نویسندگان
1 دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران
2 دانشگاه چنگ گنگ
چکیده
پیشزمینه: کمردرد یکی از شایعترین بیماریهایی است که شخص را نیازمند مداخله پزشکی میکند. از آنرو که جراحی آخرین راه درمان است، پیشبینی برنامهریزی روند انجام جراحی مفید و تا حدی ضروری به نظر میرسد،که لازمه آن در قدم اول داشتن مدل بیومکانیکی صحهگذاری شده براساس اطلاعات آناتومیکی ستونفقرات بیمار است. با وجود پیشرفت بسیار در این زمینه همچنان نیاز به مدلی که هم بتواند پارامترهای آناتومیکی مهم را در بربگیرد و هم از نظرکاربرد کلینیکی قابل استفاده باشد، احساس میشود.
مواد و روشها: هدف این مقاله توسعه مدل اجزا محدود شخصیسازی شده ستونفقرات کمری با تعداد 23 پارامتر آناتومیکی است. دادههای اولیه از عکس رادیولوژی میانگین افراد سالم استخراج شده و در نرمافزار کتیا طراحی شده است. سپس مدل دقیق اجزا محدود در نرمافزار آباکوس تهیه گردیده است و نتایج محدوده حرکتی سگمنتهای حرکتی در حرکات فلکشن، اکستنشن و خمشدن به چپ و راست با نتایج مطالعه تجربی موجود در ادبیات تحقیق صحهگذاری شدهاست.
یافتهها: به منظور مشاهده کاربرد مدل پارامتری شخصیسازی شده از ستونفقرات کمری، مدلی از یک بیمار پس از جراحی فیوژن ناحیه کمری ارائه شد و نتایج محدوده حرکتی سگمنتهای حرکتی و فشار می اندیسکی با مدل سالم مقایسه گردید.
نتیجهگیری: باتوجه به اینکه نتایج قابل قبولی در هر مرحله مشاهده گردید، میتوان با داشتن مدل پارامتری شخصیسازی شده وگسترش مدل برای هر بیمار، به پیشبینی نتیجه عمل جراحی فیوژن و مقایسه نتایج بیومکانیکی در صورت کمتر یا بیشتر کردن سطوح فیوژن پرداخت که میتواند گام موثری در کلینیک باشد.
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
Parametric Patient-Specific Finite Element Modeling of Lumbar Spine Based on Anatomical Parameters
نویسندگان [English]
- zahra khoz 1
- mohammad nikkhoo 1
- Chih-Hsiu Cheng 2
1
2
چکیده [English]
Background: Low back pain is one of the most common problems that force individuals to seek medical care. Since surgery is the last treatment strategy, predicting the process of conducting surgical procedures seems beneficial and somehow crucial. In this regard, the first step is having a validated biomechanical model based on the anatomical parameters of patients’ lumbar spine. Despite the impressive progress in this field, there is still a need to designing a model that could include important anatomical parameters and be applicable in terms of clinical applications.
Methods: This study aimed to develop the personalized spinal finite element model with 23 anatomical parameters. The initial data was extracted from the radiology picture of the average healthy volunteers and was designed in Catia software. Afterwards, the finite element model was analyzed in Abaqus, and results of the range of motion of motionsegments in movements of flexion, extension and left and right lateral bending were verified based on the results of experimental studies present in the literature.
Results: In order to observe the application of the patient-specific spinal parametric model, a model of a patient after spinal fusion was presented. Moreover, results of the range of motion of the motion segments and intradiscal pressure were compared to the healthy model.
Conclusion: Since acceptable results were obtained at each step, it is possible to predict the result of spinal fusion and compare the biomechanical results in case of decreased or increased fusion level by developing a parametric parient-specific model for each patient, which can be an effective achievement for clinical fields.
کلیدواژه‌ها [English]
- Keywords: Spine
- Finite elementanalysis
- Mechanics
- Spinal Fusion
- Patient-Specific Modeling
- Waterman BR, Belmont PJ, Jr., Schoenfeld AJ. Low back pain in the United States: incidence and risk factors for presentation in the emergency setting. Spine J. 2012;12(1):63-70.
- Li T, Shi L, Luo Y, Chen D, Chen Y. One-Level or Multilevel Interbody Fusion for Multilevel Lumbar Degenerative Diseases: A Prospective Randomized Control Study with a 4-Year Follow-Up. World Neurosurg. 2018;110:e815-e22.
- Hsu HW, Bashkuev M, Pumberger M, Schmidt H. Differences in 3D vs. 2D analysis in lumbar spinal fusion simulations. J Biomech. 2018;72:262-7.
- Xu M, Yang J, Lieberman IH, Haddas R. Lumbar spine finite element model for healthy subjects: development and validation. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 2017;20:1-15.
- Lavecchia CE, Espino DM, Moerman KM, Tse KM, Robinson D, Lee PVS, et al. Lumbar model generator: a tool for the automated generation of a parametric scalable model of the lumbar spine. J R Soc Interface. 2018; 15(138).
- Catia. Boston: Dassault Systèmes; 2018. Available from: https://www.3ds.com/products-services/catia/
- Hypermesh [Internet]. USA: Altair Engineering, Inc. c 2017. Available from: https://altairhyperworks.com /product/hypermesh
- Abaqus Unified FEA. Boston: Dassault Systèmes; 2018. Available from: https://www.3ds.com/products-services/simulia/products/abaqus/
- Shirazi-Adl A. Analysis of large compression loads on lumbar spine in flexion and in torsion using a novel wrapping element. J Biomech. 2006;39:267-75.
- Naserkhaki S, Jaremko JL, Adeeb S, El-Rich M. On the load-sharing along the ligamentous lumbosacral spinein flexed and extended postures: Finite element study. J Biomech. 2016;49:974-82.
- Park WM, Kim K, Kim YH. Effects of degenerated intervertebral discs on intersegmental rotations, intradiscal pressures, and facet joint forces of the whole lumbar spine. Comput Biol Med. 2013;43:1234-40.
- Goto K, Tajima N, Chosa E, Totoribe K, Kubo S, Kuroki H, et al. Effects of lumbar spinal fusion on the other lumbar intervertebral levels (three-dimensional finite element analysis). J Orthop Sci. 2003;8:577-84.
- Schmidt H, Kettler A, Heuer F, Simon U, Claes L, Wilke HJ. Intradiscal pressure, shear strain, and fiber strain in the intervertebral disc under combined loading. Spine (Phila Pa 1976). 2007;32(7):748-55.
- Shih SL, Liu CL, Huang LY, Huang CH, Chen CS. Effects of cord pretension and stiffness of the Dynesys system spacer on the biomechanics of spinal decompression- a finite element study. BMC Musculoskelet Disord. 2013;14:191.
- El-Rich M, Arnoux PJ, Wagnac E, Brunet C, Aubin CE. Finite element investigation of the loading rate effect on the spinal load-sharing changes under impact conditions. J Biomech. 2009;42:1252-62.
- Zhang Z, Li H, Fogel GR, Liao Z, Li Y, Liu W. Biomechanical Analysis of Porous Additive Manufactured Cages for Lateral Lumbar Interbody Fusion: A Finite Element Analysis. World Neurosurg. 2018;111:e581-e91.
- Nikkhoo M, Tahassory A, Haghpanahi M. Design and Biomechanical Study of the First Iranian Cervical Cage using Finite Element Analyses. Iranian Journal of Biomedical Engineering. 2014;8:203-12.
- PintarFA, Yoganandan N, Myers T, Elhagediab A, Sances A. Biomechanical properties of human lumbar spine ligaments. Journal of Biomechanics. 1992;25:1351-6.
- Shirazi-Adl A, Ahmed AM, Shrivastava Sc. Mechanical Response of a Lumbar Motion Segment in AxialTorque Alone and Combined with Compression. Spine. 1986;11:914-27.
- Boustani HN, Rohlmann A, van der Put R, Burger A, Zander T. Which postures are most suitable in assessing spinal fusion using radiostereometric analysis? Clin Biomech (Bristol, Avon). 2012;27:111-6.
- Panjabi MM, Oxland TR, Yamamoto I, Crisco JJ. Mechanical Behavior of the Human Lumbar and Lumbosacral Spine as Shown by Three-Dimensional Load-Displacement Curves. JBJS. 1994;76:413-24.
- Dreischarf M, Zander T, Shirazi-AdlA, Puttlitz CM, Adam CJ, Chen CS, et al. Comparison of eight published static finite element models of the intact lumbar spine: predictive power of models improves when combined together. J Biomech. 2014;47:1757-66.
- Brinckmann P, Grootenboer H. Change of disc height, radial disc bulge, and intradiscal pressure from discectomy. An in vitro investigation on human lumbar discs. Spine (Phila Pa 1976). 1991;16:641-6.
- Matlab. Massachusetts: Mathworks; 2018. Available from: https://www.mathworks.com/
)