل سه‌بعدی… 53
شكل 4.11 اصلاح مدل با استفاده از ابزارهای سه‌بعدی… 53
شكل 4.12 استفاده از ابزار Boolean Operations به‌منظور ایجاد مدل جناغ و غضروف‌ها از مدل اولیه. 54
شكل 4.13 آماده‌سازی نهایی سه بخش مدل شامل دنده‌ها، غضروف و جناغ.. 54
شكل 4.14 فرمت‌هایی که امکان استفاده از آن‌ها برای ادامه مراحل مدل‌سازی وجود داشت… 55
شكل 4.15 مختصات نقاط در فایل خروجی ابر نقاط… 56
شكل 4.16 ایجاد مش سطحی با استفاده از ابر نقاط… 56
شكل 4.17 مدل مونتاژ شده، شامل تمام قسمت های مدل قفسه سینه. 57
شكل 4.18 مدل نهایی جناغ برای وارد کردن در نرم افزار المان محدود. 58
شكل 4.19 A : مدل واقعی زیپ فیکس B : نحوه قرارگیری زیپ فیکس بر روی جناغ سینه پس از جراحی[42]. 59
شكل 4.20 نحوه ساده سازی برای انتخاب مدل المان محدود زیپ فیکس (از چپ به راست) 60
شكل 4.21 هندسه زیپ فیکس برای ماده پلی اتیلن، الف: ارتفاع 3 میلیمتر(UHMWPE) ب: ارتفاع 1.2 میلیمتر (UHMWPE-New Design) 60
شكل 4.22 مدل نهایی مونتاژ شده برای وارد کردن در نرم افزار المان محدود. 61
شكل 4.23 شرایط مرزی مرحله بستن زیپ فیکس ها 64
شكل 4.24 شرایط مرزی مرحله اعمال نیروی فیزیولوژیکی مانند سرفه. 65
شكل 4.25 نمودار بررسی استقلال شبکه مش بندی… 66
شكل 5.1 نمودار نیرو-جابجایی برای زیپ فیکس ها در طرح پیک در مرحله بسته شدن.. 69
شكل 5.2 نمودار نیرو-جابجایی برای زیپ فیکس ها در طرح پلی‌اتیلن در مرحله بسته شدن.. 69
شكل 5.3 نمودار نیرو-جابجایی برای زیپ فیکس ها در طرح پلی‌اتیلن با طراحی جدید در مرحله بسته شدن.. 70
شكل 5.4 تنش وان میسس زیپ فیکس ها در مرحله بستن زیپ فیکس ها، 1- طرح پیک، 2- طرح پلی اتیلن، 3- طرح پلی اتیلن با طراحی جدید.. 71
شكل 5.5 تنش وان میسس جناغ در مرحله بستن زیپ فیکس ها، 1- طرح پیک، 2- طرح پلی اتیلن، 3- طرح پلی اتیلن با طراحی جدید.. 72
شكل 5.6 کرنش اصلی ماکزیمم زیپ فیکس ها در مرحله 1، 1- طرح پیک، 2- طرح پلی اتیلن، 3- طرح پلی اتیلن با طراحی جدید.. 73
شكل 5.7 تنش فشاری تماسی ( بر حسب MPa) ایجاد شده در سطح تماس دونیمه جناغ در مرحله بستن زیپ فیکس ها، 1- طرح پیک، 2- طرح پلی اتیلن، 3- طرح پلی اتیلن با طراحی جدید.. 74
شكل 5.8 سه ناحیه در نظر گرفته‌شده برای بررسی فاصله ایجاد شده بین دونیمه جناغ.. 76
شكل 5.9 نمودار نیرو بر اساس فاصله ایجاد شده در مرحله اعمال نیروی کشش در طرح پیک…. 77
شكل 5.10 نمودار نیرو بر اساس فاصله ایجاد شده در مرحله اعمال نیروی کشش در طرح پلی‌اتیلن… 77
شكل 5.11 نمودار نیرو بر اساس فاصله ایجاد شده در مرحله اعمال نیروی کشش برای طرح پلی‌اتیلن با طراحی جدید.. 78
