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医疗保健工程
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医疗保健工程/2017年/文章
特殊的问题

骨科生物力学和生物工程和心血管康复

把这个特殊的问题

研究文章|开放获取

体积 2017年 |文章的ID 9618940 | https://doi.org/10.1155/2017/9618940

西蒂Nurfaezah Zahari,穆罕默德Juzaila Abd Latif、Raihanah Abdull Rahim,穆罕默德拉菲克Abdul Kadir也Tunku Kamarul, ”生理影响的生物力学加载在腰椎Intradiscal压力和环空压力:有限元分析”,医疗保健工程, 卷。2017年, 文章的ID9618940, 8 页面, 2017年。 https://doi.org/10.1155/2017/9618940

生理影响的生物力学加载在腰椎Intradiscal压力和环空压力:有限元分析

西蒂Nurfaezah Zahari,1 穆罕默德Juzaila Abd拉蒂夫,1,2 也不是Raihanah Abdull Rahim,3 穆罕默德拉菲克Abdul Kadir也,3 和 Tunku Kamarul4

1机械工程学院、马来西亚Teknikal大学马六甲挂Tuah Jaya, 76100榴梿Tunggal,马来西亚马六甲

2机器人和工业自动化中心(二氧化铈),马来西亚Teknikal大学马六甲,挂Tuah Jaya, 76100榴梿Tunggal,马来西亚马六甲

3医疗设备和技术集团生物科学与医学工程学院、马来西亚各种大学,81310士古来,柔佛、马来西亚

4组织工程集团(羊毛)、全国骨科卓越中心在研究和学习(NOCERAL)、矫形外科、马来亚大学医学院Lembah Pantai, 50603年吉隆坡,马来西亚

学术编辑器:Lizhen王
收到了 2017年5月05
修改后的 2017年7月10
接受 2017年7月24日
发表 2017年8月27日

文摘

本研究进行了检查体重的影响intradiscal压力(IDP)和环空压力腰椎的椎间盘。osseoligamentous腰椎三维有限元模型的开发受到从动载荷500 N, 800 N, 1200 N,代表个人的负载是正常和超重与纯粹的时刻为7.5 Nm屈伸运动。这是观察到的最大国内流离失所者在椎体节段寓于1.26 MPa。然而,国内流离失所者的最高增量被发现在- 5段弯曲的国内流离失所者增加到30%,这是更严重的扩展运动达到80%。此外,最大环应力也发生在3.9 MPa的寓于段扩展运动。然而,最高的增量也发现在- 5环空压力增加到17%在扩展运动。基于这些结果,生理负荷的增加可能是一个重要因素的增量intradiscal压力和环纤维化在腰椎椎间盘压力可能导致早期椎间盘损伤。

1。介绍

肥胖被认为是一个因素,可能导致慢性下腰痛(LBP)。这个问题在不久的将来有望进一步升级与当前越来越多的超重和肥胖的人口(1,2]。这是表明,体重的增加会增加腰椎的压力导致的潜在因素椎间盘变性()3- - - - - -6]。此外,过度负荷应用于腰椎骨折椎体终板在破坏试管(7]。

在计算研究中,从动载荷应用于腰椎(IDP)可能会增加intradiscal压力,节间的旋转和方面联合部队(8,9]。脊柱上的压缩负荷减少由于椎间盘高度的减少的体积质量凝胶状的髓核。作为从盘的液体被挤出,将重组造成的组织粘弹性环胶原纤维蠕变(10,11]。因此,这就增加了静水压力和外环开始膨胀。尽管这些现象被描述在许多计算和临床研究,支撑生物力学的基本理解导致椎间盘损伤还有待探索。此外,体重增加之间的关系,强调发生在各种腰椎椎段当身体在不同姿势需要阐明。

在目前的研究中,生理负荷的影响,在研究了腰椎椎段检查试管使用有限元方法在屈伸运动。国内流离失所者在髓核和•冯•米塞斯应力(VMS)在试管的环纤维化。

2。材料和方法

2.1。有限元建模

腰椎的几何数据从计算机断层扫描(CT)扫描获得一个健康的21岁男,1.73米的身高和70公斤体重。3毫米片厚度的CT扫描图像二维(2 d)标准镶嵌语言(STL)格式是分段开发人体腰椎的三维(3 d)模型使用模拟14.0(出现,鲁汶,比利时)和魔法(出现,鲁汶,比利时)软件,如图1(一)。Marc Mentat 2011 (MSC、软件、圣安娜,CA)有限元(FE)软件被用来使用线性一阶四面体元素生成有限元模型如图1 (b)。

(一)”name=
(一)
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(b)
图1
L1-L5腰椎。(a)和(b)三维模型有限元模型。

