Κατασκευή τριδιάστατου βιομοντέλου ανθρώπινου άκρου ποδός και μελέτη της επίδρασης του σακχαρώδους διαβήτη και της οστεοπόρωσης στη μηχανική του συμπεριφορά κατά τη βάδιση
Authors: Κουτκαλάκη Ζωή 
Published: September 2021

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 10σχέση 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 τηνπρόληψη ελκών και καταγμάτων στο ανθρώπινο πόδι καθώς και την θεραπευτική αντιμετώπιση παθήσεων (ανακούφιση) του κάτω άκρου μέσω σχεδίασης και κατασκευής ορθοπεδικών-ιατρικών υποδημάτων.