Transcript
Page 1: ANALIZA BIOMECHANICZNA KRĘGOSŁUPA LĘDŹWIOWEGO … · Biomechanika kręgosłupa jest przedmiotem częstych analiz przez naukowców na całym świecie [3]. Spowodowane jest to dwiema

Magdalena OŻÓG, Koło naukowe BIOKREATYWNI przy Katedrze Biomechatroniki, Politechnika Śląska, Gliwice Wojciech WOLAŃSKI, Katedra Biomechatroniki, Politechnika Śląska, Gliwice Dawid LARYSZ, Klinika Neurochirurgii, Śląski Uniwersytet Medyczny, Katowice Adam RUDNIK, Klinika Neurochirurgii, Śląski Uniwersytet Medyczny, Katowice Marek GZIK, Katedra Biomechatroniki, Politechnika Śląska, Gliwice Ewa STACHOWIAK, Katedra Biomechatroniki, Politechnika Śląska, Gliwice

ANALIZA BIOMECHANICZNA KRĘGOSŁUPA LĘDŹWIOWEGO PO STABILIZACJI MIĘDZYKOLCOWEJ

BIOMECHANICAL ANALYSIS OF THE LUMBAR SPINE AFTER

INTERSPINAL STABILIZATION

Słowa kluczowe: kręgosłup lędźwiowy, stabilizacja międzykolcowa, MES

1. WSTĘP Biomechanika kręgosłupa jest przedmiotem częstych analiz przez naukowców na całym świecie [3]. Spowodowane jest to dwiema przyczynami. Po pierwsze wzrostem urazów kręgosłupa na skutek wypadków komunikacyjnych. Drugą przyczyną jest siedzący tryb życia, który prowadzi do różnych i coraz częstszych patologii kręgosłupa. Przyczyny te często prowadzą do uszkodzeń kręgosłupa, które często wymagają leczenia z użyciem stabilizatorów. Dlatego badania prezentowane w niniejszej pracy dotyczyły analizy biomechanicznej kręgosłupa lędźwiowego przed i po stabilizacji międzykolcowej. W tym celu zostały opracowane dwa modele. Pierwszym z nich był model anatomicznie prawidłowego kręgosłupa, a drugi to model kręgosłupa po implantacji stabilizacji międzykolcowej. Większość naukowców przy modelowaniu korzysta z zdjęć tomografii komputerowej tworząc na ich podstawie modele 3D kręgosłupa [1][4]. Niektórzy też używają do tego skanera laserowego [2]. Analizę biomechaniczną przeprowadzają w różnym oprogramowaniu do metody elementów skończonych, np. ANSYS czy ABAQUS. W niniejszej pracy proces tworzenia modeli polegał na przygotowaniu w oprogramowaniu Mimics modelu 3D kręgosłupa. Następnie przygotowany model MES został zaimportowany do programu ANSYS w celu przeprowadzenia analizy biomechanicznej. 2. MODEL KRĘGOSŁUPA LĘDŹWIOWEGO PO STABILIZACJI MIĘDZYKOLCOWEJ Modelowanie kręgosłupa jest złożonym procesem ze względu na odmienny sposób modelowania kręgów oraz dysków. Naukowcy w swoich pracach przedstawiają modele kręgów, w których rozróżniają kość gąbczastą i korową. Nadając im różne właściwości materiałowe. Krążki międzykręgowe są również podzielone na dwie części. Jedną z nich jest jądro miażdżyste, drugą pierścień włóknisty. W modelu, który został opracowany na potrzeby badań zostały przyjęte pewne uproszczenia. Kręgi przyjęto jako bryły odkształcalne, które są zbudowane z jednego materiału o właściwościach: moduł Younga = 12000MPa, a współczynnik Poissona = 0,3. Dyski międzykręgowe również zostały przyjęte jako jednorodne bryły ze względu na brak

Page 2: ANALIZA BIOMECHANICZNA KRĘGOSŁUPA LĘDŹWIOWEGO … · Biomechanika kręgosłupa jest przedmiotem częstych analiz przez naukowców na całym świecie [3]. Spowodowane jest to dwiema

XI Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej s. 100

możliwości rozróżnienia pierścienia włóknistego i jądra miażdżystego. Przypisano im materiał o właściwościach materiałowych: moduł Younga = 3,6MPa i współczynnika Poissona = 0,47. Natomiast więzadła i mięśnie zostały pominięte z powodu braku możliwości odtworzenia tych struktur na podstawie danych TK w oprogramowaniu Mimics. Model kręgosłupa został obciążony siłą 400N, co odpowiada przeciętnej wadze tułowia. Obciążenie zostało zadane na kręgu L1, natomiast kręg L5 został unieruchomiony. Na rysunku Rys.1. przedstawiono model oraz mapy przemieszczeń uzyskane z analizy po obciążeniu. Maksymalne przemieszczenie wynosi 2,64 mm, które znajduje się na wyrostku poprzecznym pierwszego kręgu. Uzyskane wyniki zostaną porównane z wynikami analizy kręgosłupa po stabilizacji i na tej podstawie zostanie określony wpływ stabilizacji i wyciągnięte wnioski. a)

b)

Rys. 1. a) Model kręgosłupa lędźwiowego, b) mapa przemieszczeń kręgosłupa po obciążeniu PODZIĘKOWANIE Praca naukowa finansowana ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach projektu badawczego nr. NN518284840 LITERATURA [1] Shih-Hao Chen, Zheng-Cheng Zhong, Chen-Sheng Chen,Wen-Jer Chen, Chinghua Hung:

Biomechanical comparison between lumbar disc arthroplasty and fusion, Medical Engineering & Physics 31 (2009), pp. 244–253

[2] Ibarz E., Herrera A., Más Y., Rodríguez-Vela J., Cegoñino J., Puértolas S., Gracia L.: Development and Kinematic Verification of a Finite Element Model for the Lumbar Spine: Application to Disc Degeneration, BioMed Research International, Volume 2013 (2013), Article ID 705185,

[3] Gzik M., Wolański, W., Tejszerska D.: Experimental determination of cervical spine mechanical properties, Acta of Bioeng. and Biomech., Vol. 10, No. 4, 2008, str. 49 – 54

[4] Sairyo Koichi, Vijay K. Goel, Akiyoshi Masuda, Srilakshmi Vishnubhotla, Ahmad Faizan, Ashok Biyani, Nabil Ebraheim, Daisuke Yonekura, Ri-Ichi Murakami, Tomoya Terai: Three-dimensional finite element analysis of the pediatric lumbar spine. Part I: pathomechanism of apophyseal bony ring fracture, Eur Spine J (2006) 15, pp. 923–929


Recommended