مقالة منهجية

التحليل الميكانيكي الحيوي للأجزاء المجاورة بعد جراحة دمج العمود الفقري باستخدام نموذج العناصر المحدودة البارامترية الهندسية الخاصة بالمريض

1.1K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/66247

⸱

يناير 19, 2024

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Spine Surgery, China-Japan Friendship Hospital, 2College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology

في هذه المقالة

ملخص

هنا ، استخدمنا نموذج العناصر المحدودة الخاصة بالمريض لتحليل التغييرات الميكانيكية في الأجزاء المجاورة بعد جراحة دمج العمود الفقري. أظهرت النتائج أن جراحة الاندماج قللت من الحركة الكلية للعمود الفقري القطني ولكنها زادت من الحمل والضغط في الأجزاء المجاورة ، وخاصة الجزء القريب.

الملخص

تهدف هذه الدراسة إلى إجراء تحليل ميكانيكي للأجزاء المجاورة بعد جراحة اندماج العمود الفقري باستخدام نموذج العناصر المحدودة الخاصة بالمريض هندسيا لتوضيح آلية تنكس الجزء المجاور (ASD) ، وبالتالي تقديم أدلة نظرية للوقاية المبكرة من الأمراض. تم استخراج أربعة عشر معلمة تستند إلى هندسة العمود الفقري الخاصة بالمريض من فحص التصوير المقطعي المحوسب قبل الجراحة (CT) للمريض ، وتم تحديد المواضع النسبية لكل جزء من العمود الفقري باستخدام طريقة مطابقة الصورة. تم إنشاء نموذج خاص بالمريض للعمود الفقري قبل الجراحة من خلال الطريقة المذكورة أعلاه. تم إنشاء نموذج ما بعد الجراحة بعد جراحة الاندماج بين الأجسام القطنية الخلفية L4-L5 (PLIF) باستخدام نفس الطريقة باستثناء إزالة الصفيحة والقرص الفقري ، وتم إدخال قفص و 4 براغي عنيق و 2 قضيب توصيل. تم تحديد نطاق الحركة (ROM) وتغيرات الإجهاد من خلال مقارنة قيم كل بنية تشريحية بين نماذج ما قبل الجراحة وبعدها. انخفض ROM الكلي للعمود الفقري القطني بعد الاندماج ، بينما زاد ROM ، والإجهاد في مفاصل الوجه ، والإجهاد في القرص الفقري للأجزاء المجاورة. أظهر تحليل لتوزيع الإجهاد في الحلقة الليفية والنواة اللبية والمفاصل الجانبية أيضا أنه لم يرتفع الضغط الأقصى في هذه الأنسجة فحسب ، بل تم أيضا توسيع مناطق الإجهاد المعتدل إلى العالي. أثناء الالتواء ، زاد الضغط في مفاصل الوجه والتليف الحلقي للجزء المجاور القريب (L3-L4) إلى حد أكبر من ذلك الموجود في الجزء المجاور البعيد (L5-S1). في حين أن جراحة الاندماج تسبب تقييدا شاملا للحركة في العمود الفقري القطني ، فإنها تتسبب أيضا في المزيد من مشاركة الحمل من قبل الأجزاء المجاورة للتعويض عن الجزء المنصهر ، وبالتالي زيادة خطر الإصابة باضطراب طيف التوحد. الجزء المجاور القريب أكثر عرضة للتنكس من الجزء المجاور البعيد بعد اندماج العمود الفقري بسبب الزيادة الكبيرة في الإجهاد.

المقدمة

جراحة دمج العمود الفقري هي الإجراء الجراحي الأكثر استخداما لعلاج الأمراض التنكسية في العمود الفقريالقطني 1. يمكن تحقيق نتيجة ممتازة في الفترة القصيرة بعد الجراحة لأكثر من 90٪ من المرضى2. ومع ذلك ، كشفت نتائج دراسة متابعة طويلة الأمد أن بعض المرضى أصيبوا بتنكس في الأجزاء المجاورة للجزءالمنصهر 3. يعمل الاندماج بين الأجسام القطنية على تسريع التغيرات التنكسية في الأجزاء المجاورة ، والتي تعرف باسم تنكس الجزء المجاور (ASD). وفقا للأدبيات ، يتراوح معدل الإصابة باضطراب طيف التوحد الذي تم تشخيصه بناء على فحوصات التصوير الطبي من 36٪ إلى 84٪ بعد خمس سنوات من جراحة الاندماج4 ، مما قد يؤدي إلى أعراض مثل الألم المشع أو العرج المتقطع وربما حتى الحاجة إلى جراحة المراجعة. لا تزال آلية اضطراب طيف التوحد غير معروفة ، لكن معظم الباحثين يعتقدون أن العوامل الميكانيكية الحيوية تلعب دورا مهما. عزا البعض ASD إلى زيادة نطاق الحركة (ROM) للأجزاء المجاورةبعد الجراحة 5،6 ، وقد عزاه البعض ذلك إلى زيادة الضغط داخل القرص في الأجزاء المجاورة7،8،9 ، وأعزاه البعض الآخر ذلك إلى زيادة الضغط في مفاصل الوجه للأجزاء المجاورة10.

من بين الطرق المختلفة المستخدمة لدراسة الميكانيكا الحيوية للعمود الفقري ، تستخدم نمذجة العناصر المحدودة (FE) على نطاق واسع لأنها غير جراحية وغير مكلفة وقابلة للتكرار. أنشأ بعض الباحثين11،12،13 نموذجا ثلاثي الأبعاد FE للعمود الفقري القطني بأكمله (L1-L5) مع البيانات المستخرجة من التصوير المقطعي المحوسب قبل الجراحة (CT) ، مما جعل من الممكن استكشاف جوانب مختلفة من الميكانيكا الحيوية للعمود الفقري ، بدءا من استجابة العمود الفقري لظروف التحميل المختلفة14،15 إلى تأثيرات الأمراض المختلفة16 وتأثيرات طرق وتقنيات العلاج ذات الصلة17. على الرغم من أن طريقة النمذجة المذكورة أعلاه يمكن أن توفر مخرجات فيما يتعلق بالهندسة الخاصة بالمريض للعمود الفقري مع واجهة معقدة وثروة من المعلومات التي لا يمكن تحقيقها من التجارب في الجسم الحي ، إلا أن استخدامها السريري ظل محدودا بسبب طبيعة العملية التي تستغرق وقتا طويلا ، مما يجعل الطريقة متاحة فقط للنماذج القائمة على موضوع واحد أو عدد قليلمن الأشخاص 14. لمعالجة هذه المشكلة ، أنشأ Nikkhoo et al.18 نموذجا قطنيا عجزيا مبسطا L1-S1 يتم فيه التحكم في هندسة العمود الفقري بواسطة معلمات مستخرجة من بيانات صورة المرضى قبل الجراحة ، مما يسمح بإنشاء النماذج الخاصة بالمريض أو تحديثها تلقائيا وفقا لمعلمات الإدخال. وقد ثبت أن نموذج FE القائم على طريقة النمذجة هذه يتمتع بصلاحية جيدة. ومع ذلك ، كانت هناك اختلافات كبيرة في الضغط داخل القرص ، ومتوسط الضغوط في مفاصل الوجه ، ومتوسط الضغوط في الحلقة الليفية مقارنة بالنموذج السابق المعاد بناؤه القائم على التصوير المقطعي المحوسب. تم تطبيق نموذج عمودي مبسط آخر في دراسة أجراها Ghezelbash et al.19 ، لكن هذا النموذج اختلف اختلافا كبيرا عن الهندسة الحقيقية للعمود الفقري القطني بسبب الشكل الأسطواني للفقرات ونقص البنية فيما يتعلق بالعناصر الخلفية.