脊椎分为硬皮质骨在外面和密度较低松质骨内线性各向同性材料属性被强加的皮质和松质骨(12]。皮质的厚度是1毫米(13]。

试管是手动创建的3 d模型利用SolidWorks(达索系统公司股价SolidWorks公司)软件环之间的容积率和核将3:7 (14]。盘的顶部和底部表面构造的表面在接触对应的相邻椎体的表面使用模拟软件。试管是由髓核和纤维环纤维化是模仿使用Mooney-Rivlin配方(超弹性的15,16]。同质的环被构造的复合基质胶原纤维强化了。纤维是由三维桁架元素与材料非线性的应力-应变曲线性质和角度变化从±24°±46°(12,15]。

面软骨区域设置为超弹性的使用Mooney-Rivlin配方2毫米的厚度(12,16]。咬合面表面被建模为地对地接触0.5毫米最初的差距在正常的接触刚度是200 N /毫米和摩擦系数为零15]。这将只允许压缩力内传播之间的差距咬合面表面(15,17]。

韧带是使用桁架元素表示。表1显示了腰椎韧带的几何参数(15,18]。材料属性的完整列表osseoligamentous腰椎的施加在有限元模型中提出了表2。
韧带 横截面积(毫米2)
后纵韧带(锁相环) 20.0
前纵韧带(所有) 63.7
韧带flavum(低频) 40.0
荚膜韧带(CL) 30.0
Intertransverse韧带(ITL) 1.8
棘突间的韧带(ISL) 40.0
棘突上的韧带(SSL) 30.0
表1
几何参数的腰椎韧带15,18]。
元素集 元素类型 材料特性 参考
皮质骨 三维四面体 E= 12000 MPa,ν= 0.3 (16]
松质骨 三维四面体 E= 100 MPa,ν= 0.2 (16]
关节软骨 3 d赫尔曼配方,低阶四面体 E= 35 MPa,ν= 0.4 (15]
髓核 3 d赫尔曼配方,低阶四面体 Mooney-Rivlin:C1= 0.12,C2= 0.03 (12]
环纤维化 3 d赫尔曼配方,低阶四面体 Mooney-Rivlin:C1= 0.18,C2= 0.045 (12,16]
锁相环 三维桁架 E= 10.0 MPa (ɛ< 11%),E= 20 MPa (ɛ> 11%) (15,18]
所有 三维桁架 E= 7.8 MPa (ɛ< 12%),E= 20 MPa (ɛ> 12%) (15,18]
低频 三维桁架 E= 15.0 MPa (ɛ< 6.2%),E= 19.5 MPa (ɛ> 6.2%) (15,18]
CL 三维桁架 E= 7.5 MPa (ɛ< 25%),E= 32.9 MPa (ɛ> 25%) (15,18]
ITL 三维桁架 E= 10.0 MPa (ɛ< 18%),E= 58.7 MPa (ɛ> 18%) (15,18]
ISL 三维桁架 E= 10.0 MPa (ɛ< 14%),E= 11.6 MPa (ɛ> 14%) (15,18]
SSL 三维桁架 E= 8.0 MPa (ɛ< 20%),E= 15.0 MPa (ɛ> 20%) (15,18]
E:杨氏模量;ν:泊松比;ɛ:应变;C1和C2:材料常数描述偏变形的材料。
表2
材料特性的组件osseoligamentous腰椎模型。

网格收敛性分析以获得一个最佳的腰椎成型的有限元模型。四个有限元模型- 5腰椎段开发使用1.5毫米,2.0毫米,2.5毫米,3毫米网格大小。分析是基于IDP试管的结果最优网格大小开始在2毫米的国内流离失所者到达了一个高原价值。的2.0毫米被应用于有限元模型L1-L5腰椎(12]。

2.2。有限元分析

椎体之间的接触表面和试管被设置为完全彼此连接在Marc Mentat使用段段接触算法软件。FE模型受到从动载荷500 N, 800 N, 1200 N代表典型的人类正常体重,超重,肥胖基于65%的上半身重量与当地一个额外的200 N的肌肉力量(19,20.]。纯7.5 Nm的时刻使用力偶生成应用于弯曲和扩展点(图2)来创建弯曲或扩展运动(21,22]。力偶是由两个大小相等,方向相反的力,如表所示3(23]。


图2
加载和腰椎的有限元模型的边界条件。
加载方向 弯曲的时刻点 扩展的时刻点
Fy(N) Fz(N) Fy(N) Fz(N)
弯曲 −98牛 −230牛 98牛 230牛
扩展 98牛 230牛 −98牛 −230牛
表3
级加载应用于腰椎。

