Yeditepe spine mesh: Modeling and validation of a parametric finite element model of the lumbar spine

Abstract

Sonlu elemanlar analizi, lomber omurganın biyomekanik tepkisini incelemek için sıklıklakullanılan güçlü bir araçtır. Bu analiz için kullanılan anatomik ağlar genellikle sabittir,böylece morfometrik parametrelerin ayarlanmasını önler. Bu çalışmanın temel amacı,önceden belirlenmiş L4 L5 omurga seviyesinin morfometrik parametrelerinin bağımsızolarak ayarlanmasına izin verecek şekilde segmentli bir sonlu eleman modeli ve parametrikbir sonlu eleman modeli geliştirmektir. Yakınsama çalışmaları ile kapsamlı bir doğrulamaprosedürü uygulandı. Doğrulama ölçütlerimiz olarak, moment-dönüş eğrileri, intradiskalnükleer basınçlar ve faset eklem temas kuvvetleri bu iki modelden ve literatürden elde edilenverilerden toplanmış ve modellerimizi doğrulamak için birbirleriyle karşılaştırılmıştır.Segmentli sonlu elemanlar modelinin literatürle iyi bir uyum içinde olduğu gözlendi, bunedenle, ölçüm karşılaştırmalarımıza göre sonuçları geçerli kabul edildi. Parametrik sonluelemanlar modelinin, ani dönme eğrisi tahminleri ve intradiskal nükleer basınç tahminleriiçin segmentli sonlu elemanlar modeli ve literatür ile iyi bir uyum içinde olduğugörülmüştür. Faset eklem temas kuvvetlerinin parametrik sonlu elemanlar modeli tarafındanfazla tahmin edildiği gözlenmiştir. Faset eklem geometrisi ve omur geometrisinin simetrikolmayan doğasının dahil edilmesi üzerine gelecekte bir çalışma yapılması önerilmiştir.

Finite element analysis is a powerful tool that is often used in order to study thebiomechanical response of the lumbar spine. Anatomical meshes that are used for suchanalysis are often fixed, hence preventing the tuning of morphometrical parameters. Theprimary objective of this study was to develop a segmented finite element model and aparametric finite element model that would allow the independent tuning of previouslydetermined morphometrical parameters of the L4 L5 spinal level. An extensive verificationprocedure was applied via convergence studies. As our validation metrics, moment-rotationcurves, intradiscal nuclear pressures, and facet joint contact forces were collected from theseboth models, as well as the data from the literature, and compared with each other in orderto validate our models. Segmented finite element model was observed to be in a goodagreement with the literature, therefore, validated for all of our validation metric predictions.The parametric finite element model, on the other hand, was observed to be in a goodagreement with the segmented finite element model, and with the literature, for its momentrotation curve predictions and intradiscal nuclear pressure predictions. Facet joint contactforces were observed to be overpredicted by the parametric finite element model. Futurestudy on the facet joint geometry and inclusion of the non-symmetric nature of the vertebraegeometry was proposed as a future study.