لذلك ، في هذه الدراسة ، قمنا بتطوير نموذج FE الخاص بالمريض بشكل هندسي لتحقيق عملية نمذجة وتحليل أكثر كفاءة مع صلاحية جيدة. بعد ذلك ، أجرينا تحليلا ميكانيكيا للأجزاء المجاورة بعد جراحة الاندماج لتوضيح الآلية وتقديم أدلة نظرية للوقاية المبكرة من اضطراب طيف التوحد.

البروتوكول

تم تنفيذ البروتوكول وفقا لإعلان هلسنكي ، وتمت الموافقة على البروتوكول من قبل مجلس المراجعة المؤسسية لمستشفى الصداقة الصيني الياباني.

1. النمذجة البارامترية لهندسة العمود الفقري القطني

  1. استخراج البيانات الأولية (تنسيق DICOM 3.0 بحجم بكسل 0.33 مم وتباعد طبقات 1 مم) للنمذجة من مجموعة بيانات الأشعة المقطعية لذكر بالغ سليم ليس لديه تاريخ من الصدمة أو التشوه أو الورم في العمود الفقري (الارتفاع 180 سم ، الوزن 68 كجم).
  2. حدد 14 معلمة مميزة لتحقيق توليد محيط العمود الفقري ، مع الأخذ في الاعتبار السمات المورفولوجية للعمود الفقري القطني الأكثر إثارة للقلق في الممارسة السريرية وأحدث الأدبيات18،20.
    1. قم بقياس جميع هذه المعلمات ال 14 مباشرة على صور التصوير المقطعي المحوسب باستخدام برنامج معالجة الصور ثلاثي الأبعاد ، كما هو موضح في الشكل 1 أ.
    2. في نافذة العرض المحوري ، استخدم أداة Ellipse Tool لقياس معلمات الصفيحة الطرفية للفقرات بدقة.
    3. لكل جزء من العمود الفقري وفقرة ، في البداية ، قم بفحص صور التصوير المقطعي المحوسب في الاتجاه المحوري من أعلى إلى أسفل. حدد الصورة التي تعرض المساحة الأكثر اكتمالا وأكبر من حدود العمود الفقري لقياس البيانات اللاحقة.
    4. استخدم أداة القطع الناقص داخل وحدة القياس لتتوافق مع الصفيحة النهائية السفلية للفقرة ، كما هو موضح في الشكل 1 أ.
    5. بعد إجراء قياسات متعددة ، احسب متوسط القيمة للتأكد من أن التباين بين منطقة القطع الناقص ومنطقة العمود الفقري يظل في حدود 10٪.
    6. قم بقياس طول المحاور الطويلة والقصيرة للقطع الناقص المجهز ، مع الإشارة إليها كمعلمات A1 و A2.
    7. بالإضافة إلى ذلك ، قم بقياس المقطع العرضي في أضيق جزء من القسم الأوسط واللوحة الطرفية العلوية ، وقم بتعيينها كمعلمات B1 و B2 و C1 و C2.
    8. في نافذة العرض الإكليلي ، استخدم أداة قياس المسافة لتحديد ارتفاع العمود الفقري ، ممثلة بالمعلمة H.
  3. استخدم أداة قياس الزاوية لتحديد زوايا الميل الخلفية للوجهين العلوي والسفلي في العرض السهمي ، والتي تم تحديدها كمعلمات α و β.
    1. في نافذة التصوير المقطعي المحوسب المحوري ، استخدم أداة قياس المسافة لقياس المسافة الرأسية من القسم الأوسط من الفقرة إلى الصفيحة كمعلمة التحكم في طول العنق L1.
    2. بطريقة مماثلة ، استخدم أداة قياس الزاوية وأداة قياس المسافة لقياس المعلمات L2 و γ و L3 و θ في نافذة العرض المحوري CT ، على التوالي ، كمعلمات تحكم للعملية العرضية والعملية الشائكة.
    3. للتحكم في تباين المراقب بين المراقبين والمراقبين الداخليين ، دع طبيبين حاصلين على أكثر من 5 سنوات من التدريب في جراحة العمود الفقري يقيسان كل معلمة 3 مرات لتأكيد موثوقية البيانات.
  4. قم بتطبيق برنامج النمذجة لبناء النموذج باستخدام وظيفة الإطلاق الصلب وفقا لمخطط تصميم النموذج المبسط في الشكل 1 أ لجميع أجزاء العمود الفقري باستثناء العجز.
    1. قم بإنشاء ثلاث مستويات مرجعية واضبط المسافة بين المستويين العلوي والسفلي لتتناسب مع ارتفاع العمود الفقري. في كل مستوى ، ارسم ثلاثة أشكال بيضاوية متحدة المركز ، مع محاذاة أبعادها مع قياسات بيانات التصوير المقطعي المحوسب.
    2. استخدم هذه الأشكال البيضاوية المرسومة كملامح للقيود لوظيفة الإطلاق الصلب ، مما يؤدي إلى إنشاء نموذج فقري مبسط.
  5. لإعادة إنشاء ملامسة سطح القوس عند مفصل الوجه ، استخدم الأسطح الأسطوانية لتقليد أسطح الوجه.
    1. تأكد من أن الوجه العلوي يأخذ شكل سطح قوس أسطواني مقعر 1/4 بينما يأخذ الوجه السفلي شكل سطح قوس أسطواني محدب 1/4. للتخفيف من تركيز الإجهاد أثناء محاذاة الوجه ، قم بتقريب حواف الوجهين العلوي والسفلي بشكل مناسب.
  6. قم بإنشاء كيان مقذوف بين الوجه والفقرة لمحاكاة السنيق. نظرا لأن شكل العملية العرضية أو العملية الشائكة يؤثر بشكل ضئيل على إضافات عناصر الرباط اللاحقة ، استخدم متوازيا منتظما لتكرار المحيط الهندسي لهذه العمليات.
    1. قم بتدوير بعض الزوايا للحصول على تمثيل راقي. قم بتعديل قيم معلمات الميزات ال 14 في برنامج النمذجة لإنشاء هندسة العمود الفقري الخاصة بالمريض.
  7. قم بقياس المعلمتين C1 و C2 فقط من الصفيحة الطرفية العلوية للعجز في نافذة المقطع العرضي للتصوير المقطعي المحوسب ومعلمة زاوية ميل الوجه العلوي α في النافذة السهمية بطريقة قياس مماثلة كما هو موضح في الخطوة 1.1 ، مع الأخذ في الاعتبار أن حساب نموذج FE يركز بشكل أساسي على إجهاد الوجه واللوحة الطرفية العلوية.
    1. قم بإنشاء هيكل مخروطي بقمة عريضة وقاع ضيق كنموذج مبسط للعجز ، مع هيكل يشبه العمود يمتد من كلا الجانبين لتقليد الأجنحة العجزية وتوفير نقاط ربط الأربطة في برنامج النمذجة. استخدم المعلمات الثلاث المذكورة أعلاه للتحكم في هندسة S1. انظر الشكل 1 ب للنموذج المقدس المبسط.
  8. قم بتطبيق طريقة مطابقة الصور لتحديد المواضع النسبية لكل جزء من العمود الفقري.
    1. قم باستيراد جميع النماذج الفقرية والعجزية إلى واجهة التجميع لبرنامج النمذجة ، حيث يتم تحميل عرض سهمي متوسط لصورة التصوير المقطعي المحوسب كخلفية مرجعية.
    2. قم بتدوير كل جزء فقري وحرك وقياسه لمطابقته مع الجزء المقابل من الصورة المرجعية (الشكل 1 ب).
  9. استخرج ملامح الصفيحة الطرفية الفقرية المجاورة لإطلاقها بقوة.
    1. حدد الصفائح الطرفية الفقرية المجاورة وأدخلها في الرسم للحصول على القرص الفقري.
    2. استخدم الأمر Convert Entity Reference لاستخراج خطوط الصفيحة النهائية للفقرات كخطوط بيضاوية الشكل في الرسم وإجراء تحرير الرسم لإنشاء نموذج مصفوفة قرص مبسط.
    3. قم بإنشاء النواة اللبية بطريقة مماثلة لمصفوفة القرص ، بالإضافة إلى تقليل رسم القطع الناقص إلى 40٪ من المساحة الأصلية وتحريكه للخلف قليلا في الرسم.
    4. بالإضافة إلى ذلك ، قم بتكبير نموذج النواة اللبية بنسبة 10٪ لتسهيل تجزئة اللوحة النهائية عند التشابك. انظر الشكل 1 ب للاطلاع على نموذج القرص المبسط النهائي.