八个春天元素应用在L1-L5侧椎体的总负载平分到每个弹簧元件(24,25]。这是确保应用从动载荷的均匀性,避免任何潜在的椎间体的旋转。L5椎体的下表面是完全固定在各个方向如图2。

3所示。结果

3.1。有限元模型的验证

osseoligamentous腰椎的有限元模型验证了通过比较关节活动度(ROM)与先前的体外研究在纯弯曲和扩展运动7.5 Nm的时刻。目前的结果节间旋转的腰椎遵循类似的趋势,前面的体外结果如图3(21]。罗之间的差异百分比现在和以前的体外研究弯曲7.5%至7.5纳米。尽管显著差异2和5 Nm扩展腰椎的运动,罗的百分比差异下降到8.1%时达到7.5 Nm的时刻。


图3
罗现在FE模型之间的比较和以前体外结果低于7.5 Nm纯粹的时刻。

进一步比较也进行了检查轴向位移和国内流离失所者的试管- 5椎段。发现类似的趋势也发生在前面的体外研究,如图4(26,27]。之间的差异目前的有限元分析结果和先前的体外研究结果为轴向位移和国内流离失所者的试管在1200 N压缩负载分别为7.1%和6.9%,分别。基于这些结果,开发了有限元模型可以产生适当的和可靠的结果进行进一步的有限元分析。

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(一)
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(b)
图4
比较目前的有限元分析和以前的体外试管的研究结果。(一)轴向位移和(b)国内流离失所者在压缩负荷达到1200 N。
3.2。人类体重Intradiscal压力的影响

图5显示了IDP的比较每个试管的髓核在腰椎椎段。发现国内流离失所者是随着人类脊柱生理负荷的增加增加弯曲运动的最高压力为1.26 MPa寓于椎段。国内流离失所者增加的弯曲运动但相反的趋势在扩展运动。人类体重的影响被观察到的是更重要的- 5段,如图6。在弯曲运动,1200 N负荷产生的压力比500年高出30% N负荷,分别而在扩展运动,压力下降到80%。在其他椎水平,国内流离失所者之间的差异500 N和1200 N负荷在屈曲运动范围从4%到8%,而获得了更高的范围在18 - 60%之间扩展运动。


图5
比较每个试管的髓核的国内流离失所者在腰椎椎段。

图6
IDP等高线的髓核- 5椎段。
3.3。人类体重环纤维化的影响

一般来说,环空压力增加人类的体重增加的最大环应力为3.9 MPa 1200 N负荷寓于腰段,如图7。最高的增量是观察到- 5环空压力增加到17%的地方扩展运动,而在弯曲运动,环空压力增加到10%。在其他椎水平,增加500 N和1200 N之间的环空压力加载在扩展和1 - 8% 1.3 - -8%之间在弯曲运动。


图7
环空压力500 N, 800 N, 1200 N负荷在屈伸运动。

4所示。讨论

目前的研究表明生理负荷的体重中扮演一个重要的角色在试管在腰椎应力分布。观察到,增加体重会增加压力在髓核和纤维环各级纤维化的试管。此外,运动的位置和方向似乎影响这些结果的国内流离失所者增加弯曲运动但相反的趋势在扩展运动。严重影响注意到当重个人继续体验增加压力和压力在试管在腰椎椎段特别是在- 5段弯曲和扩展运动。

本研究的结果显示类似的国内流离失所者测量模式在体外研究发现最大的国内流离失所者的弯曲运动由于负载从后转向前屈运动的试管(12,28,29日]。核压力的增加提高了环上的拉应力纤维导致试管上的过度压力和刺激椎间盘变性的传播特别是髓核(21]。这将增加试管的刚度,可以减少它的高度由于流出的液体通过椎体终板(30.]。随后,流体损失将增加蛋白多糖和细胞核内渗透压30.,31日]。

最大的环空压力得到扩展运动由于负载变化的前部向后部试管。前面临床研究中观察到的这一现象也在椎体终板的结构缺陷往往从细胞核转移到分发负载后环。它已经表明,这可能会导致疼痛和可能撕裂圆盘边缘的环32,33]。

5。结论

增加体重会增加压力的试管在腰椎椎段特别是- 5段。此外,髓核与纤维环相比是更严重的影响。尽管腰椎屈伸运动似乎有不同的比例影响试管,发现重个人将继续在试管无论受到压力的增加脊柱的位置。这可能是一个因素可能会导致早期椎间盘损伤。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢康复工程和辅助技术研究小组,马来西亚Teknikal大学马六甲(UTeM)和医疗设备和技术集团生物科学与医学工程学院、马来西亚各种大学的有价值的研究设施。这项研究是由高等教育、马来西亚:尔格/ 2012 / FKM / TK01/02/3 / E00005。

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