Abstract
The shoulder and hip joints though essentially both are ball and socket joints, show structural variability to serve functional needs. This study aims at revealing some of the structural and functional properties of each of the two joints regarding the factors that contribute to the stability of any joint in the body, namely: bone, ligament, and muscle. Twenty dried scapula, hip, humerus, and femur were used. The area of the articular surfaces was estimated by molding a sheet of dental wax. Using special graphics software, a novel procedure was described to calculate the area under the curve, which was postulated to indicate the degree of curvature. Tension test was applied using a testometric machine, which was locally modified to suit biological specimens. A finite element analysis was designed to study the articulating bones under different loading conditions. In the hip joint, the area of the articular surface of the head of the femur and that of the lunate showed no significant statistical difference. For the shoulder joint, the articular areas of the head of the humerus and the glenoid were statistically different. No statistical significance was observed regarding curvature of the articular surfaces within both the hip and shoulder joints; however, the values were significantly different between the hip and shoulder. In the tension test, the site of rupture of the capsule of the shoulder joint was found to be at its anteroinferior part. The more contact between the area of the cup and ball, as was demonstrated in the hip joint, the more stable the joint. On the contrary, the shoulder articular surfaces have less area of contact, which makes it more mobile and decreases stability. The insignificant difference in curvature within both joints indicates a good congruity and thus more stability especially during joint movement. The curvature difference between the head of femur and the head of humerus indicates that the range of motion is quite different for the two joints. Results obtained from the finite element analysis were important in understanding the areas of stress concentration and were thoroughly explained from the anatomical point of view and linked to muscle and joint capsule attachments. The model of the joints developed in this study can be used as a computational tool to joint biomechanics and to prosthetic implant analysis.
Keywords
biomechanics.
finite element analysis
hip joint
shoulder joint
Abstract
رغم ان مفصلي الكتف والورك ينتميان اساساً الى نوع المفاصل ذات الكرة والتجويف الا انهما يظهران تباينات تركيبية لخدمة المتطلبات الوظيفية. تترافق هذه الاختلافات التركيبية بين المفصلين بالضرورة مع الخواص الميكانيكية التابعة لأي منهما.
تهدف هذه الدراسة الى الكشف عن بعض الخواص الميكانيكية والوظيفية لكل من مفصلي الورك والكتف. حيث تم سبر الخواص الهندسية التصميمية لسطوح التمفصلات العظمية من خلال دراسة مساحة وتقوس هذه السطوح. كما تم استخدام فحص الاجهاد للكشف عن بعض الخواص الميكانيكية لمحافظ المفاصل والاربطة المرافقة لها. كما تم استخدام نموذج لغرض تحليل العناصر المحددة لاظهار مسارات الشد والضغط عبر المفصلين.
تم استخدام عشرين عظم جاف من كل من لوح الكتف، الحوض، العضد، والفخذ. وتم حساب مساحات التمفصل باستخدام قالب من شمع الاسنان. كما تم وصف طريقة مبتكرة لاحتساب المساحة تحت التقوس عن طريق استخدام برامجية خاصة للتعامل مع الرسوم. ونعتقد بأن هذه الطريقة يمكن ان توفر مؤشر لدرجة التقوس. كما التجأنا الى تحوير جهاز فحص الاجهاد محلياً ليتلائم مع فحوصات النماذج البايولوجية. اما دراسة تحليل العناصر المحددة فقد صممت بعد تقطيع العظام الى شرائح وتحويلها الى صور رقمية ثلاثية الابعاد ليتم تحليلها بواسطة برنامج Ansys تحت تأثير قوى مختلفة.
اظهرت النتائج في مفصل الورك بأن مساحة السطوح التمفصلية لرأس عظم الفخذ والسطح الهلالي لم تكن مختلفة احصائيا (29،8±1،23 سم2 و 24،8±0،75 سم2 بالتتابع). اما بالنسبة لمفصل الكتف، فأن السطوح التمفصلية لرأس عظم العضد والجوف الحقاني اظهرت اختلافا احصائيا (19،0±0،88 سم2 و 5،4±0،3 سم2 بالتتابع).
كانت المساحة تحت التقوس للسطح التمفصلي لرأس عظم الفخذ والسطح الهلالي 140،0±5،84 و 141،0±6،51 وحدة مساحة بالتتابع. اما في مفصل الكتف فقد كانت القيم لراس عظم العضد والجوف الحقاني 87،9±3،49 و 85،1±1،45 وحدة مساحة بالتتابع. لم تلاحظ فروق احصائية مهمة ضمن مفصلي الورك والكتف، في حين كانت الفروق مهمة احصائياً عند المقارنة بين سطوح المفصلين.
تمت مناقشة الصعوبات التي واجهت تطبيق فحص الاجهاد وذلك لجعل الآلة المستخدمة اكثر ملائمة للفحوص البايولوجية في المستقبل. ورغم الصعوبات الا ان النتائج اظهرت بأن موقع تمزق محفظة مفصل الكتف كانت عند الجهة الامامية السفلى.
