بررسی پایداری دستگاه ثابت کننده خارجی یک طرفه موتوردار طراحی شده جهت رفع فقدان استخوانی در حالت دینامیکی با استفاده از شبیه سازی المان محدود

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری تخصصی، گروه مهندسی مکانیک، واحد لاهیجان، دانشگاه آزاد اسلامی، لاهیجان، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، واحد لاهیجان، دانشگاه آزاد اسلامی، لاهیجان، ایران

3 استادیار، دانشگاه علوم پزشکی، شیراز، ایران

4 استادیار، مرکز تحقیقات بیماری‌های استخوان و مفاصل، دانشگاه علوم پزشکی، شیراز، ایران

چکیده

هم‌راستا نمودن استخوان‌های شکسته شده با استفاده از ثابت کننده خارجی یک­طرفه استخوان، امروزه رواج یافته است، ولی تنظیم آنها برای نگه داشتن تکه­‌های استخوان از چهار ناحیه و جابجایی آنها با شل نمودن پیچ‌ها به منظور استخوان سازی موجب بروز خطا و در نتیجه موجب مشکلات متعدد می‌گردد. هدف از تحقیق حاضر، اطمینان از پایداری و استحکام دستگاه ثابت کننده خارجی یک طرفه استخوان مجهز به چهار موتور می­‌باشد که قادر است با استفاده از موتورها تکه‌­های استخوان را از چهار ناحیه بدون خطا و با دقت مطلوب جابجا کند. این دستگاه در نرم‌­افزار سالیدورکز طراحی می‌­گردد. سپس، با استفاده از روش تحلیل المان محدود در نرم‌­افزار انسیس، شبیه‌­سازی­‌ها و تحلیل­‌های دستگاه انجام می‌­شود. نتایج شبیه‌­سازی­‌ها در حالت دینامیکی در مدت زمان 1 ثانیه، اعمال نیروهای فشاری 150نیوتنی و 130 نیوتنی و اعمال نیروی 150 نیوتنی خمش هشت نقطه‌­ای، پایداری دستگاه را تایید می‌نماید و با اعمال گشتاور پیچشی 8 نیوتن‌­متری، دستگاه همچنان پایداری خود را حفظ می‌­نماید. نتایج نشان می‌­دهد که دستگاه طراحی شده از پایداری، صلبیت و استحکام لازم جهت ثابت نگه داشتن استخوان برخوردار است. علاوه بر این، این دستگاه می­‌تواند تکه­‌های استخوان را به صورت دقیق با استفاده از واحد کنترل الکترونیکی موتورها به‌منظور استخوان‌سازی جابجا کند. بنابراین، ساخت و استفاده از دستگاه در جراحی‌­های ارتوپدی توصیه می­‌شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigating the stability of motorized unilateral external bone fixators to recover the destroyed bones in dynamic mode using the finite element simulation

نویسندگان [English]

  • Alireza Bahramkia 1
  • Mehran Fakhraie 2
  • Salar Khajehpoor 2 3
  • Seyed Mohammad Tahami 2 4
  • Raheb Gholami 2
1 Department of Mechanical Engineering, Lahijan Branch, Islamic Azad University, Lahijan, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Lahijan Branch, Islamic Azad University, Lahijan, Iran
3 Shiraz University of medical sciences, Shiraz, Iran
4 Orthopedics Bone and Joint Disease Research Center, Shiraz University of Medical Sciences, Shiraz, Iran
چکیده [English]

Nowadays, the alignment of broken bones using unilateral external fixators has been popular. However, their adjustment to hold bone pieces from four areas and move them by loosening the screws for ossification is associated with errors and consequently various problems. The present study aims to assess the stability and strength of a unilateral external fixator equipped with four motors, which is able to accurately move the bone pieces from four areas using the motors without error. The device is designed in SolidWorks software. Then, its simulations and analyzes are performed using the finite element method in ANSYS software. The results of the simulations in dynamic mode in a period of 1 s, compressive forces of 150 N and 130 N, and eight-point bending force of 150 N confirm the stability of the device and by applying a twisting torque of 8 Nm, the device still maintains its stability. The results show that the designed device has the necessary stability, rigidity, and strength to keep the bone stable. Moreover, using the electronic control unit of the motors, this device can precisely move the bone pieces for ossification. Therefore, it is recommended to manufacture and use this device in orthopedic surgeries.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Unilateral External Bone Fixator
  • Bone Fracture
  • Bone Los
  • Orthopedic
  • Finite Element Method

