Application of the finite element method in the human spine biomechanics

Abstract

Ortalarında 20. yüzyılda gelişimi bu yana, sonlu elemanlar (FE) yöntemi makine mühendisliği, fakat aynı zamanda elektronik veya termodinamiğin gibi diğer alanlarda sadece güvenilir bir aracı olarak görülmüştür. Biyomekanik olarak, sürekli mekaniği ve bünye denklemleri ilkeleri bugüne kadar başarıyla, plastik, metal ve kauçuk uygulanan sonlu elemanlar modelleri birleştiğinde kas-iskelet sistemi, genel davranışları çoğaltmak kendi potansiyellerini ortaya koymuştur. Mevcut tezin hedefi temel insan servikal ve lomber doğru FE modelleri geliştirmektir. Yeni bir metot diskler ve omur arasında entegre bir arayüz yapısı önerilmiştir. Hexahedral eleman diskleri ve omurları örgü için kullanılmıştır. Kafes elemanları bağ simüle etmek için kullanıldı. Tam geometri CT taraması verilerinden elde edilmiştir. İnsan omurga tüm temel özellikleri modellenmiştir; vertebra, intervertebral diskler ve ligament. Saf anlar simülasyonlar kullanıldı ve her modellerin alt kısmı her yöne kısıtlı bulundu. Her iki modelin tahmin hareket cevapları literatürde yayınlanmış in vitro çalışmalar ile karşılaştırılmış ve onlar iyi anlaşma vardı. biyomekanik parametreler üzerine servikal geometri etkisi değişikliği çalışılmıştır. Mid-sagital düzlemde simetri varsayımı ile FE modeli doğru servikal modeline benzer BT verileri kullanılarak geliştirildi. Böyle varsayımı kullanmak için bir neden edebiyat simetri yaklaşımı çok sayıda FE modelleri. Biyomekanik parametrelerin karşılaştırılması simetrik modeli makul sonuçlar üretir ve simetri varsayımı modelleme süresini azaltmak kullanarak gösterdi. Araç türleri, servikal ve bel modelleri hem uygulanmıştır. Hareket (EHA) kinematik, dizi araçların etkisi ve kinetik, intradiskal basıncı (IDP), faset yükü (FL), ve ligament stres (LS), servikal ve lomber parametreleri araştırıldı. araçlar, toplam disk replasmanı (TDR), posterior dinamik stabilizasyon (PDS), füzyon, interspinöz füzyon ve sakroiliak kanatları dahil. Tasarım değişiklikleri sağlam modelleri ile Araçlı modellerin biyomekanik davranışını karşılaştırarak sonra önerilmiştir.

Since its development in the mid 20th Century, the finite element (FE) method has shown to be a reliable tool, not only in mechanical engineering, but also in other fields such as electronics, or thermodynamics. In biomechanics, the principles of continuum mechanics and constitutive equations so far successfully applied to plastics, metals, and rubbers, have demonstrated their potential to reproduce general behaviors of the musculoskeletal system, when coupled to finite element models. The main of goal of the present thesis is to develop accurate FE models of the human cervical and the lumbar spine. A novel method was suggested to construct an integrated interface between the discs and the vertebrae. Hexahedral element was used to mesh the discs and vertebrae. Truss elements were used to simulate the ligaments. The exact geometry was obtained from CT scan data. All the main features of the human spine were modeled; vertebrae, intervertebral discs, and ligaments. Pure moments were used in simulations and lower part of each models were constrained in all directions. The predicted motion responses of both models were compared with the published in vitro studies in the literature and they were in good agreement. The effect change in the geometry of the cervical spine on the biomechanical parameters was studied. An FE model with the symmetry assumption in the mid-sagittal plane was developed using the CT data similar to the accurate cervical model. The reason to use such assumption is the numerous FE models in the literature symmetry approximation. The comparison of the biomechanical parameters showed that the symmetric model produces reasonable results and using the symmetry assumption reduce the modeling time. Different types of instruments were applied to both the cervical and the lumbar models. The effect of the instruments on the kinematic, range of motion (ROM), and kinetic, intradiscal pressure (IDP), facet load (FL), and ligament stress (LS), parameters of the cervical and the lumbar spine were investigated. The instruments included total disc replacement (TDR), posterior dynamic stabilization (PDS), fusion, interspinous fusion, and sacroiliac wings. Design modifications were suggested after comparing the biomechanical behavior of the instrumented models with intact models.