بررسی تنش و کرنش در کفی‌های طبی از جنس مواد هایپرالاستیک مخصوص بیماران در زمان راه رفتن با نرم‌افزار المان محدود

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 1. کارشناس ارشد مکانیک، ساخت و تولید، گروه مکانیک، دانشکده‌ی فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران

2 2. استادیار، گروه مکانیک، دانشکده‌ی فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران

3 3. استادیار، گروه مهندسی پزشکی، دانشکده‌ی فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

4 4. استادیار، گروه مکانیک، دانشکده‌ی فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران

10.22037/jrm.2015.1100157

چکیده

مقدمه و اهداف
دیابت یکی از بیماری‌های متابولیکی است. عدم کنترل دیابت می‌تواند منجر به زخم کف پای بیماران دیابتی و در صورت عدم درمان منجر به قطع پا گردد. با توزیع مناسب فشار در کف پا از طریق تغییر جنس و نحوه‌ی چینش لایه‌های تشکیل‌دهنده‌ی کفی چندلایه می‌توان از ایجاد زخم جلوگیری و بهبود زخم را تسریع نمود. در این مطالعه به بررسی کفی‌های تک لایه و سه لایه از جنس‌های سیلیکون ژل، پلاستوزوت، پلی‌فوم و اتینیل وینیل استات پرداخته‌شده است.
مواد و روش‌ها
خواص چهار ماده‌ی انتخابی با انجام تست فشار به دست آمد. با ساخت کفی سفارشی و اپتیک کردن آن، فایل ابر نقاط به دست آمد که با نرم‌افزار کتیا سطح و حجم سازی شد. به کمک مدل اجزاء محدود سه‌بعدی چهار نوع کفی تک لایه و هجده نوع کفی سه لایه با تحلیل‌ دینامیکی، موردبررسی قرار گرفتند. برای صحت سنجی نتایج آزمون عملی با سیستم پدار انجام شد.
یافته‌ها
طبق نتایج در بین کفی‌های تک لایه سیلیکون و پلاستوزوت و در بین کفی‌های چندلایه پلاستوزوت-سیلیکون-اتینیل وینیل استات بهترین عملکرد را داشتند.
نتیجه‌گیری
نتایج نشان می‌دهد که با استفاده از کفی سه لایه به‌طور نسبی 31% تمرکز تنش ون میزز و 30% کرنش نسبت به کفی‌های تک لایه در کف پای بیمار می‌توان کاهش داد. نتایج تست‌های عملی با سیستم پدار نیز نتایج المان محدود را مورد تأیید قرارداد. در حالت دینامیکی کفی تک لایه‏ی سیلیکونی و سه لایه پلاستوزوت-سیلیکون-اتیلن وینیل استات به ترتیب 30% و 54% نسبت به حالت پابرهنه فشار را در کف پا کاهش می‏دهد. روش‌های استفاده‌شده در این تحقیق یک رویکرد مناسب برای درک رفتار این مواد در مواقعی که به‌عنوان کفی استفاده می‌شود فراهم می‌کند و یک راهنمای المان محدود برای بررسی کفی‌های طبی می‌تواند باشد.


کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

An Investigation on the stress and strain in medical hyper elastic insole in diabetic person during gait by finite element method

نویسندگان [English]

  • Ali Reza Mossayebi 1
  • Aazam Ghassemi 2
  • Nima Jamshidi 3
  • Payam Saraeian 4
1 1. MSc Manufacturing Mechanical Engineering, Department of Mechanic, Faculty of Engineering, Islamic Azad University, NajafAbad, Iran
2 2. Assistant professor, Department of Mechanic, Faculty of Engineering, Islamic Azad University, Najaf Abad, Iran
3 3. Assistant professor, Department of Biomedical Engineering, Faculty of Engineering, University of Isfahan, Isfahan, Iran
4 4. Assistant Professor, Department of Mechanic, Faculty of Engineering, Islamic Azad University, Najaf Abad, Iran
چکیده [English]

Background and Aim: Uncontrolled diabetes can lead to diabetic foot ulcers and if it is not treated can lead to amputation. With suitable plantar pressure distribution, by changing material and arrangement of constituent layers for multi-layer insoles, the foot ulcers can be prevented or improved. In this study, single-layer and three-layer insoles made by Silicone Gel, Plastazote Foam, Polyfoam and Ethyl Vinyl Acetate foam have been compared.
Materials and Method: the materials behavior determined using a uniaxial pressure test. Then a custom-made insole was prepared and by a digitizer device, a scatter file obtained from machined sample. This file was imported in Catia software and the volumes and surfaces has been created by using a three dimensional nonlinear FEM model, for 4 single-layer and 18 combinations of three-layer insoles during dynamic test. For verification of FE results, experimental test has been done by using Pedar system.
Results: The results showed that among single-layer insoles, the Silicon Gel and Plastazote and between three-layer insoles arranging Plastazote, Silicone Gel and Ethyl Vinyl Acetate (from top to bottom) were recognized as the best combination.
Conclusions: Three-layer insole stress concentration and strain can reduce 31% Von Mises constrain stress and 30% strain with respect to one layer insole. Experimental tests using Pedar system verified this result. In dynamic mode using Pedar system, Silicon Gel one layer insole and three-layer PLZ-SG-EVA decrease plantar pressure by 30% and 54% respectively in comparison with bare foot. The method used in this research can show suitable performance of these materials when used as insole. Also this research can be helpful for analyzing insoles using finite element method.
Keyword: Hyper elastic Material, Medical Insole Diabetic, 3D Model, Pedar System