شكل 5.12 تنش وان میسس زیپفیکس ها در مرحله اعمال نیروی فیزیولوژیک، 1- طرح پیک، 2- طرح پلی اتیلن، 3- طرح پلی اتیلن با طراحی جدید.. 79
شكل 5.13 تنش وان میسس جناغ در مرحله اعمال نیروی فیزیولوژیک ، 1- طرح پیک، 2- طرح پلی اتیلن، 3- طرح پلی اتیلن با طراحی جدید.. 80
شكل 5.14 کرنش اصلی ماکزیمم زیپ فیکس ها در مرحله اعمال نیروی فیزیولوژیک ، 1- طرح پیک، 2- طرح پلی اتیلن، 3- طرح پلی اتیلن با طراحی جدید.. 81
شكل 5.15 تنش فشاری تماسی ( بر حسب MPa) ایجاد شده در سطح تماس دونیمه جناغ برای طرح پیک در مرحله اعمال نیروی کشش، (1: نیروی N 367 ، 2: نیروی N 735 ، 3: نیروی N 872 ، 4: نیروی N 14700) 82
شكل 5.16 تنش فشاری تماسی ( بر حسب MPa) ایجاد شده در سطح تماس دونیمه جناغ برای طرح پلی‌اتیلن در مرحله اعمال نیروی کشش 1: نیروی N 367 2: نیروی N 735 3: نیروی N 872 4: نیروی N 14700.. 83
شكل 5.17 تنش فشاری تماسی ( بر حسب MPa) ایجاد شده در سطح تماس دونیمه جناغ برای طرح جدید در مرحله اعمال نیروی کشش 1: نیروی N 367 2: نیروی N 735 3: نیروی N 872 4: نیروی N 14700.. 84
شكل 5.18 بیشینه تنش وان میسس جناغ (MPa) در مرحله بستن زیپ فیکس….. 86
شكل 5.19 بیشینه تنش وان میسس جناغ (MPa) در مرحله اعمال نیروی فیزیولوژیک…. 87
شكل 5.20 فاصله ایجاد شده بین دونیمه جناغ در مرحله اعمال نیروی کشش N 14700.. 88
شكل 5.21 نمودار میانگین فاصله ایجاد شده بین دونیمه جناغ بر اساس نیروی وارد شده در مرحله دوم. 89
| فهرست جداول | صفحه |
جدول 4.1 موقعیت‌های شش‌گانه برای جهت‌گیری صحیح مدل.. 49
جدول 4.2 خواص مواد در نطر گرفته‌شده برای مدل‌سازی زیپ فیکس….. 62
جدول 4.3 مقدار جابجایی دو انتهای زیپ فیکس ها برای اعمال نیروی تقریباً 200 نیوتونی برای هر زیپ فیکس در مرحله 1.. 64
جدول 5.1 نتایج به‌دست‌آمده در مرحله بستن زیپ فیکس ها 86
جدول 5.2 نتایج به‌دست‌آمده در مرحله اعمال نیروی کشش N 14700.. 88
1
فصل اول
مقدمه
مقدمه
امروزه جراحی قلب باز به یک عمل کاملاً رایج در سراسر جهان تبدیل‌شده است. در سال 1985 میلادی کمتر از 300000 عمل جراحی قلب باز تکمیل‌شده است. در سال 2007 میلادی انجمن قلب آمریکا تعداد جراحی قلب باز را حدود 68414700 مورد برآورد کرده است. انجمن قلب آمریکا از تاریخ یک فوریه تا 30 دسامبر سال 2011 میلادی تعداد افراد بزرگ‌سال آمریکایی که به یک یا چند بیماری قلبی دچار هستند را حدود 821470000 نفر برآورد کرده است که در مدت 20 سال به‌طور چشمگیری افزایش‌یافته است. تقریباً 3.9 میلیون دفعات این جراحی‌ها برای مردان و 2.9 میلیون آن برای زنان انجام‌شده است. هزینه مستقیم و غیرمستقیم این بیماری بیش از 286.6 بیلیون دلار محاسبه‌شده است[1].