2. بناء نموذج الاندماج بين الأجسام القطنية الخلفي (PLIF) بهندسة خاصة بالمريض

  1. أعد تحميل النموذج المبسط في برنامج النمذجة. حدد مقطع القرص الفقري L4-L5 للاندماج.
  2. قم بإزالة الصفيحة والعملية الشائكة للفقرة L4 يدويا بناء على النموذج البارامتري الفردي للعمود الفقري القطني. قم بإزالة القرص الفقري L4-L5.
  3. ضع قفصا في المساحة الفقرية لدمج العظام ، واملأ الفراغ الفقري المتبقي حول قفص الاندماج ببنية العظام.
  4. قم بتطبيق طريقة الاندماج الفقري القطني الخلفي (PLIF) عن طريق إدخال مسامير العنق في العنق بشكل ثنائي.
    1. وفقا للأدبيات21 ، استخدم مسامير بقطر 5.5 مم وطول 45 مم ، وقضبان تثبيت بقطر 6 مم وطول 60 مم ، وقفص كسب غير مكسب بطول 22 مم وعرض 8 مم.
    2. اضبط موضع مسامير العنق بحيث تكون نقطة الدخول في منتصف العنق تقريبا.
    3. استخدم أسلوب التشغيل المنطقي في برنامج النمذجة، باستخدام أمر التجميع ضمن خيارات الميزات.
    4. اضبط نوع العملية على الطرح ، باستخدام الفقرات L4 و L5 ككيانات أساسية ومسامير عنيق ككيانات مطروحة لإنجاز نمذجة مسارات لولبية العنق L4 و L5.
    5. استخدم نفس الإجراء ، وقم بتعيين نوع العملية لإضافته ، لتوحيد نماذج المسمار وقضيب التثبيت في كل موحد. انظر الشكل 1 ب للحصول على نموذج PLIF الخاص بالمريض.

3. إنشاء نماذج FE البارامترية ، الخاصة بالمريض ، قبل الجراحة ، وبعد الجراحة

  1. جيل شبكة
    1. استخدم برنامج الشبكة22 لربط نماذج ما قبل الجراحة وما بعد الجراحة بعد المعالجة الهندسية. قم باستيراد نموذج stp واستخدم وحدة 2D Meshing Auto Mesh لتعيين أحجام الشبكات السطحية وأنواع العناصر. قم بإنشاء الشبكة السطحية للنماذج.
    2. استخدم الوحدة النمطية 3D Meshing Solid Map لتعيين أنواع عناصر شبكة الكيان وإنشاء الشبكة الصلبة تلقائيا. استخدم عناصر رباعية الأضلاع بحجم 1 مم لربط السطح لمسامير العنق وقضبان التثبيت وقم تلقائيا بإنشاء شبكة صلبة بمزيج من عناصر C3D4 و C3D8R.
    3. بالنسبة لجهاز الاندماج الفقري ، استخدم عناصر مثلثة بحجم 1 مم لربط السطح واستخدم عناصر C3D4 رباعية السطوح للشبكة الصلبة.
    4. نظرا للشكل غير المنتظم لنموذج القرص الفقري المتبقي للجزء L4-L5 ، استخدم عناصر مثلثة بحجم 1.5 مم لربط السطح على الوجوه الطرفية. قم بإنشاء الشبكة الصلبة من خلال البثق ، باستخدام مزيج من عناصر C3D8R و C3D4.
    5. قم بربط الأجزاء المتبقية من نموذج ما بعد PLIF بنفس طريقة نموذج ما قبل الجراحة ، مما يؤدي إلى إنشاء 617,231 خلية و 151,078 عقدة في نموذج ما بعد PLIF.
  2. خصائص المواد وإعدادات التفاعل
    1. قم باستيراد نماذج ما قبل الجراحة وبعدها المتشابكة إلى برنامج FE للمعالجة المسبقة.
      1. في لوحة Material Manager ، قم بتعيين السلوك المادي لمسامير عنيق وقضبان التثبيت وأجهزة الانصهار بين الفقرات كمواد مرنة خطية متناحية.
      2. في علامة التبويب "البيانات " ، حدد معامل الشباب ونسبة بواسون للمواد.
      3. بالنسبة للبراغي والقضبان ، استخدم سبائك التيتانيوم ، وبالنسبة لجهاز الانصهار ، استخدم polyetheretherketone. راجع الجدول 2 للاطلاع على معلمات خاصية المواد المحددة لهاتين المادتين.
      4. نظرا لأن شبكة القرص الفقري المتبقي في L4-L5 ليست سداسية السطوح ولا يمكن تعريفها على أنها مادة شديدة المرونة ، ارجع إلى الأدبياتذات الصلة 23 وقم بتعيينها كمادة مرنة خطية متناحية. حدد معامل الشباب الخاص به على أنه 4 ميجا باسكال ونسبة بواسون على أنها 0.45.
    2. انتقل إلى وحدة التفاعل ، وافتح مدير القيود ، وانقر فوق الزر "إنشاء " لفتح نافذة إنشاء قيد .
      1. قم بتعيين النوع على أنه ربط. في نافذة عرض النموذج ، حدد الوجوه العلوية والسفلية للفقرات، بالإضافة إلى العقد المربوطة لجهاز الانصهار.
      2. بعد التأكيد، افتح نافذة تحرير القيد ، وقم بتعيين أسلوب الانحراف إلى التحليل الافتراضي، وحدد عدم استبعاد سمك عنصر shell.
      3. اضبط إعدادات التفاعل وفقا للظروف الميكانيكية الحيوية بعد الاندماج الفقري المثالي. تجاهل الانزلاق المحتمل بين العظم والبراغي أو القفص.
      4. اضبط علاقات التلامس بين البراغي والعظام الإسفنجية وبين القفص والأسطح النهائية للأجسام الفقرية العلوية والسفلية كمربط.
      5. اضبط خاصية تفاعل التلامس بين أسطح التلامس المشتركة كاحتكاك منزلق تتحكم فيه وظيفة العقوبة ، مع معامل احتكاك 0.01 في الاتجاه العرضي والاتصال الصعب في الاتجاه الطبيعي حيث يسمح بالفصل بعد الاتصال.
    3. قم بتعيين الشروط الحدودية وفقا لقواعد الحركة القطنية العجزية البشرية ، حيث يمكن أن تتحرك جميع الأجزاء الفقرية ، بينما يوفر العجز بشكل أساسي الدعم والتثبيت.
      1. قم بالوصول إلى وحدة التحميل النمطية في برنامج FE ، وافتح مدير شروط الحدود ، وانقر فوق الزر إنشاء لفتح نافذة إنشاء شرط الحدود .
      2. قم بتعيين الفئة على أنها ميكانيكية واختر النوع المطبق على خطوة التحليل المحددة على أنه التماثل / المضاد للتناظر / الثبات الكامل.
      3. انقر فوق Continue (متابعة)، وفي واجهة عرض النموذج، حدد العقد السطحية للعجز.
      4. عند الانتهاء، في نافذة تحرير شرط الحدود التي تظهر، اختر الخيار ثابت بالكامل (U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0).
    4. انظر الجدول 1 والجدول 224،25،26 للاطلاع على جميع إعدادات خصائص المواد. استخدم نفس الخاصية المادية وعلاقة التفاعل وإعدادات الحالة الحدودية للأنسجة والهياكل الأخرى في نماذج ما قبل الجراحة وبعدها.
  3. التحقق من صحة نموذج FE الفردي
    1. قم بإنشاء نقطة تحميل خلف مركز الصفيحة الطرفية العلوية للفقرة L3 قبل تطبيق أي أحمال. قم بإقران جميع العقد الموجودة على لوحة النهاية العلوية L3 بنقطة التحميل هذه من خلال علاقات القيد.
    2. قم بتطبيق اتجاهات مختلفة للحظات الانحناء النقية البالغة 3.5 نيوتن متر عند نقطة تحميل النموذج لمحاكاة حركات العمود الفقري القطني أثناء الانثناء والتمدد والانحناء الجانبي. قم بقياس ROM لكل جزء ومقارنته بالبيانات التجريبية التي أبلغ عنها Guan et al.27.
    3. قم بتطبيق حمولة رأسية 150 نيوتن عند نقطة التحميل وفرض أحمال اتجاهية مختلفة تبلغ 2.5 نيوتن متر و 5 نيوتن متر و 7.5 نيوتن متر لمحاكاة حركة العمود الفقري القطني في اتجاهات مختلفة. قم بقياس ROM لكل جزء ومقارنته بالبيانات التجريبية التي أبلغ عنها Panjabi et al.28.
    4. استخدم طريقة المحور اللحظي للدوران لقياس وحساب ROM لكل جزء قطني.
      1. في وحدة المعالجة اللاحقة لبرنامج FE ، قم بإصلاح العرض ، والتقط صورا قبل وبعد الإزاحة للنموذج في نفس العرض ، واستيرادها إلى برنامج معالجة الصور.
      2. تحديد المركز اللحظي وحركة العمود الفقري لكل جزء وفقا للطرق الموضحة في الأدبيات.
      3. لكل جزء ، خذ القياسات ثلاث مرات واستخدم المتوسط لتقليل الأخطاء من مستويات القياس المختلفة.
    5. قم بتطبيق حمولة رأسية 500 نيوتن وعزم 7.5 نيوتن متر عند نقطة التحميل لمحاكاة حركات الانثناء والتمديد والانحناء الجانبي.
    6. في المعالجة اللاحقة ، استخرج الحد الأقصى للضغط الداخلي عند النواة اللبية في الأقراص الفقرية لكل جزء وقارن البيانات بالنتائج التي أبلغ عنها Dreischarf و Wike14،29.

