بخشی از مقاله
بررسی مهره های ناحیه کمری (L4-L5) تحت بارگذاری های مختلف با استفاده از روش آلمان محدود
چکیده:
از آنجا که امکان آزمایش به صورت زنده بر روی سیستم های فیزیولوژیک از جمله ستون فقرات خصوصاً وقتی که شرایط آزمایش بحرانی و تخریب کننده باشد وجود ندارد، لذا ارائه یک مدل که توسط آن بتوان آزمایشهای لازم را بر روی مهرههای ستون فقرات انجام داد ضروری به نظر میرسد در مدل ارائه شده با استفاده از تصاویر سی تی اسکن که با فاصله های دو میلی متری از هم گرفته شدهاند، هندسه دقیقی از مهرههای ستون فقرات ارائه شده است. در مدل ارائه شده پوسته کورتیکال، قسمت مرکزی اسفنجی و المانهای خلفی شامل تمام قسمتهای آن از جمله فاستها، پدیکول، لامینا، زائدههای عرضی و شوکی لحاظ شدهاند. ضمناً اطلاعات مربوط به لیگامانها از روی مشخصات آناتومیکی استخراج شدهاند. این مدل تحت شرایط بارگذاری مختلفی فشاری، خمشی رو به جلو و عقب وخمش جانبی قرار گرفته است. نتایج مدلهای کامپیوتری المان محدود به خوبی نشان می دهند که لامیناها مستعدترین منطقه شکست هستند.
واژههای کلیدی: ستون فقرات - مهرههای ناحیه کمری - مدل سه بعدی المان محدود - توزیع بار
مقدمه:
ستون فقرات یک ساختار پیچیده ارتباطی بین اجزای مختلف بدن است. این ساختار پیچیده از نقطه نظرهای مختلف دارای اهمیت بوده و لذا بررسی های زیادی بر روی آن انجام می شود. در این بررسیها محدودیتهای مختلفی وجود دارد که یکی از آنها محدودیت استفاده از بارهای فیزیولوژیک در آزمایشهای به صورت زنده میباشد. علاوه بر آن در مطالعات آزمایشگاهی یکی از مشکلات عمده تعیین نقش هریک از اعضا در تحمل بار میباشد. مدلهای ریاضی همانند مدلهای المان محدود قابلیت لازم برای بررسی پارامترهای مختلف و تعیین ویژگی پاسخهای بیومکانیکی مدلهای سه فیزیولوژیک را دارند. برای اینکه یک مدل المان محدود مدل قابل قبولی باشد باید هندسه سه بعدی پیچیده آن به خوبی لحاظ شده باشد. تحقیقات زیادی برای مطالعه بر روی ستون فقرات که عموماً از سال ۱۹۷۰ شروع شده وجود دارد [ ۱ و۲. اگرچه تلاش برای مدلسازی دقیق شکل هندسی به روش المان محدود صورت گرفته است ولی بسیاری از آنها مربوط به مدلسازی یک مهره تنها هستند [۳و۴).
مطالعه بر روی ساختارهای اسکلتی با استفاده از تهیه شکل هندسی با بهرهگیری از اطلاعات سی تی اسکن راه بسیار مناسب و دقیقی است که به همین دلیل از آن استفاده می شود. این مطالعه با هدف اولیه ارائه یک مدل سهبعدی دقیق از مهرههای L4-L5 ستون فقرات بر اساس تصاویر سی تی اسکن انجام می شود. هدف بعدی تعیین نقش هریک از اعضای این واحد عملکردی در تحمل بار می باشد.
ارائه مدل سه بعدی دقیق: یک مدل دقیق سه بعدی المان محدود با استفاده از اطلاعات یک ۰ دستگاه سی تی اسکن مارپیچی از نمونه سالمی که هیچگونه حالت غیرطبیعی در آن وجود نداشت تهیه شده است. برشهای سیتی اسکن با فاصله های دو میلی متر از هم تهیه شده اند که این برشها بر محور ستون فقرات عمود میباشند. شکل سه بعدی اولیهای که تهیه شده است، مطابق شکل ۱ شامل مرزهای بیرونی این تصاویر میباشد.
