بررسی پاسخ وابسته به زمان دیسک های بین مهره ای سالم و دژنره شده ناحیه گردنی با استفاده از مدل پوروویسکوالاستیک و داده های تست تجربی ریلکسیشن

نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 گروه تبدیل انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی، تهران

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

10.22041/ijbme.2019.90503.1380

چکیده

دیسک بین مهره ای در ستون فقرات عامل انعطاف پذیری، انتقال بار و استهلاک انرژی ضربات ناشی از بارگذاری می باشد. گذشت زمان و اعمال بارگذاریهای نامناسب باعث دژنره شدن دیسکهای بین مهره ای می شود. بررسی پارامترهای بیومکانیکی دیسک سالم و دژنره شده برای کشف مکانیزمهای مربوط به دژنره شدن و یافتن راهکارهای درمان از اهمیت بالایی برخوردار است. در تحقیق حاضر دیسک ناحیه گردنی ستون فقرات به همراه دو مهره مجاور آن (C5 و C6) با استفاده از روش سی تی اسکن به یک مدل سه بعدی دقیق تبدیل شده است. برای تعریف دقیق خواص بیومکانیکی دیسک و مهره از دو مدل پوروویسکوالاستیک و پوروالاستیک استفاده شده است. این دو مدل ضمن درنظرگرفتن خواص ماتریس جامد دیسک و مهره، جریان سیال آب درون آنها را نیز به عنوان یک جزء اساسی در عملکرد ستون مهره ها با درنظرگرفتن ساختار متخلخل برای دیسک و مهره لحاظ کرده اند. خاصیت ویسکوالاستیک فاز جامد دیسک با استفاده از تست آزمایشگاهی ریلکسیشن بر روی نمونه دیسک گوسفندی و برازش داده های تنش-زمان به مدل عمومی ماکسول دوشاخه ای استخراج گردیده است. با استفاده از روش المان محدود، پاسخهای وابسته به زمان دیسک بین مهره ای سالم و دیسکهای دژنره شده در سه سطح مختلف (خفیف، متوسط و شدید) در بارگذاری ریلکسیشن مورد بررسی قرارگرفته است. نتایج نشان می دهند که در فرآیند ریلکسیشن، با افزایش میزان دژنره شدن دیسک، سرعت جریان سیال درون آن کاهش می یابد و این امر منجر به کاهش انعطاف پذیری دیسک تحت بارگذاری می گردد. همچنین با بررسی نتایج مشاهده می شود که تنش ریلکسیشن دیسک دژنره شده شدید نسبت به دیسک بین مهره ای سالم تا حدود 16% افزایش یافته است. بررسی میزان بیرون زدگی دیسکهای دژنره شده نسبت به دیسک سالم تحت بارگذاری، نشاندهنده افزایش میزان بیرون زدگی با افزایش میزان دژنره شدن دیسک است.

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 Department of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology
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 (C_5-C_6) 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