Please use this identifier to cite or link to this item:
Title: Mechanical & computational modeling of implants
Other Titles: Μηχανική & υπολογιστική αναπαράσταση εμφυτευμάτων
Authors: Φράγκου, Κατερίνα
Keywords: Spine
Intervertebral disc
Finite Element Model (FEM)
Keywords (translated): Σπονδυλική στήλη
Μεσοσπονδύλιος δίσκος
Μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων
Abstract: The fast pace of life and the heavy work load in modern society, lead to several clinical problems. Lower back pain is the most frequent medical disease affecting people at some point in their life. Back pain often appears due to injuries, spinal instability or degeneration that cause malfunctions to small cartilages inside the spine, called Intervertebral Discs. The intervertebral disc withstands the body loads like in case of lying down or during standing upright, in which the disc bears almost 450- 600N. However, aging affects its functions. During daily activities or even worse in case of weight lifting or extravagant exercising, the disc gets dehydrated and thus, loses its height and damage may occur. This can cause impingement of neural structures resulting in pain, numbness and weakness. Additionally, changes may appear in the structure of the vertebral bodies and the mechanical properties of the disc. Unfortunately, in worst case scenario of Lower Back Pain and when the physiotherapy is not enough, surgical treatment may be inevitable and even if it is not preferred, total disc replacement may follow. The spine is a structure bearing the applied loads with the assistance of the ligaments, tendons, muscles, bones, intervertebral discs and provides a range of motions while protecting the spinal cord. The vertebral bodies are joined by two bilateral facet joints in the posterior region and are separated at each level by a cartilaginous intervertebral disc. The intervertebral disc consists of a central gel, the Nucleus Pulposus which is surrounded by Collagen fibers embedded in Ground substance composing the Annulus Fibrosus. Factors like trauma, tumors, infections, degenerative disorders can contribute to spinal instability and may affect the bones, discs, joints, or ligaments. Two of the most common clinical problems are degeneration and herniation. Degenerative changes may affect the vertebral bodies and the intervertebral disc. Intervertebral disc works like a shock absorber for the spine. As the disc degenerates, the ability for it to handle such stresses also changes. Additionally, the peripheral collagen fibers of the disc are stressed resulting in herniation of the disc material outwards and compressing the nerve roots or the spinal cord. The aim of this research work is to provide an implant of the intervertebral disc in a natural shape and size to replace the real one. A Finite Element Model was developed to represent the disc and analyze its behavior in extreme situations. Specifically, the model was tested in simulations under compression, full forward flexion and right lateral bending. Following, sixteen biomaterials were also studied to replace the parts of the disc. These biomaterials were simulated under the same loading conditions and their stress, strain and deformation distributions compared with the ones produced by the human disc. The choice of biomaterials that would compose the implant, was made by the similarity mechanisms. Therefore, an artificial lumbar disc was developed by polystyrene, Teflon and rubber to replace the nucleus pulposus, the collagen fibers and the ground substance, respectively. The implant was simulated under the same loading conditions and compared with the real disc. The two models showed similar behavior during full forward flexion and higher deviation during compression and lateral bending. The stress applied on the artificial disc during lateral bending was higher compared to the human disc, due to the higher stiffness and strength of the Teflon and polystyrene. Furthermore, the parts of the human disc have been modelled as linear elastic materials, while the rubber has been modified as a hyperelastic material that shows higher resistance to deformation and resulting in nonlinear behavior compared to the real disc. This research work contains an extensive literature review on spinal anatomy, mechanics and therapy, a complete methodology procedure and a preliminary Finite Element Model of L4/5 vertebral bodies along with their intervertebral disc. Not only has the Finite Element model generated very promising results about the behavior of the intervertebral disc during compression, flexion and bending, but also reasonable and useful conclusions were produced regarding the biomaterials that could be utilized in an artificial implant for total disc replacement. The specific analysis of this thesis provides data about the flexible properties of the disc, the bulge regions, the stress, strain and deformation distributions during the different loading conditions and comparisons with the artificial disc.
