Биомеханичен модел на междупрешлените дискове на гръбначния стълб при човека
И. Попов
, Н. Ларионов, М. Дудин, А. Попов
, Д. Свиридов, М. Зубков, С. Бобьор
Резюме: Въведение: Резюме: Въведение: Сколиозата е сложна гръбначна деформация, чиято етиология все още е неизвестна и лечението й представлява много предизвикателства, едно от които е създаването на ефективни математически модели, които могат да помогнат на лекаря да разработи стратегии за лечение. За да се изгради модел на гръбначния стълб, е необходимо да се проучат подробно неговите елементи. Междупрешленните дискове са много важни при описанието на сколиозата. Моделирането на тази част от гръбначния стълб е целта на тази статия. Методи: Междупрешленният диск се състои от нуклеус пулпозус и анулус фиброзус; в статията са представени техните математически модели. Основният модел се основава на модел на деформируемо еластично тяло, а моделът на пръстена се основава на сходството му с композитните материали. Дадени са и изчисления на еластични характеристики, трансформациите им при въртене на координатната система, изчисляване на параметри за огъване на пръстена и критерии за разрушаването му за модела на фиброзния пръстен. Резултати: Изграждането на математически модел на междупрешленния диск дава възможност да се прогнозират параметрите на гръбначния стълб за известните физически параметри на дисковете. Тестването показва, че има параметри на модела, които позволяват получаване на подходящите геометрични характеристики на гръбначния стълб. Определянето на необходимите физически параметри за истински гръбнак ще бъде следващата изследователска задача.
Ключови думи: биомеханичен модел; еластичност; Междупрешленен диск
| Литература: (click to open/close) | [1] Shasti M, Koenig S J, Nash A B, Bahrami S, Jauregui J J., O'Hara N N, Jazini E, Gelb D E, Ludwig S C. 2019, Biomechanical evaluation of lumbar lateral fusion for the treatment of adjacent segment disease. Spine J. 19, 3, 545-551.
[2] Passias P G, Montes D V, Poorman G W, Protopsaltis T, Horn S R, Bortz C A, Segreto F, Diebo B, Ames C, Smith J, LaFage V, LaFage R, Klineberg E, Shaffrey C, Bess S, Schwab F. 2018, Predictive model for distal junctional kyphosis after cervical deformity surgery. Spine J. 18, 12, 2187-2194.
[3] Wang K, Jiang C, Wang L, Wang H, Niu W. 2018, The biomechanical influence of anterior vertebral body osteophytes on the lumbar spine: A finite element study. Spine J. 18,12, 2288-2296.
[4] Anderst W J, Gale T, LeVasseur C, Raj C, Gongaware K, Schneider M. 2018, Intervertebral kinematics of the cervical spine before, during, and after high-velocity low-amplitude manipulation. Spine J. 18, 12, 2333-2342.
[5] Bashkuev M, Reitmaier S, Schmidt H. 2018, Effect of disc degeneration on the mechanical behavior of the human lumbar spine: a probabilistic finite element study. Spine J. 18, 10, 1910-1920.
[6] Popov I, Lisitsa N, Baloshin Y, Dudin M, Bober S. 2018, Variational model of scoliosis. Theoretical and Applied Mechanics. 45, 2, 167-175.
[7] Popov A I, Popov I Y, Baloshin Y A, Kobylenko D M, Dudin M G. 2018. Modeling of vertebral system by the nudged elastic band method. AIP Conference Proceedings. 1978 140010,
[8] Dudin M G, Baloshin Y A, Popov I Y, Lisitsa N, Bober S. 2018, On the linear sizes of vertebrae and intervertebral discs of children in the beginning of puberty. J. of Craniovertebral Junction and Spine. 9, 4, 246-249.
[9] Dudin M, Baloshin Y, Bober S, Pomortsev I. 2016, Mathematical modeling of three-plane deformation of the human spinal column, Russian Journal of Biomechanics. 20, 3, 272-282.
[10] Mazlan M. H., Todo M., Takano H., Yonezawa I., Abdullah A. H., Jalil M. H., Md Salleh N. S.. 2022. Biomechanical Evaluation of Osteoporotic Spine Models Treated with Balloon Kyphoplasty (BKP) Procedure. Series on Biomechanics. 36, 2, 63-77.