مراجع

[1] A. T. Fragomen, S. R. Rozbruch, The mechanics of external fixation, HSS Journal, Vol. 3.1, pp. 13-29, 2007.
[2] C. Simon, Classification and Nomenclature of External Fixators, External Skeletal Fixation, Vol. 22, No. 1, 1992.
[3] P. Hernigou, History of external fixation for treatment of fractures, Springer, International Orthopaedics (SICOT), 2016.
[4] B. Fleming, D. Paley, T. Kristiansen, M. Pope, A Biomechanical Analysis of the Ilizarov External Fixator, Clinical Orthopaedics and Related Research, No. 241, 1989.
[5] M. Wei, J. Chen, Y. Guo, H. Sun, The computer-aided parallel external fixator for complex lower limb deformity correction, Springer, Int J CARS, 2017.
[6] J. X. Zhao, C. Li, H. Ren, M. Hao, L. C. Zhang, P. F. Tang, Evolution and Current Applications of Robot-Assisted Fracture Reduction: A Comprehensive Review, Biomedical Engineering Society (BMES), 2019.
[7] D. Y. Lee, I. H. Choi, C. Y. Chung, J. S. Shim, A modified Wagner technique for femoral lengthening in skeletally mature patients with poliomyelitis, Springer-Verlag, International Orthopaedics (SICOT), Vol. 17, pp. 154-157, 1993.
[8] T. Apivatthakakul, O. Arpornchayanon, Minimally invasive plate osteosynthesis (MIPO) combined with distraction osteogenesis in the treatment of bone defects A new technique of bone transport: a report of two cases, Elsevier, Injury, Int. J. Care Injured, Vol. 33, pp. 460–465, 2002.
[9] C. Sangkaew, Distraction osteogenesis for the treatment of post traumatic complications using a conventional external fixator A novel technique, Elsevier, Injury, Int. J. Care Injured, Vol. 36, pp. 185-193, 2005.
[10] J. Wadhwani, R. Rohilla, R. Siwach, R. Singh, A. Devgan, S. Vashishth, Comparison of Clinico‑radiological Outcomes of Monolateral Fixator in Infected Non‑union of Tibia Based on Bone Gap Quantification, Springer, Indian Journal of Orthopaedics, Vol. 54, pp. 495–503, 2020.
[11] S. Jain, P. Patel, S. Gupta, External Fixator as A Definitive Treatment for Tibial Diaphyseal Fractures, Orthopaedic Journal of M P Chapter, Vol. 26, Issue 1, pp. 34-39, 2020.
[12] D. Shi, K. Liu, H. Zhang, X. Wang, G. Li, L. Zheng, Investigating the biomechanical function of the plate-type external fixator in the treatment of tibial fractures: a biomechanical study, BMC Musculoskeletal Disorders, Vol. 21, No. 128, 2020.
[13] K. Karunratanakul, G. Kerckhofs, J. Lammens, J. Vanlauwe, J. Schrooten, H. V. Oosterwyck, Validation of a finite element model of a unilateral external fixator in a rabbit tibia defect model, Elsevier Ltd., Medical Engineering & Physics, Vol. 35, pp. 1037– 1043, 2013.
[14] L. M. Roseiro, M. A. Neto, A. Amaro, R., P. Leal, M. C. Samarra, External fixator configurations in tibia fractures: 1Doptimization and 3D analysis comparison, Elsevier Ireland Ltd., Computer Methods and Programs in Biomedicine, Vol. 113, pp. 360-370, 2014.
[15] J. Li, X. Zhao, C. Tao, R. Ji, Investigate of the influence of pin deviation on the biomechanical environment of fixator-bone system by finite element method, Vibroengineering Procedia, Vol. 20, pp. 128-133, 2018.
[16] L. Roseiro, A. Neto, Optimal Configuration of Uniplanar-Unilateral External Fixators in Tibia Fractures, Springer Science & Business Media Dordrecht, pp. 461-468, 2013.
[17] T. Matsushita, K. Nakamura, I. Ohnishi, T. Kurokawa, Sliding performance of unilateral external fixators for tibia, Elsevier, Medical Engineering & Physics, Vol. 20, pp. 66–69, 1998.
[18] L. Osagie-Clouard, J. Kaufmann, G. Blunn, M. Coathup, C. Pendegrass, R. Meeson, T. Briggs, M. Moazen, Biomechanics of Two External Fixator Devices Used in Rat Femoral Fractures, Wiley Periodicals, Inc., Orthopaedic Research Society, pp. 293-298, 2019.
[19] R. Shahar, Y. Shani, Fracture stabilization with type II external fixator vs. type I external fixator with IM pin, Schattauer GmbH, 2004.
[20] K. Karunratanakul, J. Schrootenb, V. H. Oosterwycka, Finite element modelling of a unilateral fixator for bone reconstruction: Importance of contact settings, Elsevier, Medical Engineering & Physics, Vol. 32, pp. 461–467, 2010.
[21] M. Elmedin, A. Vahid, P. Nedim, R. Nedzad, Finite Element Analysis and Experimental Testing of Stiffness of the Sarafix External Fixator, Elsevier, Procedia Engineering, Vol. 100, pp. 1598-1607, 2015.
مهندسی ساخت و تولید ایران
دوره 9، شماره 4
تیر 1401
صفحه 24-35

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار