شبيه سازي عددي رفتار مدل واقع گرايانه ستون فقرات انسان تحت بارهاي فشاري، چرخش محوري و خمش جانبي

Numerical simulation of realistic human lumbar spine model under compressive force, axial rotation and lateral bending loads

در پژوهش حاضر يك مدل المان محدود براي بررسي رفتار بيومكانيكي ستون فقرات انسان ايجاد شده است. با توجه به كمبود مدل هاي واقع گرايانه، هدف مطالعه حاضر، ايجاد مدلي از ستون فقرات مبتني بر عكس هاي پرتونگاري رايانه اي به كمك نرم افزار ميميكس نسخه 17 مي باشد. همچنين با توجه به وجود گستره وسيعي از بارگذاريها، جهت دستيابي به نتايج قابل اعتماد، نياز به مقادير بهينه سازي شده ميباشد. لذا بارگذاري هاي نزديك به واقعيت بر روي مدل اعمال شده است. مدل المان محدود غيرخطي ستون فقرات شامل پنج مهره و پنچ ديسك و تمامي رباط ها تحت شرايط بارگذاري استاتيك توسط نرم افزار انسيس-آباكوس 16 شبيه سازي شده است. نتايج كار حاضر با نتايج حاصل از دو مدل المان محدود و معدود نتايج تجربي در دسترس مقايسه شده است. اين نتايج در مجموع شش حالت چرخش ميان مهره اي، فشار ميان ديسكي و نيروي تماسي ميان مهره اي در حالتهاي تركيبي چرخش محوري و خمش جانبي با بارگذاري فشاري را در بر مي‌گيرد. به عنوان نتيجه مقادير نيروهاي فشاري ميان ديسكي، چرخش ميان مهره‌اي و نيروهاي تماسي ميان مهره‌اي تحت شرايط مختلف بارگذاري گزارش شده اند. بررسي نتايج اين مطالعه تأييد مي نمايد كه حالات بارگذاري تركيبي بهينه در خمش جانبي و چرخش محوري منجر به پيش بيني مقادير فشار ميان ديسكي نزديك به اندازه گيري هاي تجربي مي گردد. علاوه بر اين، گشتاور و نيروهاي به كار گرفته شده براي چرخش ميان مهره اي نيز مقادير نزديك به اندازه گيري هاي درون بدن انسان، به خصوص براي چرخش محوري و خمش جانبي را دارا مي باشد.

In this study a numerical model based on the finite element method is used to simulate the behavior of human lumber spine. Due to lack of realistic models, in the present work a lumber spine model is generated from Computational tomography (CT-Scan) images by Mimics 17 software. Also, according to the wide range of loading conditions, to achieve realistic results, optimized loads acquired from other researches are used. Human lumber spine model which is used in this study consists of five vertebrae, five discs, and all ligaments. Model is loaded under statical conditions and calculated with ANSYSAbaqus 16 (Simulia Inc., Providence, USA) software. Obtained results are compared with other numerical simulation results and experimental measurements which are reported in other researches. Numerical modeling consists of six cases as follows: intervertebral rotation, interadiscal pressure and facet joint forces under the axial rotation and lateral bending with compressive follower force loadings. In all cases, intervertebral rotation, interadiscal pressure and facet joint forces are reported. Comparisons show that obtained results have good agreement with experimental measurements. Therefore, results show that realistic model with optimized loadings predicted the behavior of lumber spine more accurate than other numerical models.