مدلسازی المان محدود تقارن محوری پروالاستیک دیسک بین مهره‌ای برای بررسی رفتار بیومکانیکی ستون فقرات کمری

نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران انستیتو مهندسی پزشکی، دانشگاه ملی تایوان، تایپه، تایوان

2 دانشیار،دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران

3 استاد، دانشکده مهندسی صنایع و مدیریت، دانشگاه هنیانگ

4 استاد، دانشکده مهندسی صنایع و مدیریت، دانشگاه هنیانگ، انسان، کره جنوبی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف

10.22041/ijbme.2011.13138

چکیده

پیش‌بینی نحوة ارتباط انواع بارهای مکانیکی با ضایعات دیسک بین مهره‌ای-که برای شناسایی عوامل ریسک بسیار مهم است- صرفاً با انجام آزمایش بر روی موجودات زنده یا بر روی نمونه‌های جسد انسان بسیار مشکل است. روش‌های المان محدود می‌تواند راه‌حل مناسبی در مطالعات یاد شده محسوب شود و رفتار بیومکانیکی دقیق‌تری را از دیسک حاصل کند. لذا هدف اصلی این مقاله،  استخراج مدل المان محدود تقارن محوری پروالاستیک غیرخطی یک بخش حرکتی ناحیه کمری ستون فقرات است تا بتوان بر مبنای آن به مطالعه رفتار بیومکانیکی وابسته به زمان آن پرداخت. پس از مقایسة نتایج مدلهای رفتاری مختلف در تحلیل شبه استاتیک و تشریح مدل پروالاستیک، نتایج بارگذاری‌های خزش کوتاه‌مدت، خزش بلند مدت و بارگذاری‌های چرخه‌ای ارزیابی شده است. تطابق مناسب نتایج با یافته‌های آزمایشگاهی موجود در منابع تحقیق مبین صحت پیش‌بینی مدل در ارائه رفتار بیومکانیکی وابسته به زمان یک بخش حرکتی است. بنابراین برپایة این مدل صحه‌گذاری شده، می‌توان به مطالعه نقش بارگذاری‌های دینامیکی مختلف به عنوان عوامل ریسک در شروع فرایند تخریب دیسک بین مهره‌ای پرداخت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Axisymmetric Poroelastic FE Modeling of Intervertebral Disc for Investigation of Lumbar Spine Biomechanics

نویسندگان [English]

  • Mohammad Nikkhoo 1
  • Mohammad Haghpanahi 2
  • J. L. Wang 3
  • Mohammad Parnianpour 4
1 Ph.D Candidate, Biomechanics Research Lab, Faculty of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran. ]nstitute of Biomedical Engineering, National Taiwan University, Taipei, Taiwan
2 2 Associate professor, Biomechanics Research Lab, Faculty of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology
3 Professor, Institute of Biomedical Engineering, National Taiwan University
4 Professor, Industrial and Management Engineering Department, Hanyang University, Ansan, South Korea Biomechanics Research Lab, Faculty of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology
چکیده [English]

Prediction of the relationship between different types of mechanical loading and the failure of the intervertebral disc is so important to identify the risk factors which are difficult to study in vivo and   in vitro. On the basis of finite element methods some of these issues may be overcome enabling more detailed assessment of the biomechanical behavior of the intervertebral disc. The objective of this paper is to develop a nonlinear axisymmetric poroelastic finite element model of lumbar motion segment and show its capability for studying the time-dependent response of disc. After comparison of the response of different models in quasi-static analysis, the poroelastic model of intervertebral disc is presented and the results of short-term, long-term creep tests and cyclic loading were investigated. The results of the poroelastic model are in agreement with experimental ones reported in the literature. Hence, this model can be used to study how different dynamic loading regimes are important as risk factors for initiation of intervertebral disc degeneration.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Spine
  • Finite element
  • intervertebral disc
  • Porous media theory
  • Time-Dependent Response
[1]          Hart L.G., Deyo R.A., Cherkin D.C., Physician office visits for low back pain. Frequency, clinical evaluation, and treatment patterns from a U.S. national survey; Spine, 1995; 20: 11-19.

[2]          Belytschko T., Kulak R.F., Schultz A., Finite element stress analysis of an IVD; J. Biomech., 1972; 7: 277-285.

