نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

گروه بیومکانیک، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیر کبیر، تهران، ایران.

10.22041/ijbme.2020.114543.1525

چکیده

به‌منظور درمان مشکل کمردرد، تثبیت ستون فقرات انجام می‌گیرد. یکی از روش‌های جراحی، استفاده از پیچ ارتوپدی است که در آن استحکام و پایداری پیچ اهمیت فراوانی دارد. به منظور ارزیابی پایداری پیچ‌های ارتوپدی و ستون فقرات می‌توان به آزمونهای پیچش پیچ، نیروی کشش پیچ، گشتاور ورود، بار خستگی و عکس‌های رادیولوژی اشاره کرد. در این پژوهش هنگام ورود پیچ به مهره ستون فقرات کمری گوسفند، با گشتاورسنج دیجیتال، بیشینه گشتاور ورود اندازه‌گیری شد، سپس به‌وسیله چکش مخصوص ضربه، ضربه‌ای به پیچ وارد شده و صدای تولیدشده به‌وسیله‌ی یک میکروفون دیجیتالی ضبط گردید. با پردازش سیگنال حاصل به‌وسیله‌ی نرم‌افزار MATLAB R2017 و رسم نمودار تبدیل فوریه‌ی سریع ، مود ارتعاشی پیچ به دست ‌آمد. درنهایت، به‌وسیله‌ی دستگاه آزمون کشش، نیروی کشش پیچ برای نمونه‌ها تعیین شد. نوآوری این پژوهش استفاده از روش تحلیل مودال و تعیین رابطه‌ی آن با بیشترین نیروی کشش پیچ و گشتاور ورود آن است.
در این مطالعه 5 پیچ مورد آزمایش قرار گرفتند که پارامترهای عمق پیچ، متغیر بودن تاج رزوه پیچ، خودکار بودن یا نبودن پیچ در آن‌ها متفاوت بود. بیشترین گشتاور ورود، نیروی کشش و فرکانس طبیعی به ترتیب 182 نیوتن در سانتی متر،992 نیوتن و 1916هرتز در پیچ با بدنه استوانه ای رخ داد. با مقایسه داده‌های به‌دست‌آمده، نتایج از رابطه خطی بین بیشترین نیروی کشش پیچ و گشتاور پیچ حکایت دارد. با توجه به عدم وجود معناداری در داده های فرکانس طبیعی و نیروی کشش پیچ بین پیچ های دارای نوک خودکار و غیر خودکار (مقایسه بین پیچ شماره 3و4 و بین 1و5)، استفاده از پیچ‌های خودکار یک مزیت است. روند صعودی یا نزولی پارامترهای وابسته در هر سه روش بیشترین گشتاور ورود، بیشترین نیروی کشش پیچ و فرکانس طبیعی یکسان است که با توجه به غیر مخرب بودن روش آنالیز مودال یک مزیت برای استفاده در جراحی‌های درون تنی می‌تواند باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Evaluation of primary stability of spinal pedicle screws using modal analysis, conventional pull-out and insertion torque test

نویسندگان [English]

  • Mohammadjavad Einafshar
  • Pedram Mojgani
  • Seyed Ataolah Hashemi

Biomechanics group, Biomedical engineering faculty, Amirkabir university of technology, Tehran, Iran.

چکیده [English]

Lumbar spine fixation is performed to treat the problems of low back pain. Spinal fixation can be done with or without surgery. One of the surgical methods is the use of spinal screws in which the strength and stability of the screw are of great importance. The strength and stability of the screw in the bone reduces the time and cost of treatment, reduces the amount of bleeding and accelerates the patient's treatment. In this study, screws were inserted using a digital torque meter. An impact was applied using an impact hammer and resonated sound was recorded using a microphone. The vibration mode of the screw was obtained by processing the signal generated by MATLAB R2017 software and plotting the fast Fourier transform. Finally, tensile test was performed to obtain the ultimate pullout force. The innovation of this study was to use modal analysis method and to correlate its results with that of the ultimate pullout force and peak insertion torque. In this study, five screws with different screw depth, and screw thread crest thickness were examined. Also, the effect of self-tapping was investigated. The peak insertion torque, ultimate pull-out strength and natural frequency occurred at 182 Nm, 992 N and 1916 Hz, respectively, for the cylindrical pedicle screw. By comparing the obtained data, results showed a linear relationship between insertion torque and pull-out force of the screws. Due to the lack of significant difference between natural frequency and pull-out force of the self-drilling and non-self-drilling tip screws (comparing between screws number 3 and 4 and between 1 and 5), the use of self-tapping screws can be advantageous. The trend of the dependent parameters in all three methods i.e. insertion torque, pull-out force and natural frequency are the same, indicating the non-destructive advantage of modal analysis in in-vivo surgical application.

کلیدواژه‌ها [English]

  • modal analysis
  • natural frequency
  • Pullout force
  • insertion torque
  • self-tap spinal screws