4. تحميل نموذج FE

  1. قم بتطبيق نفس العمليات وقيم الحمل على نماذج ما قبل الجراحة وما بعدها PLIF لتسهيل تحليل التغييرات الميكانيكية بعد جراحة PLIF.
  2. قم بتطبيق حمولة رأسية هابطة 400 نيوتن عند نقطة التحميل فوق الفقرة L3 وحمل لحظة 7.5 نيوتن متر في كل اتجاه عند نقطة التحميل لمحاكاة الانثناء الأمامي للإنسان ، والتمديد الخلفي ، والانحناء الجانبي ، وحركة الالتواء.
    ملاحظة: يجب محاكاة الحركة فقط في الاتجاه الأحادي أثناء الانحناء الجانبي والالتواء لأن النموذج القطني العجزي البارامتري متماثل حول المستوى السهمي.
  3. انظر الشكل 1 ب للحصول على نموذج نهائي خاص بالمريض بعد PLIF FE.

النتائج

نتائج المحاكاة للنموذج الخاص بالمريض مقارنة بنتائج الأدبيات السابقة
ROM للقرص الفقري
وفقا لظروف التحميل التجريبية ل Guan et al.27 ، تم تطبيق حمل لحظة الانحناء النقي البالغ 3.5 نيوتن متر في اتجاهات مختلفة عند نقطة تحميل النموذج لمحاكاة حركة العمود الفقري القطني في الانثناء والتمدد والانحناء الجانبي ، وتم قياس ROM لكل جزء ومقارنته بنتائج دراسة Guan. تظهر نتائج المقارنة في الشكل 2A-C. بالمقارنة مع بيانات Guan التجريبية ، كان نموذج FE الذي تم إنشاؤه في هذه الدراسة يحتوي على ROM أصغر لكل جزء في الانثناء و ROM أكبر من L3-L4 في التمديد ، وكلاهما كان في الأساس ضمن نطاق معقول من الانحراف المعياري التجريبي. أثناء الانحناء الجانبي ، كانت نتائج هذه الدراسة كلها في نطاق الانحراف المعياري.

للتحقق من الصحة تحت الحمل المشترك (الحمل المحوري وحمل لحظة الانحناء) ، بالإشارة إلى ظروف Panjiabi et al.28في تجربة المختبر ، تم تطبيق حمل رأسي قدره 150 نيوتن عند نقطة التحميل ، وتم تطبيق لحظات 2.5 نيوتن متر و 5 نيوتن متر و 7.5 نيوتن متر في اتجاهات مختلفة لمحاكاة حركة العمود الفقري القطني في كل اتجاه. تظهر النتائج في الشكل 2D-I ، حيث يشير اتجاه المحور y إلى اتجاه الحركة. تتفق معظم نتائج هذه الدراسة بشكل جيد مع البيانات التجريبية السابقة في المختبر والاتجاه العام متشابه. كان ROM لمقطع L4-L5 تحت حمولة كبيرة يتجاوز نطاق الخطأ القياسي قليلا.

الإجهاد في النواة اللبية
النتائج موضحة في الشكل 2J-L. يمكننا أن نستنتج أن نتائج المحاكاة للنموذج الخاص بالمريض المستخدم هنا تتماشى مع تلك الخاصة بنماذج FE الأخرى التي تم التحقق من صحتها سابقا ، بالإضافة إلى تلك الخاصة بالبيانات التجريبية ذات الصلة في المختبر 14،29.

التغيير في ROM للأجزاء المجاورة قبل وبعد جراحة PLIF
يتم عرض التغييرات في ROM للأجزاء المجاورة في الشكل 3. تم العثور على زيادات كبيرة في جميع اتجاهات الحركة بعد جراحة الاندماج. زادت الحركة الفقرية لقطاعي L3-L4 و L5-S1 تحت الانثناء الأمامي بنسبة 15.9٪ و 25.9٪ على التوالي. في ظل التمدد الخلفي ، زادت الحركة الفقرية لقطاعي L3-L4 و L5-S1 بنسبة 5.9٪ و 15.6٪ على التوالي. في ظل الانحناء الجانبي ، زادت حركة الأجزاء L3-L4 و L5-S1 بنسبة 10٪ و 17.5٪ على التوالي ، بينما زادت حركة قطاعي L3-L4 و L5-S1 بنسبة 19٪ و 21.4٪ على التوالي ، أثناء الالتواء ، وهو ما يتماشى مع نتائج دراسات FE الحالية30،31 وذات الصلة في التجارب المختبرية 32،33.

