نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

• ایرج دهقان هامانی ¹
• نوید ارجمند ²

¹ دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران

² دانشیار، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران

چکیده

اهمیت ستون مهره‌های بدن به عنوان پیچیده‌ترین عضو از لحاظ تحمل بارهای مکانیکی بر کسی پوشیده نیست. سالانه میلیون‌ها دلار در دنیا صرف درمان و هزینه‌های ناشی از آسیب ستون مهره‌ها می‌گردد. از این‌رو، مدل‌های المان محدود، نقش مهمی در مطالعات بیومکانیکی ستون مهره‌ها دارند. در شبیه‌سازی یک فرایند مکانیکی در ستون مهره‌ها، دانستن نیروهای عضلات متصل به ستون مهره امری ضروری است. یافتن این نیروها به کمک آزمایش‌های تجربی روی انسان، امری مخرب بوده و تخمین این نیروها نیز به کمک روش‌های بهینه‌سازی و یا الکترومایوگرافی، از دقت کافی برخوردار  نمی‌باشد. لذا، در این پژوهش به کمک ارائه‌ی یک مدل المان محدود برای ناحیه‌ی کمری ستون مهره‏ها با هندسه‌ی دقیق برای بافت‏های غیرفعال (دیسک‏ها و مفاصل خلفی) و هم‌چنین استخراج میزان چرخش و جابه‌جایی مهره‌های ناحیه‌ی کمری ستون مهره‌ها (به جای تخمین نیروه‌ها) از تصاویر پزشکی برای سه شخص مختلف، و در نهایت، اعمال جابه‌جایی‌ها و چرخش مهره‌ها به مدل، به عنوان شرایط مرزی، سه حالت خم شدن به جلو برای ناحیه‌ی کمری ستون مهره‌ها شبیه‌سازی گردیده است. به طور مثال، فشار وارد بر مهره‌ی L4-L5 در حالت خم شدن حدود  60 درجه‌ای به جلو، برابر با 4/2 مگاپاسکال و برای چرخش حدود  40 درجه‌ای، 9/1 مگاپاسکال ارزیابی شده است که با اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی تطابق خوبی دارد.

کلیدواژه‌ها

• جابه‌جایی و چرخش مهره‌ها
• ناحیهی کمری ستون مهره‌ها
• مدل المان محدود

موضوعات

• بیومکانیک ستون مهره‌ها

عنوان مقاله [English]

Estimation of Lumbar Spine Load Sharing using a Detailed Finite Element Model driven by X-Ray Kinematics in Flexion Task

نویسندگان [English]

• Iraj Dehghan Hamani ¹
• Navid Arjmand ²

¹ M.Sc. Student, Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

² Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

Spinal diseases are prevalent and costly. Excessive mechanical loads on the spine play a crucial role in the etiology of back disorders. To estimate spinal loads one needs to calculate unknown muscle forces through either an optimization or EMG-driven approach. Both approaches involve several assumptions and simplifications regarding anatomy of muscles, mechanical properties of the spinal tissues, and estimation of the muscle forces. An alternative approach is to estimate spinal loads through effect of muscle forces, i.e., kinematics generated by muscles rather than forces generated by muscles. The present study hence aims to estimate spinal loads using a detailed finite element (FE) model of the T12-S1 spine driven by kinematics obtained through upright x-ray imaging.  For this, kinematics (angular and translational displacements) of the T12 through S1 vertebrae were first measured in vivo in three healthy individuals when performing flexion from relaxed upright posture. The measured kinematics were subsequently prescribed to the FE model to estimate load sharing among the joint structures. In agreement with the measured data, the L1-L2, L2-L3, L3-L4 and L4-L5 average intradiscal pressure was estimated to be ~2.6, ~2.8, ~2.1 and ~2 MPa in flexion, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

• Spine
• 3D Finite Element Model
• Angular and Translational Displacements
• Flexion