نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران

2 کارشناس ارشد بیومکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران

10.22041/ijbme.2008.13548

چکیده

در این مقاله مدل المان محدود سه بعدی دقیق مهره اول ستون فقرات گردنی، شامل استخوان قشری و استخوان متخلخل، بر اساس تصاویر سی-تی اسکن، در محیط نرم افزار آنسیس9  توسعه یافت. هدف بررسی تاثیر استخوان متخلخل بر توزیع تنش بیشینه و میانگین در مهره اطلس و ارزیابی تاثیر تغییر خواص مواد بر مقادیر این تنش هاست. طبق نتایج به دست آمده، خواص استخوان متخلخل تاثیر چندانی بر موضع تنش بیشینه و الگوی تنش های میانگین در مقاطع کمان قدامی، محل اتصال کمان خلفی با توده طرفی و شیار مهره ندارد، هرچند وجود استخوان متخلخل سبب افزایش مقدار تنش بیشینه و تنش میانگین می شود. تاثیر شرایط مرزی بر این افزایش قابل توجه است. تغییر خواص مواد استخوان متخلخل، تحت بارگذاری محوری و اکستانسیون شدید فقط بر تنش متوسط در استخوان متخلخل توده های طرفی انجامید، این در حالی است که تغییر خواص مواد استخوان قشری به تغییر تنش متوسط در هر دو ناحیه و نیز جابجایی جانبی توده های طرفی منجر شد. همچنین این تحقیق تاثیر متقابل تغییر خواص مواد دو بافت استخوانی را بر تنش های متوسط آشکار ساخت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Material Property Sensitivity Analysis For Exact Finite Element Model Of The First Cervical Vertebra (Atlas)

نویسندگان [English]

  • Mohammad Haghpanahi 1
  • Mehdi Pourdanial 2

1 Associate Professor, Biomechanics Department, Mechanical Engineering School, Iran University of Science and Technology

2 MSc. Graduated in Biomechanics, Biomechanics Department, Mechanical Engineering School, Iran University of Science and Technology

چکیده [English]

A 3D anatomically accurate finite element model of the human first cervical vertebra (atlas), including cortical and cancellous bones, was developed in ANSYS 9 based on CT-scan images. The main objective was to investigate the effect of cancellous bone on the value and distribution of maximum and average Von Mises stress in Atlas. The results showed that the material property of cancellous bone has no significant effect on the location of maximum stress and the pattern of average stress distribution in anterior arch, the junction of posterior arch and lateral mass and the groove of the posterior arch. Although the presence of cancellous bone in the model yielded higher values for the maximum and average stresses. The boundary condition had a considerable effect on this increase. Altering the material property of cancellous bone under neutral and hyperextension loading configurations, affected the average stress only in cancellous bone in the lateral mass, but change in the material property of cortical bone resulted in average stress change both in the cortical and cancellous bones, and in the lateral displacement of the lateral mass as well. The interconnected effects of changing the material properties of these two bone tissues were also studied. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • FEM
  • Cervical spine
  • Atlas
  • Exact model
  • Cancellous bone
  • Stress analysis
  • Material property sensitivity analysis

[1]     Levine A.M., Edwards C.C., Fracture of the atlas, Journal of Bone and surgery, 1991; 75(5): 680-691.

[2]     فرزان‌نیا اکبر؛ ترومای ستون فقرات و نخاع گردنی فوقانی (اکسی‌پوت، C1 و C2)، کنگره سالانه انجمن جراحان مغز و اعصاب ایران، 1375.

[3]     Beckner M.A., Heggeness M.H., Doherty B.J., A biomechanical study of Jeferson fractures, Spine, 1998; 23 (17): 1832-1836.

[4]     Hays M.B., Alker G.J., Fracture of the atlas vertebra: The two-part burst fracture of jeferson, Spine, 1988; 13(6): 601-613.

[5]     Jeferson G., Fracture of the atlas vertebra: Reports of four cases and a review of those previously recorded, British Journal of Surgery 1920; 7: 407-422.

[6]     Levine A.M., Edwards C.C., Fractures of the Atlas, Journal of Bone and Joint Surgery, 1991; 73 (5): 680- 691.

[7]     Oda T., Panjabi M.M., Crisco J.J., Oxland, T.R., Katz, L., Nolte L.,. Experimental study of atlas injuries II: Relevance to clinical diagnosis and treatment, Spine, 1991;16 (10 Suppl): S466-S473. Panjabi M.M., Oda T., Crisco J.J., Oxland T.R., Katz L., Nolte L., Experimental study of atlas injuries I: Biomechanical analysis of their mechanicsms and fracture patterns, Spine, 1991; 16 (10 Suppl): S460- S465.

[8]     حق پناهی محمد، سهرابی صبا، گرگین‌زاده علی، مدلسازی هندسی دقیق سه‌بعدی مهره اول ستون فقرات گردنی (اطلس) و تحلیل المان محدود مدل، نشریه بین‌المللی علوم مهندسی دانشگاه علم و صنعت ایران، شماره 3، جلد 18، پاییز 1386، صفحات 81-87.

[9]     Teo E.C., Ng H.W., First cervical vertebra (atlas) fracture mechanism studies using finite element method, Journal of Biomechanics, 2001; 34: pp13-21.

[10] Panjabi M.M., White A.A., Clinical Biomechanics of Spine, J.B.Lippincott Co.,1990: 342,360.

[11] Kumaresan S., Yoganandan N., Pintar F.A., Finite element analysis of the cervical spine: a material property sensitivity analysis, Journal of Clinical Biomechanics, 1998; 14: 41-53,

[12] Ng H.W., Teo E.C., Lee V.S., Statistical factorial analysis on the material property sensitivity of the mechanical responses of the C4-C6 under compression, anterior and posterior shear, Journal of Biomechanics, 2004; 37: 771-777.