ان وجود تماس كبير بين مساحة الكرة والتجويف، كما ظهر في مفصل الورك، يجعل المفصل اكثر استقراراً. على العكس من ذلك، فان مساحة التماس للسطوح التمفصلية لمفصل الكتف كانت اقل بكثير مما يقلل من ثبات المفصل.
ان عدم وجود فروق مهمة لتحدب السطوح التمفصلية ضمن مفصلي الكتف والورك يشير الى جودة التطابق وبالتالي ثباتاً اكبر خاصة عند حركة المفصل. اما اختلاف التحدب بين المفصلين فانه يشير الى اختلاف مديات الحركة بينهما.
كانت النتائج التي تم التوصل اليها من خلال تحليل العناصر المحددة مهمة في تحديد مناطق تمركز الاجهادات وقد تم تفسيرها من وجهة نظر تشريحية وربطها بمناطق اتصال العضلات ومحفظة المفصل. ان نماذج المفاصل التي طورت في هذه الدراسة يمكن ان تستخدم كوسيلة حساب للميكانيك الاحيائي للمفاصل وفي تحليل المفاصل الصناعية المغروسة.
تهدف هذه الدراسة الى الكشف عن بعض الخواص الميكانيكية والوظيفية لكل من مفصلي الورك والكتف. حيث تم سبر الخواص الهندسية التصميمية لسطوح التمفصلات العظمية من خلال دراسة مساحة وتقوس هذه السطوح. كما تم استخدام فحص الاجهاد للكشف عن بعض الخواص الميكانيكية لمحافظ المفاصل والاربطة المرافقة لها. كما تم استخدام نموذج لغرض تحليل العناصر المحددة لاظهار مسارات الشد والضغط عبر المفصلين.
تم استخدام عشرين عظم جاف من كل من لوح الكتف، الحوض، العضد، والفخذ. وتم حساب مساحات التمفصل باستخدام قالب من شمع الاسنان. كما تم وصف طريقة مبتكرة لاحتساب المساحة تحت التقوس عن طريق استخدام برامجية خاصة للتعامل مع الرسوم. ونعتقد بأن هذه الطريقة يمكن ان توفر مؤشر لدرجة التقوس. كما التجأنا الى تحوير جهاز فحص الاجهاد محلياً ليتلائم مع فحوصات النماذج البايولوجية. اما دراسة تحليل العناصر المحددة فقد صممت بعد تقطيع العظام الى شرائح وتحويلها الى صور رقمية ثلاثية الابعاد ليتم تحليلها بواسطة برنامج Ansys تحت تأثير قوى مختلفة.
اظهرت النتائج في مفصل الورك بأن مساحة السطوح التمفصلية لرأس عظم الفخذ والسطح الهلالي لم تكن مختلفة احصائيا (29،8±1،23 سم2 و 24،8±0،75 سم2 بالتتابع). اما بالنسبة لمفصل الكتف، فأن السطوح التمفصلية لرأس عظم العضد والجوف الحقاني اظهرت اختلافا احصائيا (19،0±0،88 سم2 و 5،4±0،3 سم2 بالتتابع).
كانت المساحة تحت التقوس للسطح التمفصلي لرأس عظم الفخذ والسطح الهلالي 140،0±5،84 و 141،0±6،51 وحدة مساحة بالتتابع. اما في مفصل الكتف فقد كانت القيم لراس عظم العضد والجوف الحقاني 87،9±3،49 و 85،1±1،45 وحدة مساحة بالتتابع. لم تلاحظ فروق احصائية مهمة ضمن مفصلي الورك والكتف، في حين كانت الفروق مهمة احصائياً عند المقارنة بين سطوح المفصلين.
تمت مناقشة الصعوبات التي واجهت تطبيق فحص الاجهاد وذلك لجعل الآلة المستخدمة اكثر ملائمة للفحوص البايولوجية في المستقبل. ورغم الصعوبات الا ان النتائج اظهرت بأن موقع تمزق محفظة مفصل الكتف كانت عند الجهة الامامية السفلى.
ان وجود تماس كبير بين مساحة الكرة والتجويف، كما ظهر في مفصل الورك، يجعل المفصل اكثر استقراراً. على العكس من ذلك، فان مساحة التماس للسطوح التمفصلية لمفصل الكتف كانت اقل بكثير مما يقلل من ثبات المفصل.
ان عدم وجود فروق مهمة لتحدب السطوح التمفصلية ضمن مفصلي الكتف والورك يشير الى جودة التطابق وبالتالي ثباتاً اكبر خاصة عند حركة المفصل. اما اختلاف التحدب بين المفصلين فانه يشير الى اختلاف مديات الحركة بينهما.
كانت النتائج التي تم التوصل اليها من خلال تحليل العناصر المحددة مهمة في تحديد مناطق تمركز الاجهادات وقد تم تفسيرها من وجهة نظر تشريحية وربطها بمناطق اتصال العضلات ومحفظة المفصل. ان نماذج المفاصل التي طورت في هذه الدراسة يمكن ان تستخدم كوسيلة حساب للميكانيك الاحيائي للمفاصل وفي تحليل المفاصل الصناعية المغروسة.
Keywords
مفصل الورك، مفصل الكتف، تحليل العناصر المحددة