Kiertymän ja kontaktin vaikutus akillesjänteen MRI-rekonstruktion pohjalta luodun elementtimallin vetokokeessa

Abstract

Tässä diplomityössä tavoitteena oli kehittää systemaattinen menetelmä akillesjänteen MRI-rekonstruktion pohjalta luodun 3D-mallin muodostamiseksi elementtimenetelmäanalyysiä varten ja tutkia elementtimenetelmällä, miten akillesjänteen osajänteiden esikiertymä ja niiden keskinäinen vuorovaikutus kontaktin kautta vaikuttaa jännitysjakaumaan ja muodonmuutokseen vetokokeessa. Lähtökohtana oli epätarkka MRI-kuvista rekonstruoitu yksilökohtainen akillesjänteen malli, jonka pintageometriassa oli suuria kohoumia ja jonka osajänteiden välillä oli aukkoja. Tarkoituksena oli luoda geometrialtaan paranneltu malli, joka soveltuu lineaariseen staattiseen elementtianalyysiin.

Menetelmän kehitysprosessi alkoi ideoinnilla, jossa kartoitettiin mallintamiseen sopivia käytäntöjä ja käytettäviä ohjelmistoja. Ideoinnissa päädyttiin menetelmään, jossa rekonstruktiosta otetaan rajattu määrä poikkileikkauksia ja niihin sovitetaan pintageometria. Erisuuruiset esikiertymät asetettiin jänteelle mallinnusvaiheessa. Kiertymien arvot sekä muut akillesjänteen ominaisuuksiin liittyvät arvot selvitettiin kirjallisuuskatsauksessa.

Kiertymä vaikutti kuorman jakautumiseen jänteen sisäisesti, mutta muodonmuutos ei vaihdellut merkittävästi pituussuuntaisen vetokuorman ollessa pieni. Kiertymää muuttaessa suurimman jännityskonsentraation sijainti muuttui, mikä on yleisesti tunnistettu ilmiö ja vaikuttaa jänteen alttiuteen repeämille. Vaikka vetokokeiden tulokset osoittautuivat aiempien tutkimusten tulosten kaltaisiksi, suurempien muodonmuutosten tapauksessa akillesjänteelle ei ole suotavaa käyttää lineaarista materiaalimallia ja analyysiä.

The aim of this master’s thesis was to develop a systematic method for creating an MRI-reconstruction-based 3D model of an Achilles tendon for finite element analysis and to study the effect of subtendons’ pre-twist and their interaction through contact on the stress distribution and deformation in a tensile test. The starting point of the study was a subject-specific MRI-reconstruction, which had large protrusions on its surface and gaps between the subtendons. The purpose was to create a geometrically improved model which is eligible for linear static analysis.

The development process of the method started with ideation, during which suitable modeling practices and software were identified. The ideation process led to a method in which a limited number of cross-sections are taken from the reconstruction and fitted with surface geometry. Different degrees of pre-twist were applied to the tendon during the modeling phase. The pre-twist values as well as other properties related to the Achilles tendon were determined through a literature review.

Pre-twist affected the internal load distribution within the tendon, but the deformation did not vary significantly, the longitudinal tensile load being small. Changing the pre-twist value resulted in a shift in the location of the highest stress concentration, which is a commonly recognized phenomenon and influences the tendon’s susceptibility to ruptures. Although the results of tensile tests were consistent with those of previous studies, in the case of larger deformations it was concluded that it is not advisable to use a linear material model and linear analysis for the Achilles tendon.