مطالعه مدل اسکلتی-عضلانی فعال و غیرفعال به منظور تخمین توزیع بار L4-L5
چکیده
تعدادی از مدل‌های المان متناهی (FE) غیرفعال و دقیق از نظر هندسی برای ستون فقرات کمری تولید شده و در شرایط بارگذاری in vitro تایید شده‌اند. این مدل‌ها فاقد ماهیچه‌ها هستند و بنابراین نمی‌توانند مستقیما برای شبیه‌سازی‌های بارگذاری در شرایط in vivo برای ساختارهای مفصل کمری یا ایمپلنت‌های ستون فقرات مورد استفاده قرار گیرند. بارهای گرانشی و نیروهای عضلانی تخمین زده شده با یک مدل اسکلتی عضلانی (MS) تنه تحت دوازده فعالیت استاتیک بر روی مدل FE غیرفعال بندهای L4-L5 اعمال شدند تا توزیع بار میان ساختارهای مفصل (دیسک، رباط‌ها و مفاصل بین مهره‌ای) تحت شرایط شبیه‌سازی شده‌ی بارگذاری in vivo تخمین زده شود. یک دنبال کننده‌ی معادل (FL) که IDP معادل با IDP تولید شده توسط نیروهای عضلانی ایجاد می‌کند، در هر فعالیت محاسبه شد. نتایج نشان دادند که تحت شرایط بارگذاری in vivo، مدل غیرفعال FE فشارهای بین دیسکی (IDPs) را پیش بینی می‌کنند که تطابق بالایی با IDP اندازه‌گیری شده در فعالیت‌های شبیه‌سازی شده دارند (98/0=R2 و خطای مربع میانگین ریشه یا RMSE= 18/0 مگاپاسکال). FL معادل محاسبه شده به خوبی با نیروی حاصل تمام نیروهای عضلانی و بارهای گرانشی عامل بر روی بند L4-L5 مقایسه شد (99/0=R2 و N 58= RMSE). بنابراین، این FL بعنوان رویکردی جایگزین به منظور ارائه‌ی شرایط بارگذاری in vivo در مطالعات مدل غیرفعال FE می‌تواند توسط مدل‌های تجاری یا خانگی MS تخمین زده شود. در کاربردهای بالینی و طراحی ایمپلنت‌ها روش معمول شرایط بارگذاری in vitro بر مدل‌های FE غیرفعال بطور مناسب شرایط بارگذاری in vivo را تحت اعمال نیروی عضلانی نشان نمی‌دهد. بنابراین باید از شرایط بارگذاری in vivo حقیقی‌تری استفاده کرد.
1. مقدمه
نخاع انسان تحت بارگذاری‌های متنوع فشرده کننده و توزیع بار قرار می‌گیرد که نقش مهمی در علت‌شناسی اختلالات کمری ایفا می‌کنند. بنابراین دانش مناسب در مورد این بارها در طراحی و ساخت برنامه‌های موثر درمانی و پیشگیری آسیب و ایمپلنت‌های نخاعی لازم است. تلاش‌های کمی برای کمیت سنجی بارهای نخاعی در شرایط in vivo با استفاده از اندازه‌گیری فشارهای بین دیسکی (IDP)، بارهای وارد شده بر ایمپلنت‌های ابزاری یا تغییرات در حالت بدن از طریق استودیومتری صورت گرفته است. با اینکه دو روش اول تهاجمی، هزینه‌بر و محدود از نظر تعداد افراد داوطلب بودند؛ اما روش سوم نیازمند فرضیات اصلی به منظور تخمین بارهای نخاعی بود. مدل‌های بیومکانیکی محاسباتی متناوبا بعنوان یک ابزار ارزشمند ظهور کرده‌اند.
Abstract
A number of geometrically-detailed passive finite element (FE) models of the lumbar spine have been developed and validated under in vitro loading conditions. These models are devoid of muscles and thus cannot be directly used to simulate in vivo loading conditions acting on the lumbar joint structures or spinal implants. Gravity loads and muscle forces estimated by a trunk musculoskeletal (MS) model under twelve static activities were applied to a passive FE model of the L4-L5 segment to estimate load sharing among the joint structures (disc, ligaments, and facets) under simulated in vivo loading conditions. An equivalent follower (FL), that generates IDP equal to that generated by muscle forces, was computed in each task. Results indicated that under in vivo loading conditions, the passive FE model predicted intradiscal pressures (IDPs) that closely matched those measured under the simulated tasks (R2 = 0.98 and root-mean-squared-error, RMSE = 0.18 MPa). The calculated equivalent FL compared well with the resultant force of all muscle forces and gravity loads acting on the L4-L5 segment (R2 = 0.99 and RMSE = 58 N). Therefore, as an alternative approach to represent in vivo loading conditions in passive FE model studies, this FL can be estimated by available in-house or commercial MS models. In clinical applications and design of implants, commonly considered in vitro loading conditions on the passive FE models do not adequately represent the in vivo loading conditions under muscle exertions. Therefore, more realistic in vivo loading conditions should instead be used.
1. Introduction
The human spine is subject to varying compressive and shear loads that play a crucial role in the etiology of low back disorders. Proper knowledge of these loads, therefore, is required in the design and development of effective injury prevention, treatment programs and spinal implants. Few attempts have been made to quantify the spinal loads in vivo by measurements of the intradiscal pressure (IDP), loads on the instrumented implants, or changes in the body stature via stadiometry (Dreischarf et al., 2016). While the two first approaches are invasive, costly, and limited in terms of available volunteers, the third one requires major assumptions in order to estimate spinal loads. Alternatively, computational biomechanical models have been emerged as viable tools.
چکیده
1 مقدمه
2 روش کار
1. 2 مدل MS
2. 2 مدل FE غیرفعال
3. 2 اعتبارسنجی
4. 2 تطبیق مدل FE غیرفعال با MS
5. 2 فعالیت های شبی سازی شده
3. نتایج
1.3 تایید مدل FE غیرفعال
2.3 پیش‌بینی هایی برای فعالیت های in vivo
4 بحث
1. 4 محدودیت‌ها
2. 4 اعتبارسنجی
3. 4 توزیع بار میان ساختارهای مختلف
4. 4 FL معادل
Abstract
1. Introduction
2. Methods
3. Results
4. Discussion
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه