Κατασκευή τριδιάστατου βιομοντέλου ανθρώπινου άκρου ποδός και μελέτη της επίδρασης του σακχαρώδους διαβήτη και της οστεοπόρωσης στη μηχανική του συμπεριφορά κατά τη βάδιση

Abstract

Το άκρο πόδι στηρίζει το βάρος του σώματος, παρέχει στο σώμα στήριξη και λειτουργεί ως μοχλός στη βάδιση και το τρέξιμο. Αποτελείται από 26 οστά, 33 αρθρώσεις, συνδέσμους και τένοντες καθώς και μαλακούς ιστούς όπως μύες, αγγεία και νεύρα. Οι μεγάλες καταπονήσεις που δέχεται το άκρο πόδι οδηγούν στην ανάπτυξη σημαντικών πελματιαίων πιέσεων καθώς και μεγάλων τάσεων στα οστά. Οι καταπονήσεις αυτές αποτελούν σοβαρό πρόβλημα για το άκρο πόδι, προκαλώντας έλκη ή κάλους στις περιοχές όπου υπάρχει μεγάλη συγκέντρωση δυνάμεων στο πέλμα όταν αλληλεπιδρά με το έδαφος ή το υπόδημα, και κατάγματα στις περιοχές των οστών με μεγάλη συγκέντρωση τάσεων. Τα τελευταία χρόνια γίνεται συνεχής έρευνα για τον υπολογισμό και τη μείωση των καταπονήσεων με τη χρήση της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων και βιομοντέλων άκρου ποδός. Βιομοντέλο ή 3Δ ιατρικό μοντέλο είναι ένα μοντέλο που προσομοιώνει αντίγραφο της γεωμετρίας και της μορφολογίας μίας ανθρώπινης βιολογικής δομής. Σε ότι αφορά το υπόδημα, το οποίο αποτελεί ένα μέρος του συστήματος άκρου ποδός-υποδήματος (σόλας)-εδάφους, συμβάλει στη μείωση των καταπονήσεων που δέχεται το πέλμα και στην αποφυγή τραυματισμών του. Οι πελματιαίες δυνάμεις που προκύπτουν από τη στάση ή βάδιση κατανέμονται στην αντίστοιχη επιφάνεια επαφής στο σύστημα άκρου ποδός, σόλας του υποδήματος και εδάφους. Η επιφάνεια επαφής και τα χαρακτηριστικά της ανωτέρω κατανομής φορτίων επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από τη γεωμετρία της σόλας και την επιλογή υλικών για τα διάφορα τμήματα της, ειδικά αν πρόκειται για τμήματα θεραπευτικών υποδημάτων. Σε αυτή την περίπτωση είναι πολύ σημαντικό να μοντελοποιείται σωστά η μηχανική συμπεριφορά των υλικών τόσο του βιομοντέλου (οστά και μαλακοί ιστοί) όσο και του υποδήματος (υλικά σόλας). Ως προς τα υλικά του βιομοντέλου, η διερεύνηση δύο συχνών παθήσεων όπως είναι η οστεοπόρωση και ο σακχαρώδης διαβήτης είναι πολύ σημαντική. Αυτό οφείλεται στις σημαντικές αλλαγές που αυτές οι δύο ασθένειες επιφέρουν στις ιδιότητες του μαλακού ιστού (διαβήτης) και των οστών (οστεοπόρωση). Βασικός στόχος της παρούσης διατριβής είναι η κατασκευή τριδιάστατου βιομοντέλου ανθρώπινου άκρου ποδός και η μελέτη της επίδρασης του σακχαρώδους διαβήτη και της οστεοπόρωσης στη μηχανική του συμπεριφορά κατά τη βάδιση. Οι αναλύσεις πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας ένα πλήρως παραμετρικό, μη-γραμμικό τριδιάστατο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων που βασίστηκε στο ανακατασκευασμένο τριδιάστατο βιομοντέλο χρησιμοποιώντας εικόνες-τομές αξονικής τομογραφίας άκρου ποδός ενήλικα ασυμπτωματικού άντρα. Οι αναλύσεις πραγματοποιήθηκαν σε μεγάλο εύρος δυνάμεων έτσι ώστε να μελετηθεί και η επίδραση δυναμικών φαινομένων (επιτάχυνση ή επιβράδυνση) στην κατανομή πιέσεων και τάσεων. Οι μελέτες έγιναν σε διάφορες βασικές φάσεις βάδισης ενώ μελετήθηκε λεπτομερώς και η επίδραση της αλλαγής των μηχανικών ιδιοτήτων του βιομοντέλου λόγω οστεοπόρωσης και σακχαρώδους διαβήτη καθώς και συνδυασμού αυτών. Θα πρέπει να αναφερθεί ότι ανάλογα αποτελέσματα της μηχανικής συμπεριφοράς του άκρου ποδός καθώς και κατανομής πελματιαίων πιέσεων και τάσεων, δεν έχουν παρουσιαστεί στη βιβλιογραφία. Τα πρωτότυπα στοιχεία της παρούσης διατριβής είναι τόσο στις μεθοδολογίες και μοντέλα που αναπτύχθηκαν όσο και στα αποτελέσματα των αναλύσεων σε σχέση με την κατανομή πελματιαίων πιέσεων και τάσεων. Μεθοδολογικά, αρχικά έγινε μια διεξοδική και εις βάθος διερεύνηση των δυνατοτήτων και περιορισμών της Μεθόδου Πεπερασμένων Στοιχείων σε σχέση κυρίως με την ακρίβεια του μοντέλου και την προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς των διαφόρων υλικών που αποτελούν το βιομοντέλο. Σημαντικό πρωτότυπο στοιχείο της διατριβής είναι η προσομοίωση των χόνδρων ανάμεσα στα οστά ώστε να επιτευχθεί κινηματική προσομοίωση του βιομοντέλου ποδιού στις διάφορες βασικές φάσεις βάδισης και να ληφθούν πιο ρεαλιστικά αποτελέσματα σε σχέση με το άκαμπτο βιομοντέλο. Τα αποτελέσματα του μοντέλου έδειξαν ότι για συγκεκριμένες τιμές των παραμέτρων (κυρίως υλικά σόλας και φόρτισης), η μείωση της πυκνότητας και αντοχής των οστών λόγω οστεοπόρωσης μπορεί να οδηγήσει σε πιθανό κάταγμα, ενώ η αλλαγή της δυσκαμψίας του μαλακού ιστού λόγω διαβήτη μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία έλκους. Θα πρέπει να τονιστεί ότι τα φαινόμενα αυτά οξύνονται στην περίπτωση συνδυασμού οστεοπόρωσης και σακχαρώδους διαβήτη, όπως συμβαίνει συχνά σε ηλικιωμένα άτομα. Το μοντέλο και τα αποτελέσματα της διδακτορικής διατριβής μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα για την πρόληψη ελκών και καταγμάτων στο ανθρώπινο πόδι καθώς και την θεραπευτική αντιμετώπιση παθήσεων (ανακούφιση) του κάτω άκρου μέσω σχεδίασης και κατασκευής ορθοπεδικών-ιατρικών υποδημάτων.