التغييرات في ROM الكلي للنموذج القطني العجزي قبل وبعد جراحة PLIF
انخفضت الحركة القطنية الإجمالية بعد اندماج L4-L5 بنسبة 33.5٪ أثناء الانثناء الأمامي ، و 44.3٪ أثناء التمدد الخلفي ، و 35.6٪ أثناء الانثناء الجانبي ، و 28.6٪ أثناء الالتواء. يمكن الاستنتاج أن ROM الكلي للنموذج القطني العجزي انخفض بشكل ملحوظ في جميع اتجاهات الحركة بعد جراحة الاندماج ، كما هو موضح في الجدول 3 ، مما يشير إلى أنه على الرغم من زيادة حركة الأجزاء المجاورة بعد الاندماج ، إلا أن الانخفاض الكبير في حركة الجزء المنصهر أدى إلى انخفاض في ROM الكلي وزيادة في الصلابة الكلية للمنطقة القطنية العجزية.

الضغوط في المفاصل الجانبية للأجزاء المجاورة قبل وبعد PLIF
تم حساب متوسط قيم الإجهاد فون ميزس لتسع نقاط موزعة بالتساوي من مفاصل الوجه على كلا الجانبين. من بينها ، تم اختيار النقطة ذات القيمة الأعلى كمؤشر لمقارنة الميكانيكا الحيوية لمفاصل الوجه قبل وبعد جراحة PLIF.

كما هو موضح في الشكل 4 والشكل 5 ، تم العثور على زيادات كبيرة في متوسط الضغوط في المفاصل الجانبية للأجزاء المجاورة بعد PLIF في جميع اتجاهات الحركة. زاد متوسط الضغوط في مفاصل الوجه لقطاعي L3-L4 و L5-S1 بنسبة 42.2٪ و 45.3٪ أثناء الانثناء الأمامي ، بنسبة 3.1٪ و 26.8٪ أثناء التمدد ، بنسبة 24.8٪ و 43٪ أثناء الانحناء الجانبي ، وبنسبة 136.4٪ و 113٪ أثناء الالتواء ، على التوالي. تتوافق هذه النتائج مع تلك الموجودة في الأدبيات34،35. في هذه الدراسة ، وجدنا أيضا أن الزيادة في الإجهاد في مفاصل الوجه للأجزاء المجاورة لمقطع L3-L4 كانت طفيفة أثناء التمدد الخلفي (أقل من 5٪) ، في حين أن الزيادة أثناء الالتواء كانت كبيرة للغاية (زيادة تزيد عن 100٪ في جميع الحالات).

يوضح الشكل 5 توزيع الإجهاد في المفاصل الجانبية للأجزاء المجاورة أثناء الحركة في كل اتجاه قبل وبعد إجراء PLIF. انخفضت الضغوط في المفاصل الوجهية للجزء L4-L5 بشكل ملحوظ بعد جراحة PLIF ، بينما زادت مناطق الإجهاد المركز (المنطقة الحمراء) والمعتدلة (المناطق الصفراء والخضراء) ، مما يشير إلى أن الحد الأقصى للضغط في مفاصل الوجه للأجزاء المجاورة لم يزداد بعد الاندماج فحسب ، بل زادت أيضا مناطق الإجهاد المركز ، والتي قد تكون أحد العوامل المهمة التي تؤثر على اضطراب طيف التوحد.

الإجهاد في الأقراص الفقرية للأجزاء المجاورة قبل وبعد PLIF
بعد جراحة PLIF ، زاد الضغط الأقصى في التليف الحلقي للأجزاء L3-L4 و L5-S1 بنسبة 11.9٪ و 11.1٪ أثناء الانثناء الأمامي ، و 3.7٪ و 18.3٪ أثناء التمدد ، و 47.6٪ و 59.5٪ أثناء الانحناء الجانبي ، و 81.0٪ و 63.8٪ أثناء الالتواء ، على التوالي. زاد الحد الأقصى للضغط في النواة اللبية للقطاعين L3-L4 و L5-S1 بنسبة 10.3٪ و 8.3٪ أثناء الانثناء الأمامي ، و 5٪ و 10.7٪ أثناء التمدد ، و 32.3٪ و 21.6٪ أثناء الانحناء الجانبي ، و 55.6٪ و 50٪ أثناء الالتواء ، على التوالي.

كما هو موضح في الشكل 6 ، زادت الضغوط في كل من الحلقة الليفية والنواة اللبية أثناء الحركة في جميع الاتجاهات بعد جراحة PLIF ، وحدثت الزيادة الأكثر أهمية أثناء الالتواء. كانت الضغوط في كل من الحلقة الليفية والنواة اللبية أكبر في الجزء L3-L4 منها في الجزء L5-S1 أثناء الحركة في جميع الاتجاهات تقريبا قبل الجراحة. بعد جراحة PLIF ، حدثت الزيادة الأكثر أهمية في الإجهاد في الجزء L3-L4 أثناء الالتواء ، مع زيادة بنسبة 81٪ في الحلقة الليفية القرصية و 55.6٪ في النواة اللبية. كانت زيادة الإجهاد في الحلقة الليفية والنواة اللبية أثناء الانحناء الجانبي أكثر أهمية من تلك التي كانت أثناء الانثناء والتمدد إلى الأمام.

يوضح الشكل 7 توزيع الإجهاد في الحلقة الليفية والنواة اللبية للأجزاء المجاورة قبل وبعد جراحة PLIF. على غرار النمط في مفاصل الوجه ، حدث تركيز الإجهاد وتوزيع الإجهاد الأكثر كثافة في الحلقة الليفية والنواة اللبية أثناء الالتواء. بالإضافة إلى ذلك ، تم العثور على أقصى ضغط داخلي أثناء حركات الانثناء الأمامي والتمدد والانحناء الجانبي على الجانب الذي يتم ضغطه ، في حين أن موقع الضغط الأقصى أثناء الالتواء لم يقتصر على جانب واحد.

figure-results-1
الشكل 1: المعلمات وإجراءات تطوير نماذج FE الخاصة بالمريض. (أ) معلمات توليد هندسة العمود الفقري القطني الخاصة بالمريض. (ب) إجراء لتطوير نماذج FE الخاصة بالمريض قبل الجراحة وبعد الجراحة للعمود الفقري القطني العجزي (L3-S1). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-2
الشكل 2: نتائج المحاكاة للنموذج الخاص بالمريض مقارنة بنتائج الأدبيات السابقة. (A-C) ROM للنموذج الخاص بالمريض مقارنة بدراسة Guan. (D-F) مقارنة ROM بين تحليل FE باستخدام النموذج الخاص بالمريض وبيانات Panjiabi تحت حمل مشترك مماثل في الجزء L3-L4. (G-I) مقارنة ROM بين تحليل FE باستخدام النموذج الخاص بالمريض وبيانات Panjiabi تحت حمل مشترك مماثل في الجزء L4-L5. (J-L) نتائج محاكاة الإجهاد في النواة اللبية بين الدراسة الحالية ودراسات أخرى. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3
الشكل 3: ROM للجزء L3-L4 ومقطع L5-S1 قبل وبعد PLIF أثناء الحركة في اتجاهات مختلفة. (أ) مقطع L3-L4 و (ب) مقطع L5-S1. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-4
الشكل 4: متوسط الإجهاد أثناء الانثناء ، والتمدد ، والانحناء الجانبي ، والالتواء في مفاصل الوجه قبل وبعد PLIF. (أ) الانثناء. (ب) التمديد. (ج) الانحناء الجانبي. (د) الالتواء. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-5
الشكل 5: توزيع الإجهاد في مفاصل الوجه أثناء الحركة في اتجاهات مختلفة قبل وبعد PLIF. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-results-6
الشكل 6: الإجهاد الداخلي في الحلقة الليفية والنواة اللبية للأجزاء المجاورة قبل وبعد PLIF. (أ) الحلقة الليفية. (ب) النواة اللبية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-7
الشكل 7: توزيع الإجهاد في الحلقة الليفية والنواة اللبية للأجزاء المجاورة قبل وبعد جراحة PLIF. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