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hyper elastic Material
  • Medical Insole Diabetic
  • 3D Model
  • Pedar System
  1. Smith KE, Commean PK, Mueller MJ, Robertson DD, Pilgram T, Johnson J. Assessment of the diabetic foot using spiral computed tomography imaging and plantar pressure measurements: A technical report. Journal of Rehabilitation Research and Development 2000 January/February. 37(1):31-40.##
  2. Chantelau E. Footwear for the high-risk patient. In: Boulton AJM, Connor H, Cavanagh PR. The Foot in Diabetes. Wiley John & Sons, Ltd 3rd ed. New York: Wiley John & Sons Inc. © 2000. P.131-142.##
  3. Wooldridge J, Bergeron J, Thornton C. Preventing diabetic foot disease: lessons from the Medicare therapeutic shoe demonstration. American Journal Public Health 1996 July; 86(7): 935–938.##
  4. Safaeepoor Z, Ebrahimi I, Saeedi H, Kamali M. investigate plantar pressure distribution in healthy adults during standing and walking. Journal of Rehabilitation 1388; 10(2): 8-15. [In Persian]##
  5. Sacco ICN, Amadio AC. Temporal parameters, Pick pressure pain tolerance threshold  ib=n Gait analysis of diabetic neuropathic patients. North American congress on Biomechanics Canadian society for biomechanics university of Watweloo, Ontario, Canada, 1998.##
  6. Putti AB, Arnold GP, Cochrane L, Abboud RJ. The pedar in-shoe system: Repeatability and normal pressure values. Gait and Posture 2006; 25(3):401-5.##
  7. Bus SA, Ulbrecht JS, Cavanagh PR. Pressure relief and load redistribution by custom-made insoles in diabetic patients with neuropathy and foot deformity. Clin Biomech Published by Elsevier Ltd. 2004 Jul; 19(6):629-38.##
  8. Hennig EM. The human foot during locomotion -Applied research for footwear. Invited Wei Lun Public Lecture, 2002 October, Hong Kong.##
  9. Shorten MR. Finite Element Modeling of Soccer Shoe Soles. Proceeding of the soccer player oriented science and technology congress; Lyons France. 1998 May.##
  10. Lemmon D, Shiang TY, Hashmi A, Ulbrecht JS, Cavanagh PR. The effect of insoles in therapeutic foot wear – a finite element approach. Journal of Biomechanics 1997 Jun; 30(6):615-20.##
  11. D'Agati M, Ladin Z. Finite element analysis of the midsole of a running shoe. Journal of  Biomechanics 1993; 26(3):320-329. ##
  12. Petre MT, Erdemir A, Cavanagh PR. Determination of elastomeric foam parameters for simulations of complex loading. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering 2006 Feb; 9(4):231–242.##
  13. Barani ZHaghpanahi MKatoozian H. Three dimensional stress analysis of diabetic insole: a finite element approach. Technol Health Care 2005 February; 13(3):185-92.[In Persian]##
  14. Chen WP, Wei Ju C, Tan TF. Effects of total contact insoles on the plantar stress redistribution: a finite element analysis. Clinical Biomechanics 2003; 18:17-24.##
  15. Cheung JT, Zhang M. Finite Element Modeling of the Human Foot and Footwear. ABAQUS Users’ Conference 2006. P.145-159.##
  16. Jamshidi N, Hanife H, Rostami M, Najarian N, Menhaj MB, Saadatnia M, Salaami F. Modelling the Interaction of Ankle-Foot Orthosis and Foot by Finite Element Methods to Design Optimized Sole in Steppage gait. Journal of Medical Engineering & Technology 2010 February; 34(2):116-123. [In Persian]##
  17. Jamshidi N, Rostami M, Najarian S, Biomechanics of Steppage Gait, 2012, Lap Lambert, Germany (International ISBN 978-3-8473-4735-4) Publisher: LAP LAMBERT Academic Publishing AG & Co. KG Theodor-Heuss-Ring 26, 50668 Kln, Germany. [In Persian]##
  18. Lavery LA, lanctot DL, Constantinides G, Zamorano RG, Athanasiou KA, Mauliagrawal C. Wear and Biomechanical Characteristics of a Novel Shear-Reducing Insole with Implications for High-Risk Persons with Diabetes. Diabetes Technology and Therapeutics 2005; 7(4):638-646. ##
  19. Ricardo LA, Liliana BV, Donovan JL, Kirk ES, Paul KC, Mary KH, Michael JM. Multi-plug insole design to reduce peak plantar pressure on the diabetic foot during walking. Medical and  Biological Engineering and Computing  2008 April, 46(4), pp 363-371. ##
  20. Owings TM, Woerner JL, Frampton JD, Cavanagh PR, Botek G. Custom Therapeutic Insoles Based on Both Foot Shape and Plantar Pressure Measurement Provide Enhanced Pressure Relief. Diabetes Care 2008 May; 31(5):839-44.##
  21. ABAQUS. Available at: http://www.tuchemnitz.de/projekt/abq_hilfe/docs/v6.11/books/usb/default.htm.21.5.1, Hyper elastic behavior of rubberlike materials. Accessed Mar 5,2014.##
  22. Faghihy A. Normal and abnormal gait analysis. Tehran: University of Medical Sciences and Health Services; 1374. P 75-76. [In Persian]##
  23. Mijailovi N, Gavrilovi M, Rafajlovi S. Gait Phases Recognition from Accelerations and Ground Reaction Forces: Application of Neural Networks. Telfor Journal 2009; 1(1):34-36. [In Persian]##