The foot carries the weight of the body, provides support to the body, and is used as a lever to promote the body in gait and running. It consists of 26 bones, 33 joints, ligaments, and tendons as well as soft tissues such as muscles, blood vessels and nerves. The high loading of the foot leads to the development of significant plantar pressures and high stresses in the bones. These high loading are a serious problem for the foot, causing ulcers or calluses in areas where there is a high concentration of forces on the plantar area while interacting with the ground or footwear, and fractures in the bone areas with high stress concentration. In recent years there has been ongoing research to evaluate and reduce foot loading using the finite element method (FEM) and bio models of the foot. Bio models or three-dimensional (3D) medical models are identical copies of the geometry and morphology of the human biological structure. Footwear, which is considered a part of the foot-footwear (sole)-ground system, helps to reduce the strains in the plantar area and to avoid injuries. The plantar forces resulting from standing or during gait are distributed on the respective contact surface of the foot, footwear sole and ground system. The contact surface and the characteristics of the force distribution are greatly influenced by the geometry of the sole and the choice of materials for its various parts, especially in the case of therapeutic footwear parts. In this case, it is very important to properly model the mechanical behavior of the materials of both the bio model (bones and soft tissues) and the footwear (sole materials). In terms of bio model materials, investigating two common conditions such as osteoporosis and diabetes is very important. This is due to the significant changes that these two diseases bring to the properties of soft tissue (diabetes) and bone (osteoporosis). The main objective of this thesis is the construction of a three-dimensional bio model of the human foot and study of the effect of diabetes and osteoporosis on its mechanical behavior during gait. The analyses were performed using a fully parametric, non-linear three-dimensional finite element model based on the reconstructed 3D bio model using computed tomography images of an adult asymptomatic male foot. The analyses were performed on a wide range of forces to consider the effect of dynamic phenomena (acceleration or deceleration) on the distribution of pressures and stresses. The studies were performed for the major basic gait phases while the effect of the change of the mechanical properties of the bio model due to osteoporosis and diabetes mellitus as well as their combination was studied in detail. It should be noted that similar results of the mechanical behavior of the foot as well as the distribution of plantar pressures and stresses, have not been presented in the literature. The original elements of this thesis are both in the methodologies and models developed and in the results of the analyses in relation to the distribution of plantar pressures and stresses. Methodologically, a thorough and in-depth investigation of the possibilities and limitations of the Finite Element Method was made, mainly in relation to the accuracy of the model and the simulation of the mechanical behavior of the various materials that constitute the bio model. An important original element of the thesis is the simulation of the cartilage between the bones in order to achieve a kinematic simulation of the foot in the various major gait phases and to obtain more realistic results compared to the rigid bio model. The results of the model showed that for specific values of the parameters (mainly sole materials and loading) the reduction of bone density and strength due to osteoporosis can lead to a possible fracture, while the change of the soft tissue stiffness due to diabetes can lead to the creation of ulcer. It should be noted that these effects are increased in the case of a combination of osteoporosis and diabetes, as is often the case for older people. The model and the results of this doctoral thesis can be used directly for the prevention of ulcers and fractures in the human foot as well as the treatment of diseases (comfort) of the foot through the design and manufacture of orthopedic-medical footwear.