[11] Takeuchi K., Azegami H., Murachi S., Kitoh J., Ishida Y., Kawakami N., Makino M. 2001, Study on Treatment with Respect to Idiopathic Scoliosis, JSME International Journal Series C Mechanical Systems, Machine Elements and Manufacturing, 44, 4, 1059-1064,
[12] Sasaoka R., Azegami H., Murachi S., et al. 2003 Investigation of Buckling Phenomenon Induced by Growth of Vertebral Bodies Using a Mechanical Spine Model. JSME International Journal Series C. 46, 4, 1382.
[13] Aoyama T., Azegami H. Kawakami N. 2008. Nonlinear Buckling Analysis for Etiological Study of Idiopathic Scoliosis. Journal of Biomechanical Science and Engineering. 3, 3, 399.
[14] Smit T.H., 2020. Adolescent idiopathic scoliosis: The mechanobiology of differential growth. JOR Spine. 2020, 3, 4 e1115. doi: 10.1002/jsp2.1115.
[15] Goto M., N., Azegami H., Matsuyama Y., Takeuchi K., Sasaoka R., 2003 Buckling and bone modeling as factors in the development of idiopathic scoliosis. Spine (Phila Pa 1976), 28, 4, 364-370; discussion 371. doi: 10.1097/01.BRS.0000048462.90775.DF. Kawakami
[16] Kudo N., Yamada Y., Xiang X., Nakamura H., Akiyama Y. 2022, Concept of mathematical modeling of lumbar and thoracic spine based on elastic beam theory. J.of Biomechanical Science and Engineering. 17, 2, 21-00331-21-00331
[17] Koutras C., Pérez J., Kardash K., Otaduy M.A. 2021, A study of the sensitivity of biomechanical models of the spine for scoliosis brace design, Computer Methods and Programs in Biomedicine, 207, 106125, https://doi.org/10.1016/j.cmpb.2021.106125.
[18] Wang W., Baran G.R., Betz R.R. Samdani A.F., Pahys J.M., Cahill P.J., 2014. The Use of Finite Element Models to Assist Understanding and Treatment For Scoliosis: A Review Paper. Spine Deformity. 2, 1, 10-27.
[19] Zhang L., Zhang Q., Zhang Y., Arthur M., Teo E.C., Bíró I., Gu Y. 2022, The Effect of Concave-Side Intertransverse Ligament Laxity on the Stress of AIS Lumbar Spine Based on Finite Element Method. Bioengineering (Basel). 9, 12, 724. doi: 10.3390/bioengineering9120724.
[20] Yang K.H. (Ed.), 2018.Basic Finite Element Method as Applied to Injury Biomechanics, Academic Press, NY.
[21] Roth M., 1969. Idiopathic scoliosis: a special type of osteo-neural growth disproportion., Z.Orthop. Ihre. Grenzgeb. 107, 1, 37-46.
[22] Newell N, Little J.P, Christu A, Adams M. A, Masuros S. D. 2017, Biomechanics of the human intervertebral disc: a review of methods and test results, J. of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 69, 420-434.
[23] Raikhinstein V.E, Tsivyan Ya.L, Ovseichik J.L. 1979, Measurement of the mechanical properties of intervertebral discs under prolonged static compression loads, Mechanics of composite materials (Riga). 15, 6, 1076-1081.
[24] Hana K., Hak Sun K., Eun Su M., et al. 2010. Scoliosis Imaging: What Radiologists Should Know. Radiographics, 30, 1823-1842.
[25] Zhang H, Cheng LZ, Jianping Li. 2012. Reweighted minimization model for MR image reconstruction with split Bregman method. Sci. China Inf. Sci., 55, 2109-2118
[26] Ahmed A. S., Ramakrishnan R., Ramakrishnan V., et al. 2018. Ultrasound diagnosis and therapeutic intervention in the spine. Journal of Spine Surgery, 4, 423-432.
|
|
| Дата на публикуване: 2024-04-23
(Price of one pdf file: 39.00 BGN/20.00 EUR)