1.1 تثبیت جناغ سینه[1]
در آغاز هر عمل جراحی قلب باز به‌منظور دستیابی به قلب، استخوان جناغ سینه[2] به دونیمه تقسیم میشود. این عمل به‌عنوان استرنوتومی[3] شناخته‌شده است. این تکنیک برای اکثریت قریب به‌اتفاق اعمال جراحی داخل قفسه سینه ضروری است. پس از اتمام عمل جراحی، جناغ دوباره باید به کمک دستگاه یا سیستم تثبیت استرنوم، تنظیم، محکم و ایمن شود.
تقریباً در 98% مواقع این روش موفق است، اما در 2% باقی‌مانده عوارض بعد از عمل رخ میدهد[2]. معمولاً این به علت تراکم و یکپارچگی کم‌استخوان ناشی از پوکی استخوان به‌خصوص در افراد مسن میباشد. این پوکی استخوان باعث میشود که استخوان جناغ در نقاط تثبیت شل شود و لقی پیدا کند. یکی از عوارض مرتبط با این بیماری مدیاستنیت[4] یا عفونت استخوان جناغ است که میزان مرگ‌ومیری بالای 15% دارد[3]، که این وضعیت به‌صورت مستقیم به پوکی استخوان مرتبط است. ایجاد یک سیستم بهینه سفت، محکم و مناسب برای بهبود استخوان جناغ که دارای پوکی استخوان است لازم و ضروری میباشد.
جدایی دونیمه جناغ همراه با بخیههایشان و پارگی یا باز شدن زخم یکی دیگر از عوارض بعد جراحی قفسه سینه میباشد. مطالعات نشان داده‌اند که زخم جناغ در 8% تمام این جراحی‌ها بازشده که به علت محدودیت در نحوه تثبیتشان بوده است. میزان مرگ‌ومیر برای این بیماری با دلایل ناشی از پارگی زخم 10 تا 40 درصد میباشد که عمدتاً به علت عفونت دچار شده، التهاب بافت اطراف قسمت برش داده‌شده یا مدیاستنیت و تورم و عفونت در ناحیه استرنوم بوده است. موارد باز شدن و عفونت در افراد بالای 75 سال به علت چاقی یا پوکی استخوان افزایش مییابد[4]. درنتیجه روشهای مؤثر تثبیت برای بهبود فرایند سلامتی جناغ و کاهش ریسک‌های بیماری لازم و ضروری میباشد.
پیشرفت صنایع مختلف و نیازهای جدید و روزافزون بشر سبب ایجاد طراحیهای جدید و بهبود سیستم‌های مختلف برای بستن و تثبیت جناغ سینه شده است. عواملی همچون هزینه بالا، نداشتن سرعت مناسب برای اجرا و عدم توانایی در تسریع بهبود بیماران باعث نوآوری و پیشرفت این سیستم‌ها شده است.
اغلب جراحان برای انجام عمل جراحی جناغ (استرنوتومی) استفاده از تکنیک تثبیت به‌وسیله سیم را ترجیح می‌دهند. بااین‌حال روشهای جدید برای بستن استرنوم به‌طور فزاینده در حال محبوب شدن است. تثبیت به‌وسیله سیم (شكل 1.1 الف) با ایجاد حلقه‌های سیم به دور جناغ و پیچاندن انتهایشان برای امنیت، دونیمه جناغ را به هم میچسباند. اگرچه تثبیت باسیم، ساده و مقرون‌به‌صرفه است اما ازلحاظ استحکام و پایداری مکانیکی ضعیف است و باعث پارگی زخم، مدیاستنیت و عدم جوش خوردن جناغ میشود[5].
[1] Sternal Fixation
[2] Sternum
[3] Sternotomy
[4] Mediastinitis
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
تعداد صفحه : 111
قیمت : 14700تومان