این مرزهای بیرونی قابلیت تبدیل به شکل جامد را دارند که به صورت شکل ۲ میباشد.
علی رغم اینکه تصاویر سی تی اسکن اطلاعات مربوط به نسوج نرم را در اختیار قرار نمی دهند، اما با استفاده از تکنیکهای ظهور فیلم سعی شده است تا اطلاعات مربوط به شکل هندسی دیسک نیز استخراج شود. شکل دیسک موجود در مدل در شکل ۳ مشاهده میشود.
برای سادگی در کار و صرفهجویی در زمان اجرای برنامه های کامپیوتری فرض شده است که مدل نسبت به محور ساژیتال میانی متقارن است. چگونگی متقارن گرفتن مهرهها در مدل در شکل ۴ نشان داده شده است.
در اینجا لازم به یاداوری است که برای درنظر گرفتن نقش لیگامانهای مختلف در مدل از اطلاعات آناتومیکی استفاده شده است ۵ و ۶. موقعیت هندسی این لیگامانها در مدل در شکل ۵ نشان داده شده است.
خصوصیات مواد بسیاری از بافت های بیولوژیکی با تغییر مکان (ناهماهنگی)، جهت (ایزوتروپ نبودن)، نرخ بار (ویسکو الاستیک) و بار (غیرخطی) تغییر می کند. در اکثر مقالات بیومکانیکی استخوان به عنوان ماده الاستیک خطی مدل شده است که در شرایط بارهای غیر ضربه ای فرض قابل قبولی میباشد [۷و۸]
برای تعیین خصوصیات مواد از مقالات و کتاب های مختلف استفاده شده است. به طور کلی جسم مهرهها شامل سه جنس متفاوت یعنی قسمت سطحی کورتیکال، قسمت اسفنجی داخلی و المانهای خلفی هستند. دیسک بین مهرهای شامل دو قسمت مجزا یعنی قسمت مرکزی به نام نوکلئوس و قسمت محیطی به نام آنولوس است که حاوی فیبرهای آنولار می باشد. همچنین در مدل ارائه شده نقش صفحات انتهایی به خوبی درنظر گرفته شده است. همه مواد ایزوتروپ خطی و هموژن فرض شدهاند. خصوصیات مواد به طور کامل در جدول (۱) آورده شدهاند.
شرایط مرزی بارها: مرحله آخر ساخت مدل تعیین بار و شرایط مرزی است. در مدلسازی اجزای سیستم اسکتلی، معمولاً نیروهای مفاصل، تاندونهای عضلانی و لیگامانها را درنظر می گیرند. شرایط مرزی شامل محدودیتهای جابجایی می شود که برای جلوگیری از حرکت جسم در مدل مورد نیاز است. شرایط مرزی در مدل واحد عملکردی L4-L5 به این صورت است که لایه پایینی جسم مهره یوما و همچنین پایین ترین لایه فاست های پایینی مهره وL ثابت شدهاند و اجازه حرکت در هیچ جهتی را ندارند، چون برای حل مدل از مدل نیمه متقارن استفاده شده است، لذا حرکت و جابجایی نودهایی که در صفحه تقارن (صفحه ساژیتال میانی) قرار دارند در جهت X ثابت شدهاند. تنها در مورد خمش جانبی به سمت راست از مدل کامل استفاده شده است. شرایط بارگذاری مختلفی که بر روی مدل اعمال شده است شامل بارگذاری فشاری، خمش رو به جلو، خمش رو به عقب و خمش جانبی به سمت راست میباشد. نیروی فشاری محوری بر روی سطح بالایی جسم مهره L اعمال شده است. اعمال این نیروهای فشاری توسط یک فشار یکنواخت بر روی المانهای سطح بالایی جسم مهره هسا صورت گرفته است. شرایط بارگذاری برای خمش رو به جلو و عقب و خمش جانبی به سمت راست با بکارگیری یک توزیع خطی بار در صفحات بارگذاری مناسب انجام شده است. نکته مهم در مورد انتخاب شرایط بارگذاری این بوده است که حتی الامکان شبیه به شرایط بارگذاری آزمایشاتی باشد که در حالت غیر