[3]          Wang J.L., Parnianpour M., Shirazi-Adl A., Engin A.E., Li S., Patwardhan A., Development and validation of a viscoelastic finite-element model of an L2–L3 motion segment; Theor. and Appl. Fracture Mech., 1997; 28: 81–93.

[4]          Wang J.L., Parnianpour M., Shirazi-Adl A., Engin A.E., Viscoelastic finite-element analysis of a lumbar motion segment in combined compression and sagittal flexion: Effect of loading rate; Spine, 2000; 25: 310–318.

[5]          Natarajan R.N., Williams J.R., Andersson G.B., Recent advances in analytical modeling of lumbar disc degeneration; Spine, 2004; 29: 2733–2741.

[6]          Simon R.B., Wu J.S., Carlton M.W. , Kazarian L.E.,  France E.P., Evans J.H., Zienkiewicz O.C., Poroelastic dynamic structural models of rhesus spinal motion segments; Spine, 1985; 10: 494–507.

[7]          Argoubi M., Shirazi-Adl A., Poroelastic creep response analysis of a lumbar motion segment in compression; J. Biomech., 1996; 29: 1331-1339.

[8]          Wu J.S., Chen J.H., Clarification of the mechanical behavior of spinal motion segments through a three-dimensional poroelastic mixed finite element model; Med. Eng. and Physics, 1996; 18: 215–24.

[9]          Lee C.K., Kim Y.E., Lee C.S., Hong Y.M.,  Jung J.M.,  Goel V.K., Impact response of the IVD in a finite element model; Spine, 2000; 25: 2431–2439.

[10]       Laible J.P., Pflaster D.S., Krag M.H., Simon B.R., Haugh L.D., A poroelastic-swelling finite element model with application to the intervertebral disc; Spine, 1993; 18: 659–670.

[11]       Iatridis J.C., Laible J.P., Krag M.H., Influence of fixed charge density magnitude and distribution on the intervertebral disc;  J. Biomech. Eng., 2003; 125: 12–24.

[12]       Williams J.R.,  Natarajan R.N., Andersson G.B.J., Inclusion of regional poroelastic material properties better predicts biomechanical behavior of lumbar discs subjected to dynamic loading; J.  Biomechanics, 2007; 40: 1981–1987.

[13]       Ehlers W., Challenges of porous media models in geo and biomechanical engineering including electro chemically active polymers and gels; Eng. Sci. Appl. Math., 2009; 1: 1-24.

[14]       Schmidt H., Shirazi-Adl A, Galbusera F., Wilke H.J., Response analysis of the lumbar spine during regular daily activity-A finite element analysis, J. Biomecanics, 2010.

[15]       Nikkhoo M.,  Haghpanahi M., Parnianpour M., Wang J.L, An Axisymmetric Poroelastic Model for Description of the Short-Term and Long-Term Creep Behavior of L4-L5 Intervertebral Disc, Proc. of the 1st Middle East Conference on Biomedical Engineering (MECBME’11), 2011; pp. 308-311, UAE.

[16]       McNally D.S., Adams M.A., Goodship A.E., Can intervertebral disc prolapse be predicted by disc mechanics?, Spine, 1993; 18: 1525–1530.

[17]       Tyrrell A.R., Reilly T. et al., Circadian variation in stature and the effects of spinal loading, Spine, 1985; 10: 161–164.

[18]       Busscher I., Van Dieen J.H., Van der Veen A.J., Kingma I., Meijer G.J., Verkerke G.J., Veldhuizen A.G., The effect of creep and recovery on the in vitro biomechanical characteristics of human multi-level thoracolumbar spinal segments, Clinical Biomechanics, 2011; 26(5): 438-44.

[19]       Li S., Response of human intervertebral discs to prolonged axial loading and low-frequency vibration, PhD thesis, University of Illinois at Chicago, 1994.

[20]       Adams M.A., McMillan D.W., Green T.P., Dolan P., Sustained loading generates stress concentration in lumbar intervertebral discs, Spine, 1996; 21: 434-438.

[21]       Adams M.A., Dolan P., Hutton W.C., Diurnal variations in the stresses on the lumbar spine, Spine, 1987; 12: 130-137.

[22]       Kojic M., Filipovic N., Stojanovic B., Kojic N., Computer Modeling in Bioengineering, John Wiley & Son, 2008.