ماعونخصائص الموادنوع الشبكةمعامل يونغ (MPa)نسبة بواسون
برغي باديكتيتانيومج3د41100000.3
قضبان التثبيت
جهاز الانصهار الفقريبولي إيثركيتونج3د437000.3

الجدول 1: الخصائص المادية للتثبيت الداخلي وأجهزة الانصهار

هيكلنوع الوحدةمعامل المرونة (MPa)نسبة بواسونالكثافة (كجم / مم3)
العظم القشريS4120000.31.7 × 10-6
العظم القشريج3د41000.21.1 × 10-6
العنصر الخلفيج3د435000.251.4 × 10-6
لوحة النهايةS423.80.41.2 × 10-6
الحلقة الليفيةC3D8Hج10 = 0.18 ، ج01 = 0.045-1.05 × 10-6
النواة اللبيةC3D8Hج10 = 0.12 ، ج01 = 0.03-1.02 × 10-6

الجدول 2: معلمات الخاصية المادية لنموذج FE القطني

الاتجاهات المتحركةالحد الأقصى للإزاحة قبل PLIF / ممالحد الأقصى للإزاحة بعد PLIF / ممالنسبة المئوية للتغيير
الانثناء الأمامي49.833.1-33.50%
امتداد19.210.7-44.30%
الانحناء الجانبي29.819.2-35.60%
التواء18.513.2-28.60%

الجدول 3: الحد الأقصى للإزاحة أثناء الحركة في اتجاهات مختلفة قبل وبعد PLIF

المناقشة

في هذه الدراسة ، تم إنشاء نموذج FE هندسي خاص بالمريض لتحليل الخصائص الميكانيكية الحيوية للعمود الفقري القطني بعد جراحة PLIF. أظهرت النتائج أن الضغط في مفاصل الوجه والقرص في الجزء المنصهر انخفض بشكل ملحوظ بعد جراحة PLIF ، مما يشير إلى أن PLIF يمكن أن يعزز بشكل فعال استقرار الجزء غير المضغوط ويؤخر تفاقم الآفة. انخفضت الحركة الإجمالية للعمود الفقري القطني بعد جراحة PLIF ، في حين أن ROM ، وإجهاد مفصل الوجه ، ومناطق الإجهاد المركز في مفاصل الوجه ، والإجهاد في الأقراص الفقرية المجاورة زادت بدرجات متفاوتة. يشير هذا إلى أن الاندماج لم يقيد حركة أسفل الظهر فحسب ، بل سمح أيضا للأجزاء المجاورة بالتحرك عبر نطاق أكبر ومشاركة المزيد من الحمل للتعويض عن الجزء المنصهر. لذلك ، تتشكل حلقة مفرغة تزيد من الإجهاد في الأجزاء المجاورة ، مما يؤدي إلى زيادة تركيز الإجهاد وزيادة خطر الإصابة بالأمراض التنكسية في الأجزاء المجاورة. تتوافق نتائجنا مع نتائج دراسات FE التي أجراها باحثونآخرون 36،37 ، وتجارب عينات الجثث التي أجراها Weinhoffer26 و Cunningham38. على الرغم من أن حجم زيادة الإجهاد في القرص الفقري يختلف اختلافا كبيرا من دراسة إلى أخرى ، إلا أننا نعتقد أن هذا الاختلاف مرتبط بالاختلافات في العينات أو التحميل أو طرق القياس.

وجدنا أيضا أن الضغوط في مفاصل الوجه للجزء المجاور القريب (L3-L4) كانت أعلى من تلك الموجودة في المفاصل الوجهية للجزء البعيد (L5-S1) أثناء الحركة في جميع الاتجاهات تقريبا (الانثناء الأمامي ، والتمديد الخلفي ، والالتواء). كانت زيادة الإجهاد في كل من الأجزاء المجاورة القريبة والبعيدة أثناء الالتواء أكثر أهمية (>50٪) من تلك الموجودة أثناء الحركة في اتجاهات أخرى. على وجه الخصوص ، زاد الضغط في مفاصل الوجه والتليف الحلقي للجزء المجاور القريب (L3-L4) إلى حد أكبر من ذلك الموجود في الجزء المجاور البعيد (L5-S1). لقد تم اقتراح أن الجزء المجاور القريب أكثر عرضة للتنكس من الجزء المجاور البعيد بعد اندماج العمود الفقري بسبب الزيادة الكبيرة في الإجهاد39.

بناء على نتائج هذه الدراسة ، من المهم للغاية أن يقوم الجراحون بتنفيذ استراتيجيات أثناء جراحات دمج العمود الفقري لتقليل مخاطر الإصابة باضطراب طيف التوحد ، لا سيما في الجزء القريب. يتضمن ذلك التخطيط قبل الجراحة ، مثل تقييم عوامل الخطر لاضطراب طيف التوحد ، على سبيل المثال ، التنكس الموجود مسبقا في الأجزاء المجاورة أو التوازن السهمي غير الطبيعي. بالإضافة إلى ذلك ، ينصح باعتماد نهج أكثر تحفظا أثناء العملية الجراحية ، مثل الحد من عدد الأجزاء المنصهرة. علاوة على ذلك ، بالنظر إلى الزيادة الكبيرة في الإجهاد أثناء الالتواء ، يمكن أن تكون التدابير الاستباقية مثل دمج مفاصل الوجه للجزء المجاور العلوي أو تشجيع المرضى على تعويض حركة أسفل الظهر بأنشطة الأطراف السفلية أثناء التعافي بعد الجراحة لتقليل سعة الالتواء القطني مفيدة.

تقترح هذه الدراسة طريقة لوضع المعلمات الفردية في نمذجة FE القطنية العجزية. أظهر اختبار التحقق الذي تم إجراؤه في هذه الدراسة أن نموذج FE القطني العجزي L3-S1 الراسخ في هذه الدراسة يتماشى مع البيانات الواردة في الأدبيات السابقة27،28. تجاوزت كمية صغيرة من بيانات المحاكاة نطاق الخطأ المعياري قليلا ، مثل ROM لمقطع L4-L5 تحت حمل كبير ، والذي قد يكون ناتجا عن الاختلافات الفردية أو الاختلافات في معلمات النموذج. ومع ذلك ، لم يكن الانحراف كبيرا ، وكان الاتجاه متماشيا مع نتائج الأدبيات. علاوة على ذلك ، نعتقد أن هذا الاختلاف له تأثير ضئيل على نتائج المحاكاة في اتجاهات أخرى والتفسير السريري النهائي ، بالنظر إلى أن جسم الإنسان نادرا ما يتحمل أحمالا كبيرة تحت الالتواء أفقي. فيما يتعلق بالإجهاد في النواة اللبية تحت الضغط ، تمت أيضا توافق نتائج المحاكاة للنموذج المستخدم في هذه الدراسة مع بيانات الأدبيات14،29. بشكل عام ، تتوافق الخصائص الميكانيكية الحيوية لنموذج الدراسة هذا مع النظرية الحالية ، والتي تشير إلى أنه يمكن استخدام النموذج لمحاكاة حركة المنطقة القطنية العجزية تحت الأحمال التقليدية وكذلك لتحليل الخصائص الكيميائية الحيوية الفردية بعد جراحة العمود الفقري القطني.