Abstract (translated): Η σπονδυλική στήλη είναι μία πολύπλοκη δομή που αποτελείται από σπονδύλους και μεσοσπονδύλιους δισκους και χωρίζεται σε τρία τμήματα: το αυχενικό, το θωρακικό και το οσφυικό (στη μέση). Η σπονδυλική στήλη προσφέρει μεγάλη γκάμα κινήσεων, σταθερότητα και μας προστατεύει από τις διάφορες καταπονήσεις. Ο καθημερινός τρόπος ζωής, όμως, καθώς και οι βαριές εργασίες, οδηγούν σε διάφορα ιατρικά προβλήματα, όπως είναι ο πόνος στη μέση. Ο πόνος στη μέση είναι ένα από τα πιο συχνά προβλήματα υγείας που εμφανίζει ένας άνθρωπος, κάποια στιγμή στη ζωή του και επηρεάζονται οι κινήσεις του καθώς και οι λειτουργίες της σπονδυλικής στήλης. Κάθε χρόνο, πάνω από 600,000 άνθρωποι υποφέρουν από τη μέση τους, σύμφωνα με μελέτες του Εθνικού Συμβουλίου Υγείας και Ιατρικής Μελέτης το 2000. Ο πόνος στη μέση, εμφανίζεται σε μεγαλύτερες ηλικίες (10-20%) και το ποσοστό αυξάνεται μετά την ηλικία των 65 (15-30%). Επίσης, το ποσοστό είναι μεγαλύτερο για τον γυναικείο πληθυσμό (35,3%) και μικρότερο για τον ανδρικό πληθυσμό (29.4%). Ο πόνος στη μέση, συνήθως, εμφανίζεται λόγω τραυματισμών, σπονδυλικής αστάθειας ή εκφυλισμού λόγω βλάβης στις μικρές αρθρώσεις μεταξύ των σπονδύλων, που λέγονται μεσοσπονδύλιοι δίσκοι. Ο μεσοσπονδύλιος δίσκος υποβαστά τις δυνάμεις που δέχεται το σώμα, όπως για παράδειγμα όταν είμαστε ξαπλωμένοι ή όρθιοι, που δέχεται γύρω στα 450-600N. Η γήρανση, όμως, επηρεάζει τη λειτουργεία τους. Κατά τη διάρκεια των καθημερινών ενεργειών ή όταν σηκώνουμε βάρη, ο δίσκος χάνει την υγρασία του και έτσι, χάνει το ύψος του και μπορεί να δημιουργηθεί εκφυλισμός, ακόμα και να καταστραφεί. Αυτό με τη σειρά του δημιουργεί πίεση στα νεύρα που περιβάλλουν το δίσκο και έτσι, προκαλείται πόνος, ζαλάδα και αδυναμία. Επιπλέον, μπορεί να υπάρξουν αλλαγές στη δομή των σπονδύλων και στις μηχανικές ιδιότητες του δίσκου. Η σπονδυλική στήλη μαζί με τη βοήθεια των συνδέσμων, των τεντόνων, των μυών, των κοκάλων και των δίσκων αντέχουν μεγάλο φορτίο δυνάμεων και έτσι προστατεύουν το σώμα. Οι σπόνδυλοι συνδέονται μεταξύ τους με δύο συνδέσμους και χωρίζονται από τους μεσοσπονδύλιους δίσκους. Ο μεσοσπονδύλιος δίσκος αποτελείται απο ένα τζελοειδή πηρύνα στο κέντρο, τον πηκτοειδή πυρήνα που αποτελείται απο 80% νερό και ο οποίος περιβάλλεται από ίνες κολλαγόνου μέσα σε αλεσμένη ουσία που αποτελούν τον ινώδη δακτύλιο. Ο μεσοσπονδύλιος δίσκος είναι υπεύθυνος για τη μεταφορά των δυνάμεων και την προστασία της σπονδυλικής στήλης ακόμα και στις πιο ακραίες καταπονήσεις. Επίσης, επιτρέπει την ασφαλή κίνηση και τις περιστροφικές κινήσεις των σπονδύλων στα τρία επίπεδα κίνησης (οβελιαίο, μετωπιαίο και εγκάρσιο) προσφέροντας έτσι, έξι