دستگاه اسکلتی عملکردهای زیادی که از جمله مهمترین آن منبع یون­های کلسیم برای حفظ سطوح مناسب کلسیم سرم و تسهیل عملکرد عضلانی است را دارد. استخوان­ها سبب تقویت صدا در گوش میانی می­شوند. اما در این تحقیق ما به دستگاه اسکلتی به عنوان یک ساختار تمرکز می­کنیم. حداقل دو نقش بیومکانیکی برای استخوان­ها وجود دارد. نخست، استخوان­ها اندام­های حیاتی را از آسیب حفظ می­کنند. در جمجمه، انرژی مکانیکی ناشی از آسیب اساساً در استخوان اسفنجی که با صفحات  استخوانی جدا می­شوند متمرکز می­شوند. در نتیجه انرژی خیلی کمی به داخلی­ترین صفحه استخوانی منتقل می­شود و قوس جمجمه حفظ می­شود. علاوه براین، استخوان­ها اهرم­هایی برای عضلات هستند. برای توزیع بهتر نیروهای مفصل، انتهای استخوان­های بلند پهن می­شوند تا استرس (بار / سطح)کاهش یابد و استرس بوسیله استخوان ترابیکولار زیر سطح مفصلی حمل می­شود تا نیرو را در قشر استخوان بلند توزیع کند.

 

2-6-1. بیومکانیک پایه

پارامترهای بیومکانیکی وجود دارند که می­تواند مشخصه یکپارچگی استخوان در نظر گرفته ­شوند. ارتباط کلیدی بین بار اعمال شده بر ساختار و جابجایی در پاسخ به منحنی بار- جابجایی وجود دارد.

2-6-1-1. سختی

شیب منطقه الاستیک از منحنی بار – جابجایی نشان­دهنده سفتی بیرونی یا سختی استخوان­بندی می­شود(S). علاوه بر سختی، ویژگی­های بیومکانیکی دیگری می­توانند منتج شوند که شامل نیروی نهایی(Fu)(ultimate force)، انرژی شکست (work to failure)( سطح زیر منحنی بار- جابجایی، U)، و جابجایی نهایی (ultimate displacement)(du). هریک از این پارامترهای اندازه گیری شده ویژگی­های مختلفی از استخوان را نشان می­دهند:

2-6-1-2. نیروی نهایی

نیروی نهایی نشان دهنده یکپارچگی (integrity) ساختار استخوان و سختی با معدنی بودن استخوان مرتبط است، انرژی شکست میزان انرژی مورد نیاز برای شکستن استخوان است و جابجایی نهایی رابطه معکوسی با شکنندگی استخوان دارد

-6-1-3. انرژی شکست

سطح بیومکانیکی استخوان ممکن است به­وسیله یکی از این ویژگی­ها توضیح داده شود. به عنوان مثال، استخوان یک بیمار دارای پوکی استخوان تمایل سختی خواهند داشت اما خیلی شکننده نیز است، که سبب کاهش انرژی شکست شده و خطر شکستن افزایش می­یابد. به عبارت دیگر، استخوان کودک متمایل به معدنی بودن کمتر و ضعیف است اما خیلی شکل پذیر است(جابجایی نهایی بزرگ)، که سبب افزایش انرژی شکست می­شود. به خاطر این ویژگی شکستگی greenstick، که در آن استخوان تحت تغییر شکل گسترده­ای قرار می­گیرد ولی به طور کامل نمی شکند،بعضی وقت ها در کودکان مشاهده می شود.

زمانی که نیرو به تنش و تغییر شکل به کرنش به وسیله فرمول های مهندسی تبدیل می شود،ارتباط بین تنش و کرنش در استخوان از منحنی به نام منحنی تنش – کرنش پیروی می کند.شیب منحنی تنش – کرنش در محدودۀ ناحیه الاستیک ضریب یانگ یا ضریب الاستیک نامیده می شود(E). ضریب الاستیک اندازۀ اصلی سختی ماده است.سطح زیر منحنی تنش – کرنش اندازه میزان انرژی مورد نیاز برای شکست ماده است.این ویژگی ماده انرژی جذب یا ضریب چقرمگی(سختی) یا فقط چقرمگی نامیده می شود.حداکثر تنش و کرنشی که استخوان می تواند تحمل کند نهایت قدرت و نهایت کرنش به ترتیب نامیده می شود.  باید توجه داشت که قدرت، که بوسیله منحنی تنش – کرنش تعریف شد، یک ویژگی اصلی(ذاتی) استخوان می­باشد. یعنی، این مقادیر قدرت مستقل از اندازه و شکل استخوان می­باشند. نیروی مورد نیاز برای شکستن استخوان متفاوت از قدرت ذاتی است، زیرا بار نهایی با توجه به اندازه استخوان تغییر می­کند. تمایز این موضوع در ذهن مهم است زیرا قدرت ذاتی و بار نهایی می­تواند در مطالعات دارویی یا ژنتیکی مسیرهای متفاوتی داشته باشد، به­ویژه اگر دارو یا ژن اندازه استخوان را تحت تأثیر قرار دهد.  اندازه های قدرتی که در واحدهای تنش وجود ندارند قدرت ذاتی مواد را نشان نمی­دهند اما به­وسیله عوامل بیرونی مانند شکل و اندازه نمونه تحت تأثیر قرار می­گیرند.

2-6-1-4. نقطۀ تسلیم

منطقه کرنش الاستیکی  و پلاستیکی منحنی تنش – کرنش بوسیله نقطه تسلیم (yield point) جدا می­شوند (شکل 2- 3). نقطه تسلیم انتقال تدریجی را نشان می­دهد، در بالای آن نقطه، تنش­ها سبب آسیب­های پایداری به ساختار استخوان ایجاد می­کنند. کرنش­های پس از تسلیم (کرنش­های آن­سوی نقطه تسلیم) تغییر شکل­های پایداری را از ساختار استخوان نشان می­دهند که به­وسیله  لغزش خطوط سیمانی (slip at cement lines)، شکستگی­های کوچک ترابیکیولار، رشد شکاف (crack growth) یا ترکیبی از آنها بوجود می­آید. نقطه تسلیم  گاهی اوقات که نمونه های استخوانی مورد آزمون قرار می­گیرند به خوبی تعریف می­شود. چندین روش برای تعیین نقطه تسلیم مطرح شدند. به عنوان مثال نقطه تسلیم به عنوان نقطه­ای تعریف می­شود که منحنی تنش – کرنش شروع به غیر خطی شدن می­کند. روش دیگر شامل روش­های افست می­باشد که یک خط موازی با بخش خطی منحنی تنش – کرنش رسم می­شود و بوسیله 03/0 تا 02/0 درصد کرنش طراحی می­شود(44)

Written by