نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی
نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، گروه تبدیل انرژی، دانشکدهی مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
2 استادیار، گروه تبدیل انرژی، دانشکدهی مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
چکیده
در ستون فقرات، دیسکهای بین مهرهای نقش انعطافپذیری، انتقال بار و استهلاک انرژی در ضربات ناشی از بارگذاری را بر عهده دارند. افزایش سن و اعمال بارگذاریهای نامناسب منجر به انحطاط (دژنره شدن) دیسکهای بین مهرهای میشود. بررسی پارامترهای بیومکانیکی دیسک سالم و دژنرهشده در سطوح مختلف جهت کشف مکانیزمهای مربوط به دژنره شدن دیسک و یافتن راهکارهای درمانی موثر از اهمیت بالایی برخوردار است. در این پژوهش، یک دیسک بین مهرهای ناحیهی گردنی ستون فقرات به همراه دو مهرهی مجاور آن (C5 و C6) با استفاده از روش مقطعنگاری رایانهای (سیتی اسکن) به یک مدل سهبعدی دقیق تبدیل شده است. برای تعریف دقیق خواص بیومکانیکی دیسک و مهرهها از دو مدل پوروویسکوالاستیک و پوروالاستیک استفاده شده است. در این دو مدل، ساختار دیسک و مهره به صورت متخلخل در نظر گرفته شده و همچنین خواص ماتریس جامد دیسک و مهره و جریان سیال (آب) درون آنها به عنوان یک عامل اساسی در عملکرد ستون مهرهها نیز مد نظر قرار داده شده است. خاصیت ویسکوالاستیک فاز جامد دیسک با استفاده از تست آزمایشگاهی ریلکسیشن (آسودگی از تنش) روی نمونهی دیسک گوسفندی و برازش دادههای تنش بر حسب زمان، به مدل عمومی ماکسول دوشاخهای استخراج گردیده است. پاسخهای وابسته به زمان دیسک بین مهرهای سالم و دیسکهای دژنرهشده در سه سطح مختلف (خفیف، متوسط و شدید) در بارگذاری ریلکسیشن، با استفاده از روش المان محدود مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان میدهند که در فرایند ریلکسیشن، با افزایش میزان دژنره شدن دیسک، سرعت جریان سیال درون آن کاهش یافته و این امر منجر به کاهش انعطافپذیری دیسک تحت بارگذاری میگردد. همچنین با بررسی نتایج مشاهده میشود که تنش ریلکسیشن دیسک دژنرهشدهی سطح 3 (شدید) نسبت به دیسک بین مهرهای سالم تا حدود 16% افزایش یافته است. بررسی میزان بیرونزدگی دیسکهای دژنرهشده و دیسک سالم تحت بارگذاری، نشان میدهد که با افزایش میزان دژنره شدن دیسک، میزان بیرونزدگی آن نیز افزایش مییابد.
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Assessing Time-Dependent Response of Intact and Degenerated Cervical Intervertebral Discs by Employing a Poroviscoelastic Model based on Experimental Relaxation Data
نویسندگان [English]
- Mahdieh Mosayebi 1
- Afsaneh Mojra 2
1 M.Sc. Student, Department of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
2 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]
Intervertebral disc (IVD) provides flexibility and shock absorption for the spine in the load transmission procedure. Disc degeneration may occur as a result of aging and inappropriate types of loading. Assessing biomechanical parameters of intact IVD in comparison to the degenerated disc with different grades of degeneration can facilitate the detection procedure and planning for suitable therapeutic treatment. In the present study, a real three-dimensional model of cercival IVD ( - with adjacent vertebrae is constructed by using computed tomography (CT-scan) images. In order to accurately define mechanical properties, the disc and the vertebrae are modelled as poroviscoelastic and poroelastic materials, respectively. A porous medium approach is adopted to consider the considerable water content of both media alongside the solid matrix. For the solid phase of the IVD, the related viscoelastic parameters are extracted from an experimental test on a sheep lumbar intervertebral disc and stress vs. time data are fitted to the generalized Maxwell model with two Maxwell arms. By employing the finite element method, time-dependent response of the intact IVD and three different levels of the degenerated IVD (mild, moderate and severe) are studied in a relaxation test. Results indicate that during relaxation procedure, intradiscal fluid velocity decreases as a result of disc degeneration. This may oppositely affect the flexibility of IVD in the load bearing. It is also observed that stress relaxation of the severe degenerated IVD almost increases up to 16% relative to the intact IVD. Assessing the amount of disc bulging under load application shows enhancement for the degenerated disc compared to the intact disc.
کلیدواژهها [English]
- Intervertebral Disc
- Relaxation Test
- Poroviscoelastic Model
- Disc Degeneration
- Finite Element Method
prolapses with complex loading in different degrees of disc degeneration-a finite element analysis,” Clin. Biomech., vol. 22, no. 9, pp. 988-998, Nov., 2007.
intervertebral disc mechanics with degeneration,” J. Bone Joint Surg. Am., vol. 88, pp. 36-40, Apr., 2006.
element model to describe the time-dependent response of lumbar intervertebral disc,” J. Med. Imaging Health Inf., vol. 1, no. 3, pp. 246-251, Sept., 2011.
and experimental results for the nonlinear elastic
behavior of human annulus fibrosus,” J. Orthop. Res., vol. 22, no. 4, pp. 901-909, Jul., 2004.
analysis of a lumbar motion segment in combined
compression and sagittal flexion: effect of loading rate,” Spine, vol. 25, no. 3, pp. 310-318, Feb., 2000.
element model to describe the time-dependent response of lumbar intervertebral disc,” J. Med. Imaging Health Inf., vol. 1, no. 3, pp. 246-251, Sept., 2011.
of human lumbar disc nucleus replacements,” Comp. Methods Biomech. Biomed. Eng., vol. 17, no. 16, pp. 1762-1776, 2014.
changes after 1 h of running: a study on athletes,” J. Int. Med. Res., vol. 39, pp. 569-579, 2011.
disc response in cyclic compression: Replication of in vitro and in vivo conditions,” J. Biomech., vol. 70, pp. 16-25, 2018.
dynamic flexion in spine injury is altered by increasing dynamic load magnitude,” Clin. Biomech., vol. 24, no. 2, pp. 148-154, Feb., 2009.
morphological changes of the intervertebral disc on the lumbar spine biomechanics: a poroelastic finite element investigation,” Comp. Methods
Biomech. Biomed. Eng., vol. 14, no. 8, pp. 729-739, 2011.
Spinal Motion Segments Based on a Poroelastic View of the Intervertebral Disk,” J. Biomech. Eng., vol. 107, no. 4, pp. 327-335, Nov., 1985.