βαθμούς ελευθερίας. Επομένως, επιτρέπει στο σώμα να κινηθεί με πολύπλοκο τρόπο και να μειωθούν οι τάσεις που προκαλούν καταπονήσεις. Υπάρχουν διάφορες αιτίες που μπορούν να οδηγήσουν σε σπονδυλική αστάθεια όπως τραυματισμός, όγκος, μόλυνση, εκφυλισμός και οι οποίες επηρρεάζουν τα κόκκαλα, τους δίσκους, τις αρθρώσεις και τους συνδέσμους. Δύο από τα πιο κοινά ιατρικά προβλήματα είναι ο εκφυλισμός και η κοίλη. Η κοίλη είναι ένα πρόβλημα που αν διαγνωσθεί νωρίς, τότε με φυσιοθεραπίες είναι αναστρέψιμο. Ο εκφυλισμός επηρεάζει τους σπονδύλους και το μεσοσπονδύλιο δίσκο. Ο μεσοσπονδύλιος δίσκος απορροφά τις δονήσεις που δέχεται το σώμα και στην περίπτωση του εκφυλισμού αυτή η ικανότητα χάνεται λόγω του ότι χάνει την υγρασία του και το ύψος του. Επίσης, αρχίζουν να δημιουργούνται ρωγμές στο υλικό του δίσκου και οι ίνες κολλαγόνου δέχονται τόσο μεγάλες τάσεις που πιέζουν τα περιβάλλοντα νεύρα, ενώ ο πηκτοειδής πηρύνας εκβάλλει από τη θέση του με αποτέλεσμα να εμφανίζεται και κοίλη. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η χειρουργική επέμβαση είναι μονόδρομος και παρόλο που δεν είναι αρεστή και επιθυμητή, πρέπει να πραγματοποιηθεί ολική αντικατάσταση του μεσοσπονδύλιου δίσκου. Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας, έιναι να φτιαχτεί ένα εμφύτευμα σε φυσικό σχήμα και μέγεθος και το οποίο θα αντικαταστήσει εξ’ολοκλήρου το μεσοσπονδύλιο δίσκο. Έτσι, δεκαέξι διαφορετικά βιουλικά έχουν μελετηθεί, ούτως ώστε να να επιλεχθεί ο καταλληλότερος συνδιασμός τους και να φτιαχτεί το εμφύτευμα. Σε περιπτώσεις στις ο οποίες μελετάται κάποιο τμήμα του ανθρώπινου οργανισμού, συνήθως, χρησιμοποιούνται υπολογιστικά μοντέλα με σκοπό να αποφευχθεί ο κίνδυνος της ανθρώπινης ζωής, αλλά παράλληλα να μελετηθούν η δομή και η εμβιομηχανική. Η υπολογιστική αναπαράσταση και πιο συγκεκριμένα τα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιούνται εκτενώς για να μελετηθούν ιατρικά προβλήματα, όπως και αυτά της κοίλης και του εκφυλισμού. Οι υπολογιστικές προσομοιώσεις προσφέρουν τη δυνατότητα να μειωθεί ο χρόνος και το κόστος, καθώς και να προκύψουν θεραπείας για τη μέση ή να φτιαχτούν μοντέλα εμφυτευμάτων. Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία, έχει κατασκευαστεί ένα μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων, το οποίο αναπαριστά το σπονδυλικό οσφυϊκό τμήμα Ο4/5 και ο μεσοσπονδύλιος δίσκος τους. Αρχικά χρησιμοποίηθηκε ένα μοντέλο ολόκληρης της σπονδυλικής στήλης το οποίο βασίστηκε σε δεδομένα από άνθρωπινο πτώμα, το οποίο δεν εμφάνιζε μολύνσεις ή τραύματα στην σπονδυλική στήλη. Το συγκεκριμένο μοντέλο, όμως, ήταν μοντελοποιημένο από επιφάνειες και όχι ως στερεό σώμα