يكمن جوهر هذه النمذجة في استخدام أشكال هندسية بسيطة لتقليد شكل الفقرات والأنسجة المحيطة بها عن كثب ، وخاصة شكل العظام الحاملة. يتم تحقيق ذلك في برنامج النمذجة من خلال إنشاء نموذج يتم التحكم فيه بواسطة المعلمات يتكون من أشكال هندسية بسيطة من خلال طرق تشغيلية مباشرة. يتمثل التحدي الرئيسي في هذه العملية في وضع أجزاء العمود الفقري النموذجية في مساحة ثلاثية الأبعاد لتشكيل نموذج عمودي قطني عجزي متماسك باستخدام صور الأشعة السينية الجانبية كمرجع سهمي. يتطلب ذلك ضبطا يدويا على المستويات السهمية والإكليلية والعرضية لتجنب المحاذاة المكانية أو التداخل بين الفقرات. في الوقت الحالي، لا يمكن إكمال هذه الخطوة يدويا إلا ، وهو أمر يستغرق وقتا طويلا ولا يمكن حلها بسهولة دون إدخال تقنية التعرف على نقاط الميزة.

طريقة النمذجة المقترحة في هذه الدراسة لها أيضا قيود معينة. أولا ، يأخذ هذا النموذج ذو المعلمات في الاعتبار في المقام الأول التثبيت الداخلي أو الاندماج في العمود الفقري القطني ، مع تبسيطات كبيرة لتشكل العجز. هذا لأنه في الدراسات التي تركز على الخصائص الحاملة للعمود الفقري القطني ، يفترض عادة أن العجز غير متحرك. ومن ثم ، فإن النموذج غير قابل للتطبيق في المواقف ذات المشاركة المقدسة في التثبيت الداخلي. ثانيا ، يتم تعريف كل جسم فقري في النموذج بشكل منفصل بعظم قشري وإسفنجي ، بافتراض سمك وتجانس موحد للعظم القشري وتجانس العظم الإسفنجي. هذا لا يفسر الاختلافات المحتملة في كثافة العظام الناجمة عن هشاشة العظام. ثالثا ، بينما تستخدم هذه الدراسة نهج نمذجة ثابتة مبسطة ، في الغالب باستخدام الأشكال الهندسية الأساسية لتمثيل المنطقة القطنية العجزية ، هناك نماذج أكثر تعقيدا20،40 ، مثل النماذج اللزجة المرنة ، والمسامية ، والنماذج شديدة المرونة الموجودة بشكل شائع في دراسات العمود الفقري القطني الحالية. كان اختيار نموذج ثابت مبسط مدفوعا بتركيزنا على الأشكال الهندسية الفردية في نمذجة FE القطنية العجزية. هذا النهج ، على الرغم من أنه أقل تعقيدا من النماذج اللزجة المرنة أو المسامية ، إلا أنه يوفر مزايا كبيرة من حيث الكفاءة الحسابية وسهولة التخصيص الفردي. يسمح بالتكيف السريع مع الاختلافات التشريحية الفردية ، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات السريرية الشخصية. بالمقارنة مع النماذج اللزجة المرنة أو المسامية الأكثر تعقيدا ، قد لا يلتقط النموذج الثابت المبسط المستخدم هنا بعض الجوانب الديناميكية أو السائلة للميكانيكا الحيوية للعمود الفقري بنفس الدقة. ومع ذلك ، لأغراض هذه الدراسة - مع التركيز على الأشكال الهندسية الفردية ومحاكاة الحمل التقليدية - يوفر النموذج مقايضة متوازنة بين التفاصيل وقابلية التطبيق العملي.

في هذه الدراسة ، أظهرت طريقة نمذجة FE ذات البارامترية الهندسية العديد من المزايا ، مثل وقت حساب أقل ، وتقارب أفضل للنموذج ، وراحة أكبر في تحقيق النمذجة الخاصة بالمريض من طريقة النمذجة المقطعية المستخدمة في الوقت الحالي. يمكن أن تركز الدراسات المستقبلية على دمج طريقة النمذجة المستخدمة هنا مع التعرف على الصور بناء على خوارزميات الذكاء الاصطناعي لتضخيم النمذجة المؤتمتة بالكامل والتحليل الميكانيكي الحيوي الفعال. يمكن أيضا تطبيق طريقة النمذجة الخاصة بنا في دراسات التحليل الميكانيكي الحيوي بحجم عينة كبير ، وبالتالي تحسين موثوقية الاستنتاجات مع توضيح آليات أمراض العمود الفقري لتطوير طرق علاج مبتكرة واستراتيجيات وقاية.

الإفصاحات

يعلن المؤلفون أنه ليس لديهم مصالح متنافسة أو مصالح أخرى قد ينظر إليها على أنها تؤثر على النتائج و / أو المناقشة الواردة في هذه الورقة.

شكر وتقدير

لم يتلق هذا البحث أي منح محددة من وكالات التمويل في القطاعات العامة أو التجارية أو غير الهادفة للربح.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
AbaqusDassaulthttps://www.3ds.com/products/simulia/abaqusتحليل العناصر المحدودة
AutoCADAutodeskhttps://www.autodesk.com/products/autocad/برنامج تصميم هندسي بمساعدة الكمبيوتر يستخدم لقياس ROM لأجزاء فقرية مختلفة.
مجموعة بيانات الأشعة المقطعية الصداقة الصيني اليابانيلرجل بالغ يتمتع بصحة جيدة ليس لديه تاريخ من الصدمات أو التشوه أو الورم في العمود الفقري (الارتفاع 180 سم ، الوزن 68 كجم). تم تخزين البيانات الأولية بتنسيق Dicom 3.0 بحجم بكسل 0.33 مم وتباعد طبقات 1 مم.
هايبر ميش: 2019Altairhttps://altair.com/hypermesh/  توليد شبكة
يحاكي البحث 21.0تجسيدhttps://www.materialise.com/en/healthcare/mimics-innovation-suite/mimicsبناء النموذج
مجموعة بيانات مستشفى

