GLIWICE 2008

Sprawozdanie z ćwiczenia

Badanie modelowe wpływu własnośći biomechanicznych

tkanek miękkich na ruch głowy i kręgosłupa ludzkiego.

Grupa AB2

Celem ćwiczenia jest badanie wpływu sztywności więzadeł, dysków międzykręgowych na ruch głowy i

kręgów szyjnych w płaszczyźnie strzałkowej pod wpływem przyłożonej siły. Symulacja

przeprowadzona była w programie Neck1.0.

Kręgosłup

Kręgosłup – część szkieletu, stanowiąca jego główną oś i podporę. Kręgosłup u ludzi i u zwierząt nie

posiadających ogona zbudowany jest z 33-34 kręgów, rozciągających się od głowy do kości ogonowej.

Rys.1. Ludzki kręgosłup

Rozróżniamy następujące odcinki kręgosłupa:

• część szyjna (7 kręgów)
• część piersiowa (12 kręgów)
• część lędźwiowa (5 kręgów)
• część krzyżowa (5 kręgów)
• część guziczna, ogonowa (4-5 kręgów)

Rys.2. Odcinek szyjny kręgosłupa.

Kręgosłup można sobie wyobrazić jako wieloelementową tuleję chroniącą rdzeń kręgowy.

Podstawowe elementy składające się na kręgosłup nazywamy kręgami; każdy z nich jest osobną

kością. Jeśli wyobrazimy sobie kręgosłup jako rurę, to kręgi możemy sobie wyobrazić jako nałożone

jeden na drugi pierścienie. W centrum każdego kręgu znajduje się otwór, przez który przebiega

nieprzerwany rdzeń.

Pomiędzy trzonami kolejnych kręgów występują krążki międzykręgowe, zwane dyskami. Ich

podstawową funkcją jest amortyzowanie wstrząsów i zapewnienie ruchomości sąsiadującym kręgom.

Razem tworzą one tzw. segment ruchowy kręgosłupa.

Przestrzeń pomiędzy trzonami, a łukami kręgowymi kolejnych kręgów tworzy kanał kręgowy, który

chroni rdzeń kręgowy. Zmiany zwyrodnieniowe lub urazy mogą być przyczyną niestabilności

kręgosłupa.

Rys.3. Kręg kręgosłupa

Zadaniem kręgosłupa jest podpora ciała, ochrona rdzenia kręgowego oraz, pośrednio, spełnianie

funkcji przyczepów dla kończyn.

Modelowanie matematyczne.

Wykorzystuje elektroniczną technikę obliczeniową. Metoda ta jest stosowana do badania własności
procesów mających opis matematyczny. Składa się z trzech etapów:
- uzyskanie formalnego opisu badanego procesu: wyznaczenie modelu matematycznego
- ustalenie algorytmu wyznaczenia wartości liczbowych szukanych parametrów
- sprawdzenie zgodności modelu z procesem
Podczas wyznaczania modelu matematycznego rzeczywiste zjawisko jest upraszczane i
przedstawiane w postaci schematycznej. W modelu powinny być uwzględnione jedynie najważniejsze
elementy wpływające na proces. Opis matematyczny modelu przedstawia się w postaci układu
równań algebraicznych lub różniczkowych. Model o parametrach złożonych to model opisujące
procesy, w których zmienne zmieniają się zarówno w czasie i w przestrzeni lub jeśli zmiany zachodzą
tylko w przestrzeni ale więcej niż jednowymiarowej. Model o parametrach skupionych: podstawowe
zmienne procesu nie zmieniają się w przestrzeni. Model statyczny: opisuje proces w stanie ustalonym
(nie uwzględnia zmian wielkości w czasie). Model dynamiczny: opisuje proces w stanie nieustalonym.
Procesy niedeterministyczne można praktycznie modelować tylko matematycznie.

Obiekt rzeczywisty

Odcinek szyjny kręgosłupa jest dużo bardziej złożony niż jego opis matematyczny, oprucz układu
kostnego i mięśni występują struktury wchodzące w skład układu pokarmowego, krwionośnego,
nerwowego, i skóry.
Założenia upraszczające

W obliczu tak wielu elementów wchodzących w skład obiektu, model posiada następujące założenia
upraszczające:
- głowa i kręgi przedstawione są jako bryły sztywne, połączone ze sobą przegóbami obrotowymi,
- działanie więzadeł i mięśni przedstawion jest jako działanie sił sprężystych i tłumiących
-podstawą jest nieruchomy tłów,
- róch symulowany jest tylko w płaszczyźnie strzałkowej.

Opis programu Neck 1.0

Program umożliwia analize odcinka szyjnego kręgosłupa przy zmiennych parametrach.
Parametrami możliwymi do zmiany są:
- siły wymuszające działające na poszczególne kręgi i głowe,
- położenia początkowe kręgów i głowy,
- sztywność i tłumienie,
- czas symulacji,
- masy kręgów i głowy,
- momenty bezwładności kręgów i głowy.