نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران

2 دانشیار، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران

10.22041/ijbme.2018.85502.1341

چکیده

اهمیت ستون مهره‌های بدن به عنوان پیچیده‌ترین عضو از لحاظ تحمل بارهای مکانیکی بر کسی پوشیده نیست. سالانه میلیون‌ها دلار در دنیا صرف درمان و هزینه‌های ناشی از آسیب ستون مهره‌ها می‌گردد. از این‌رو، مدل‌های المان محدود، نقش مهمی در مطالعات بیومکانیکی ستون مهره‌ها دارند. در شبیه‌سازی یک فرایند مکانیکی در ستون مهره‌ها، دانستن نیروهای عضلات متصل به ستون مهره امری ضروری است. یافتن این نیروها به کمک آزمایش‌های تجربی روی انسان، امری مخرب بوده و تخمین این نیروها نیز به کمک روش‌های بهینه‌سازی و یا الکترومایوگرافی، از دقت کافی برخوردار  نمی‌باشد. لذا، در این پژوهش به کمک ارائه‌ی یک مدل المان محدود برای ناحیه‌ی کمری ستون مهره‏ها با هندسه‌ی دقیق برای بافت‏های غیرفعال (دیسک‏ها و مفاصل خلفی) و هم‌چنین استخراج میزان چرخش و جابه‌جایی مهره‌های ناحیه‌ی کمری ستون مهره‌ها (به جای تخمین نیروه‌ها) از تصاویر پزشکی برای سه شخص مختلف، و در نهایت، اعمال جابه‌جایی‌ها و چرخش مهره‌ها به مدل، به عنوان شرایط مرزی، سه حالت خم شدن به جلو برای ناحیه‌ی کمری ستون مهره‌ها شبیه‌سازی گردیده است. به طور مثال، فشار وارد بر مهره‌ی L4-L5 در حالت خم شدن حدود  60 درجه‌ای به جلو، برابر با 4/2 مگاپاسکال و برای چرخش حدود  40 درجه‌ای، 9/1 مگاپاسکال ارزیابی شده است که با اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی تطابق خوبی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Estimation of Lumbar Spine Load Sharing using a Detailed Finite Element Model driven by X-Ray Kinematics in Flexion Task

نویسندگان [English]

  • Iraj Dehghan Hamani 1
  • Navid Arjmand 2

1 M.Sc. Student, Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

2 Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

Spinal diseases are prevalent and costly. Excessive mechanical loads on the spine play a crucial role in the etiology of back disorders. To estimate spinal loads one needs to calculate unknown muscle forces through either an optimization or EMG-driven approach. Both approaches involve several assumptions and simplifications regarding anatomy of muscles, mechanical properties of the spinal tissues, and estimation of the muscle forces. An alternative approach is to estimate spinal loads through effect of muscle forces, i.e., kinematics generated by muscles rather than forces generated by muscles. The present study hence aims to estimate spinal loads using a detailed finite element (FE) model of the T12-S1 spine driven by kinematics obtained through upright x-ray imaging.  For this, kinematics (angular and translational displacements) of the T12 through S1 vertebrae were first measured in vivo in three healthy individuals when performing flexion from relaxed upright posture. The measured kinematics were subsequently prescribed to the FE model to estimate load sharing among the joint structures. In agreement with the measured data, the L1-L2, L2-L3, L3-L4 and L4-L5 average intradiscal pressure was estimated to be ~2.6, ~2.8, ~2.1 and ~2 MPa in flexion, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Spine
  • 3D Finite Element Model
  • Angular and Translational Displacements
  • Flexion

[1]     Kelsey, Jennifer L., and Augustus A. White III. "Epidemiology and impact of low-back pain." Spine 5.2 (1980): 133-142.

[2]     Ramezanzadeh Koldeh, Masoud, Developing a biomechanical model of lumbar spine in order to evaluating the behavior of spine under physiological and in vitro loading conditions, Faculty of Mechanical Engineering, Sharif university of technology.

[3]     Belytschko, T., et al. "Finite element stress analysis of an intervertebral disc." Journal of Biomechanics 7.3 (1974)

[4]     Shirazi-Adl, Seyed A., Suresh C. Shrivastava, and Abdul M. Ahmed. "Stress Analysis of the Lumbar Disc-Body Unit in Compression A Three-Dimensional Nonlinear Finite Element Study." Spine 9.2 (1984): 120-134.

[5]     Shirazi-Adl, A., Abdul M. Ahmed, and Suresh C. Shrivastava. "Mechanical response of a lumbar motion segment in axial torque alone and combined with compression." Spine 11.9 (1986):914-927.

[6]     Wilke, Hans–Joachim, et al. "New in vivo measurements of pressures in the intervertebral disc in daily life." Spine 24.8 (1999): 755-762.

[7]     Wang, Shaobai, et al. "A combined numerical and experimental technique for estimation of the forces and moments in the lumbar intervertebral disc."Computer methods in biomechanics and biomedical engineering 16.12 (2013): 1278-1286.

[8]     Zanjani-Pour, Sahand, et al. "Image driven subject-specific finite element models of spinal biomechanics." Journal of biomechanics 49.6 (2016): 919-9

[9]   Naserkhaki, Sadegh, et al. "On the load-sharing along the ligamentous lumbosacral spine in flexed and extended postures: Finite element study." Journal of biomechanics (2015).

[10] Wilke, Hans-Joachim, Peter Neef, Barbara Hinz, Helmut Seidel, and Lutz Claes. "Intradiscal pressure together with anthropometric data–a data set for the validation of models." Clinical Biomechanics 16 (2001): S111-S126.

[11]           Dreischarf, M., T. Zander, A. Shirazi-Adl, C. M. Puttlitz, C. J. Adam, C. S. Chen, V. K. Goel et al. "Comparison of eight published static finite element models of the intact lumbar spine: predictive power of models improves when combined together." Journal of biomechanics 47, no. 8 (2014): 1757-1766.

[12] Azari, F., et al. "A combined passive and active musculoskeletal model study to estimate L4-L5 load sharing." Journal of biomechanics 70 (2018): 157-165.