المراجع

  1. Guigui, P., Ferrero, E. Surgical treatment of degenerative spondylolisthesis. Orthop Traumatol Surg Res. 103 (1), S11-S20 (2017).
  2. de Kunder, S. L., et al. Transforaminal lumbar interbody fusion (TLIF) versus posterior lumbar interbody fusion (PLIF) in lumbar spondylolisthesis: a systematic review and meta-analysis. Spine J. 17 (11), 1712-1721 (2017).
  3. Li, D., et al. Topping-off surgery vs posterior lumbar interbody fusion for degenerative lumbar disease: a comparative study of clinical efficacy and adjacent segment degeneration. J Orthop Surg Res. 14 (1), 197(2019).
  4. Hashimoto, K., et al. Adjacent segment degeneration after fusion spinal surgery-a systematic review. Int Orthop. 43 (4), 987-993 (2019).
  5. Spivak, J. M., et al. Segmental motion of cervical arthroplasty leads to decreased adjacent-level degeneration: Analysis of the 7-year postoperative results of a multicenter randomized controlled trial. Int J Spine Surg. 16 (1), 186-193 (2022).
  6. Liang, W., et al. Biomechanical analysis of the reasonable cervical range of motion to prevent non-fusion segmental degeneration after single-level ACDF. Front Bioeng Biotechnol. 10, 918032(2022).
  7. Wang, B., et al. Biomechanical evaluation of anterior and posterior lumbar surgical approaches on the adjacent segment: a finite element analysis. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 23 (14), 1109-1116 (2020).
  8. Hua, W., et al. Biomechanical evaluation of adjacent segment degeneration after one- or two-level anterior cervical discectomy and fusion versus cervical disc arthroplasty: A finite element analysis. Comput Methods Programs Biomed. 189, 105352(2020).
  9. Jiang, S., Li, W. Biomechanical study of proximal adjacent segment degeneration after posterior lumbar interbody fusion and fixation: a finite element analysis. J Orthop Surg Res. 14 (1), 135(2019).
  10. Kim, J. Y., et al. Paraspinal muscle, facet joint, and disc problems: risk factors for adjacent segment degeneration after lumbar fusion. Spine J. 16 (7), 867-875 (2016).
  11. Shirazi-Adl, A., Ahmed, A. M., Shrivastava, S. C. A finite element study of a lumbar motion segment subjected to pure sagittal plane moments. J Biomech. 19 (4), 331-350 (1986).
  12. Shirazi-Adl, S. A., Shrivastava, S. C., Ahmed, A. M. Stress analysis of the lumbar disc-body unit in compression. A three-dimensional nonlinear finite element study. Spine (Phila Pa). 9 (2), 120-134 (1984).
  13. Brekelmans, W. A., Poort, H. W., Slooff, T. J. A new method to analyse the mechanical behaviour of skeletal parts). Acta Orthop Scand. 43 (5), 301-317 (1972).
  14. Dreischarf, M., 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. 47 (8), 1757-1766 (2014).
  15. Schmidt, H., et al. Response analysis of the lumbar spine during regular daily activities--a finite element analysis. J Biomech. 43 (10), 1849-1856 (2010).
  16. Tischer, T., et al. Detailed pathological changes of human lumbar facet joints L1-L5 in elderly individuals. Eur Spine J. 15 (3), 308-315 (2006).
  17. Zhang, L., et al. Biomechanical changes of adjacent and fixed segments through cortical bone trajectory screw fixation versus traditional trajectory screw fixation in the lumbar spine: A finite element analysis. World Neurosurg. 151, e447-e456 (2021).
  18. Nikkhoo, M., et al. Development of a novel geometrically-parametric patient-specific finite element model to investigate the effects of the lumbar lordosis angle on fusion surgery. J Biomech. 102, 109722(2020).
  19. Ghezelbash, F., et al. Subject-specific biomechanics of trunk: musculoskeletal scaling, internal loads and intradiscal pressure estimation. Biomech Model Mechanobiol. 15 (6), 1699-1712 (2016).
  20. Rayudu, N. M., et al. Patient-specific finite element modeling of the whole lumbar spine using clinical routine multi-detector computed tomography (MDCT) data-A pilot study. Biomedicines. 10 (7), 1567(2022).
  21. Ambati, D. V., et al. Bilateral pedicle screw fixation provides superior biomechanical stability in transforaminal lumbar interbody fusion: a finite element study. Spine J. 15 (8), 1812-1822 (2015).
  22. Mahran, M., ELsabbagh, A., Negm, H. A comparison between different finite elements for elastic and aero-elastic analyses. J Adv Res. 8 (6), 635-648 (2017).
  23. Kurutz, M., Oroszváry, L. Finite element analysis of weightbath hydrotraction treatment of degenerated lumbar spine segments in elastic phase. J Biomech. 43 (3), 433-441 (2010).
  24. Schmidt, H., et al. Application of a calibration method provides more realistic results for a finite element model of a lumbar spinal segment. Clin Biomech. 22 (4), Bristol, Avon. 377-384 (2007).
  25. Lu, Y. M., Hutton, W. C., Gharpuray, V. M. Can variations in intervertebral disc height affect the mechanical function of the disc. Spine (Phila Pa). 21 (19), 2208-2216 (1996).
  26. Weinhoffer, S. L., et al. Intradiscal pressure measurements above an instrumented fusion. A cadaveric study. Spine (Phila Pa). 20 (5), 526-531 (1995).
  27. Guan, Y., et al. Moment-rotation responses of the human lumbosacral spinal column). J Biomech. 40 (9), 1975-1980 (2007).
  28. Panjabi, M. M., et al. Mechanical behavior of the human lumbar and lumbosacral spine as shown by three-dimensional load-displacement curves. J Bone Joint Surg Am. 76 (3), 413-424 (1994).
  29. Wilke, H., et al. Intradiscal pressure together with anthropometric data--a data set for the validation of models. Clin Biomech. 16, Bristol, Avon. Suppl 1 S111-S126 (2001).
  30. Perez-Orribo, L., et al. Biomechanics of a posterior lumbar motion stabilizing device: In vitro comparison to intact and fused conditions. Spine (Phila Pa). 41 (2), E55-E63 (2016).
  31. Schmoelz, W., et al. Biomechanical evaluation of a posterior non-fusion instrumentation of the lumbar spine. Eur Spine J. 21 (5), 939-945 (2012).
  32. Shono, Y., et al. Stability of posterior spinal instrumentation and its effects on adjacent motion segments in the lumbosacral spine. Spine (Phila Pa). 23 (14), 1550-1558 (1998).
  33. Ha, K. Y., et al. Effect of immobilization and configuration on lumbar adjacent-segment biomechanics. J Spinal Disord. 6 (2), 99-105 (1993).
  34. Matsukawa, K., et al. Incidence and risk factors of adjacent cranial facet joint violation following pedicle screw insertion using cortical bone trajectory technique. Spine (Phila Pa). 41 (14), E851-E856 (2016).
  35. Hilibrand, A. S., Robbins, M. Adjacent segment degeneration and adjacent segment disease: the consequences of spinal fusion. Spine J. 4, 6 Suppl 190S-194S (2004).
  36. Hwang, D. W., et al. Radiographic progression of degenerative lumbar scoliosis after short segment decompression and fusion. Asian Spine J. 3 (2), 58-65 (2009).
  37. Chen, W. J., et al. Surgical treatment of adjacent instability after lumbar spine fusion. Spine (Phila Pa). 26 (22), E519-E524 (2001).
  38. Cunningham, B. W., et al. The effect of spinal destabilization and instrumentation on lumbar intradiscal pressure: an in vitro biomechanical analysis. Spine (Phila Pa). 22 (22), 2655-2663 (1997).
  39. Bashkuev, M., Reitmaier, S., Schmidt, H. Effect of disc degeneration on the mechanical behavior of the human lumbar spine: a probabilistic finite element study. Spine J. 18 (10), 1910-1920 (2018).
  40. Nikkhoo, M., et al. Anatomical parameters alter the biomechanical responses of adjacent segments following lumbar fusion surgery: Personalized poroelastic finite element modelling investigations. Front Bioeng Biotechnol. 11, 1110752(2023).

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

الفيديو قريباً

مقالات ذات صلة