نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی
نویسندگان
1 دانشجوی دکتری مهندسی پزشکی، گروه مهندسی بیومکانیک، دانشکدهی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
2 دانشیار، مدیر گروه مهندسی بیومکانیک، دانشکدهی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
3 دانشجوی کارشناسی مهندسی پزشکی، گروه مهندسی بیومکانیک، دانشکدهی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
چکیده
درد در ناحیهی کمر یک مشکل رایج پزشکی بوده که تا کنون دلیل مشخصی برای آن یافته نشده است اما در اغلب موارد بیثباتی ستون فقرات به عنوان مهمترین دلیل بروز آن در نظر گرفته میشود. یکی از راههای درمان کمردرد، ثابتسازی ستون فقرات است که با عمل یا بدون عمل جراحی انجام میشود. یکی از روشهای جراحی، استفاده از پیچ ارتوپدی است که در آن استحکام و پایداری پیچ اهمیت زیادی دارد. استحکام و پایداری پیچ در استخوان باعث کاهش زمان و هزینهی درمان، کاهش مقدار خونریزی و تسریع درمان میشود. برای ارزیابی پایداری پیچهای ارتوپدی و ستون فقرات میتوان از آزمونهای پیچش پیچ، نیروی کشش پیچ، گشتاور ورود، بار خستگی و عکسهای رادیولوژی استفاده کرد. در این پژوهش، بیشینهی گشتاور ورود هنگام ورود پیچ به مهرهی ستون فقرات کمری گوسفند با گشتاورسنج دیجیتال اندازهگیری شده، سپس با چکش مخصوص ضربه، ضربهای به پیچ وارد شده و صدای تولید شده با یک میکروفون دیجیتال ضبط شده است. با پردازش سیگنال حاصل با نرمافزار متلب و رسم نمودار تبدیل فوریهی سریع، مود ارتعاشی پیچ به دست آمده و نیروی کشش پیچ برای نمونهها با دستگاه آزمون کشش تعیین شده است. نوآوری این مقاله استفاده از روش تحلیل مودال و تعیین رابطهی آن با بیشترین نیروی کشش پیچ و گشتاور ورود است. در این مطالعه 5 پیچ مورد آزمایش قرار گرفته که پارامترهای عمق پیچ، متغیر بودن تاج رزوهی پیچ و خودکار بودن/نبودن پیچ در آنها متفاوت است. بیشترین گشتاور ورود، نیروی کشش و فرکانس طبیعی به ترتیب برابر با 182 N.cm، 992 N و 1916 Hz در پیچ با بدنهی استوانهای محاسبه شده است. با بررسی دادههای به دست آمده مشاهده شده است که یک رابطهی خطی بین بیشترین نیروی کشش پیچ و گشتاور پیچ وجود دارد. با توجه به عدم وجود معناداری در دادههای فرکانس طبیعی و نیروی کشش پیچ بین پیچهای دارای نوک خودکار و غیرخودکار (مقایسهی پیچهای 3 و 4 و پیچهای 1 و 5)، استفاده از پیچهای خودکار یک مزیت به شمار میرود. 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 غیرمخرب بودن روش آنالیز مودال میتواند یک مزیت برای استفاده در جراحیهای درونتنی 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]
- Mohammad Javad Einafshar 1
- Seyed Ataollah Hashemi 2
- Pedram Mojgani 3
1 Ph.D. Student, Biomechanical Engineering Group, Department of Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
2 Associate Professor, Biomechanical Engineering Group, Department of Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
3 B.Sc. Student, Biomechanical Engineering Group, Department of Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]
Back pain is a common medical problem. There is no clear cause for the back pain problem so far, but in most cases, spinal instability can be noted. 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 pull-out force. The innovation of this study was to use modal analysis method and to correlate its results with that of the ultimate pull-out 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
- Pull-Out Strength
- Insertion Torque
- Self-Tapping Pedicle Screws