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 مفصل الكتف والورك نٌتم اٌن اساساً الى نوع المفاصل ذات الكرة والتجو فٌ الا انهما
ظٌهران تبا نٌات ترك بٌ ةٌ لخدمة المتطلبات الوظ فٌ ةٌ. تترافق هذه الاختلافات الترك بٌ ةٌ ب نٌ المفصل نٌ
بالضرورة مع الخواص الم كٌان كٌ ةٌ التابعة لأي منهما.
تهدف هذه الدراسة الى الكشف عن بعض الخواص الم كٌان كٌ ةٌ والوظ فٌ ةٌ لكل من مفصل الورك
والكتف. ح ثٌ تم سبر الخواص الهندس ةٌ التصم مٌ ةٌ لسطوح التمفصلات العظم ةٌ من خلال دراسة مساحة
وتقوس هذه السطوح. كما تم استخدام فحص الاجهاد للكشف عن بعض الخواص الم كٌان كٌ ةٌ لمحافظ المفاصل
والاربطة المرافقة لها. كما تم استخدام نموذج لغرض تحل لٌ العناصر المحددة لاظهار مسارات الشد والضغط
عبر المفصل نٌ.
تم استخدام عشر نٌ عظم جاف من كل من لوح الكتف، الحوض، العضد، والفخذ. وتم حساب
مساحات التمفصل باستخدام قالب من شمع الاسنان. كما تم وصف طر قٌة مبتكرة لاحتساب المساحة تحت
التقوس عن طر قٌ استخدام برامج ةٌ خاصة للتعامل مع الرسوم. ونعتقد بأن هذه الطر قٌة مٌكن ان توفر
مؤشر لدرجة التقوس. كما التجأنا الى تحو رٌ جهاز فحص الاجهاد محل اًٌ ل تٌلائم مع فحوصات النماذج
البا وٌلوج ةٌ. اما دراسة تحل لٌ العناصر المحددة فقد صممت بعد تقط عٌ العظام الى شرائح وتحو لٌها الى صور
رقم ةٌ ثلاث ةٌ الابعاد ل تٌم تحل لٌها بواسطة برنامج Ansys تحت تأث رٌ قوى مختلفة.
اظهرت النتائج ف مفصل الورك بأن مساحة السطوح التمفصل ةٌ لرأس عظم الفخذ والسطح الهلال لم تكن مختلفة احصائ اٌ ) 29،8 ± 1،23 سم 2 و 24،8 ± 0،75 سم 2 بالتتابع(. اما بالنسبة لمفصل الكتف، فأن
السطوح التمفصل ةٌ لرأس عظم العضد والجوف الحقان اظهرت اختلافا احصائ اٌ ) 19،0 ± 0،88 سم 2 و
5،4 ± 0،3 سم 2 بالتتابع(.
كانت المساحة تحت التقوس للسطح التمفصل لرأس عظم الفخذ والسطح الهلال 140،0 ± 5،84
و 141،0 ± 6،51 وحدة مساحة بالتتابع. اما ف مفصل الكتف فقد كانت الق مٌ لراس عظم العضد والجوف
الحقان 87،9 ± 3،49 و 85،1 ± 1،45 وحدة مساحة بالتتابع. لم تلاحظ فروق احصائ ةٌ مهمة ضمن
مفصل الورك والكتف، ف ح نٌ كانت الفروق مهمة احصائ اًٌ عند المقارنة ب نٌ سطوح المفصل نٌ.
تمت مناقشة الصعوبات الت واجهت تطب قٌ فحص الاجهاد وذلك لجعل الآلة المستخدمة اكثر ملائمة
للفحوص البا وٌلوج ةٌ ف المستقبل. ورغم الصعوبات الا ان النتائج اظهرت بأن موقع تمزق محفظة مفصل
الكتف كانت عند الجهة الامام ةٌ السفلى.
ان وجود تماس كب رٌ ب نٌ مساحة الكرة والتجو فٌ، كما ظهر ف مفصل الورك، جٌعل المفصل اكثر
استقرار اً. على العكس من ذلك، فان مساحة التماس للسطوح التمفصل ةٌ لمفصل الكتف كانت اقل بكث رٌ مما
قٌلل من ثبات المفصل.
ان عدم وجود فروق مهمة لتحدب السطوح التمفصل ةٌ ضمن مفصل الكتف والورك شٌ رٌ الى جودة
التطابق وبالتال ثباتاً اكبر خاصة عند حركة المفصل. اما اختلاف التحدب ب نٌ المفصل نٌ فانه شٌ رٌ الى
اختلاف مد اٌت الحركة ب نٌهما.
كانت النتائج الت تم التوصل ال هٌا من خلال تحل لٌ العناصر المحددة مهمة ف تحد دٌ مناطق تمركز الاجهادات
وقد تم تفس رٌها من وجهة نظر تشر حٌ ةٌ وربطها بمناطق اتصال العضلات ومحفظة المفصل. ان نماذج
المفاصل الت طورت ف هذه الدراسة مٌكن ان تستخدم كوس لٌة حساب للم كٌان كٌ الاح اٌئ للمفاصل وف تحل لٌ المفاصل الصناع ةٌ المغروسة.
ظٌهران تبا نٌات ترك بٌ ةٌ لخدمة المتطلبات الوظ فٌ ةٌ. تترافق هذه الاختلافات الترك بٌ ةٌ ب نٌ المفصل نٌ
بالضرورة مع الخواص الم كٌان كٌ ةٌ التابعة لأي منهما.
تهدف هذه الدراسة الى الكشف عن بعض الخواص الم كٌان كٌ ةٌ والوظ فٌ ةٌ لكل من مفصل الورك
والكتف. ح ثٌ تم سبر الخواص الهندس ةٌ التصم مٌ ةٌ لسطوح التمفصلات العظم ةٌ من خلال دراسة مساحة
وتقوس هذه السطوح. كما تم استخدام فحص الاجهاد للكشف عن بعض الخواص الم كٌان كٌ ةٌ لمحافظ المفاصل
والاربطة المرافقة لها. كما تم استخدام نموذج لغرض تحل لٌ العناصر المحددة لاظهار مسارات الشد والضغط
عبر المفصل نٌ.
تم استخدام عشر نٌ عظم جاف من كل من لوح الكتف، الحوض، العضد، والفخذ. وتم حساب
مساحات التمفصل باستخدام قالب من شمع الاسنان. كما تم وصف طر قٌة مبتكرة لاحتساب المساحة تحت
التقوس عن طر قٌ استخدام برامج ةٌ خاصة للتعامل مع الرسوم. ونعتقد بأن هذه الطر قٌة مٌكن ان توفر
مؤشر لدرجة التقوس. كما التجأنا الى تحو رٌ جهاز فحص الاجهاد محل اًٌ ل تٌلائم مع فحوصات النماذج
البا وٌلوج ةٌ. اما دراسة تحل لٌ العناصر المحددة فقد صممت بعد تقط عٌ العظام الى شرائح وتحو لٌها الى صور
رقم ةٌ ثلاث ةٌ الابعاد ل تٌم تحل لٌها بواسطة برنامج Ansys تحت تأث رٌ قوى مختلفة.
اظهرت النتائج ف مفصل الورك بأن مساحة السطوح التمفصل ةٌ لرأس عظم الفخذ والسطح الهلال لم تكن مختلفة احصائ اٌ ) 29،8 ± 1،23 سم 2 و 24،8 ± 0،75 سم 2 بالتتابع(. اما بالنسبة لمفصل الكتف، فأن
السطوح التمفصل ةٌ لرأس عظم العضد والجوف الحقان اظهرت اختلافا احصائ اٌ ) 19،0 ± 0،88 سم 2 و
5،4 ± 0،3 سم 2 بالتتابع(.
كانت المساحة تحت التقوس للسطح التمفصل لرأس عظم الفخذ والسطح الهلال 140،0 ± 5،84
و 141،0 ± 6،51 وحدة مساحة بالتتابع. اما ف مفصل الكتف فقد كانت الق مٌ لراس عظم العضد والجوف
الحقان 87،9 ± 3،49 و 85،1 ± 1،45 وحدة مساحة بالتتابع. لم تلاحظ فروق احصائ ةٌ مهمة ضمن
مفصل الورك والكتف، ف ح نٌ كانت الفروق مهمة احصائ اًٌ عند المقارنة ب نٌ سطوح المفصل نٌ.
تمت مناقشة الصعوبات الت واجهت تطب قٌ فحص الاجهاد وذلك لجعل الآلة المستخدمة اكثر ملائمة
للفحوص البا وٌلوج ةٌ ف المستقبل. ورغم الصعوبات الا ان النتائج اظهرت بأن موقع تمزق محفظة مفصل
الكتف كانت عند الجهة الامام ةٌ السفلى.
ان وجود تماس كب رٌ ب نٌ مساحة الكرة والتجو فٌ، كما ظهر ف مفصل الورك، جٌعل المفصل اكثر
استقرار اً. على العكس من ذلك، فان مساحة التماس للسطوح التمفصل ةٌ لمفصل الكتف كانت اقل بكث رٌ مما
قٌلل من ثبات المفصل.
ان عدم وجود فروق مهمة لتحدب السطوح التمفصل ةٌ ضمن مفصل الكتف والورك شٌ رٌ الى جودة
التطابق وبالتال ثباتاً اكبر خاصة عند حركة المفصل. اما اختلاف التحدب ب نٌ المفصل نٌ فانه شٌ رٌ الى
اختلاف مد اٌت الحركة ب نٌهما.
كانت النتائج الت تم التوصل ال هٌا من خلال تحل لٌ العناصر المحددة مهمة ف تحد دٌ مناطق تمركز الاجهادات
وقد تم تفس رٌها من وجهة نظر تشر حٌ ةٌ وربطها بمناطق اتصال العضلات ومحفظة المفصل. ان نماذج
المفاصل الت طورت ف هذه الدراسة مٌكن ان تستخدم كوس لٌة حساب للم كٌان كٌ الاح اٌئ للمفاصل وف تحل لٌ المفاصل الصناع ةٌ المغروسة.
Keywords
مفصل الورك، مفصل الكتف، تحليل العناصر المحددة