και ο μεσοσπονδύλιος δίσκος από μία επιφάνεια που σχημάτιζε ένα μόνο κομμάτι. Έτσι, το συγκεκριμένο μοντέλο εισήχθη στο CATIA, το οποίο είναι ένα σχεδιαστικό πρόγραμμα για δισδιάστατα και τρισδιάστατα μοντέλα. Εκεί απομονώθηκε το τμήμα των οσφυικών σπονδύλων 4 και 5, ενώ ο δίσκος τροποποιήθηκε ούτως ώστε να περιλαμβάνει τρία τμήματα, τον πηκτοειδή πυρήνα, τις ίνες κολλαγόνου και την θεμελιώδης ουσία. Πέντε κομμάτια, λοιπόν, παράχθηκαν τα οποία στη συνέχεια μετατράπηκαν σε στερεά σώματα. Στη συνέχεια, το μοντέλο εισήχθη στο ANSYS, το οποίο είναι ένα εργαλείο αναπαράστασης πεπερασμένων στοιχείων που έχει τη δυνατότητα να αναπαριστά με μεγάλη ακρίβεια τις ιδιότητες των υλικών και τη γεωμετρία του δίσκου. Το μοντέλο αυτό χρησιμοποιήθηκε για να μελετηθούν οι δομικές και εμβιομηχανικές αντιδράσεις του μεσοσπονδύλιου δίσκου σε τρεις ακραίες περιπτώσεις: συμπίεση μέχρι 2500N, πλήρη εμπρόσθια κάμψη μέχρι τις 13º και δεξιά πλάγια κάμψη μέχρι τις 6º. Όταν ένας άνθρωπος, περίπου 70kg, στέκεται όρθιος, τότε η οσφυική μοίρα τη σπονδυλικής στήλης δέχεται το 50-60% του σωματικού βάρους, δηλαδή περίπου 500Ν. Όταν ο ίδιος άνθρωπος σηκώνει ένα βάρος 100N με τα χέρια τεντωμένα και ευθεία, τότε η δύναμη που δέχεται η οσφυική μοίρα είναι 2000Ν. Για αυτό το λόγο, η συμπίεση μελετήθηκε μέχρι και τα 2500N. Πριν την προσομοίωση των καταπονήσεων, όμως, προηγήθηκε επικύρωση του μοντέλου χρησιμοποιώντας δεδομένα από τη βιβλιογραφία, ενώ στη συνέχεια ορίστηκαν οι ιδιότητες των υλικών, ο τύπος των στοιχείων που απαρτίζουν το μοντέλο, η γεωμετρία, οι συνδέσεις μεταξύ των επιφανειών, το τρισδιάστατο πλέγμα και οι οριακές συνθήκες. Οι οριακές συνθήκες περιλαμβάνουν τον περιορισμό της κάτω επιφάνειας του κάτω σπονδύλου σε όλους τους βαθμούς ελευθερίας και την άσκηση πίεσης 70kPa στον πηκτοειδή πυρήνα, αναπαριστώντας έτσι, την παρουσία των περιβάλλοντων στοιχείων. Στη συνέχεια, εφαρμόστηκαν οι καταπονήσεις και προέκυψαν τα επόμενα συμπεράσματα. Η σχέση μεταξύ δύναμης και μετατόπισης είναι σχεδόν γραμμική, κάτι το οποίο δείχνει τις εύκαμπτες ιδιότητες του δίσκου. Κατά τη διάρκεια της συμπίεσης, οι μεγαλύτερες μετατοπίσεις εμφανίστηκαν στις πίσω και πλάγιες περιοχές του πηκτοειδούς πυρήνα, όπου έχει και την προδιάθεση να προεξέχει, ενώ οι τάσεις είναι μεγαλύτερες στην περιοχή των ινών κολλαγόνου και μειώνονται προς το κέντρο του δίσκου. Επιπλέον, ο πηκτοειδής πυρήνας έχει την τάση να απορροφά τις τάσεις λόγω της συμπίεσης και να τις διανέμει προς τα έξω. Παράλληλα, τόσο κατά τη διάρκεια της συμπίεσης, όσο και κατά την διάρκεια της εμπρόσθιας κάμψης, οι ίνες κολλαγόνου δημιουργούν ταυτόχρονα κυρτώματα εξωτερικά και εσωτερικά. Η εμπρόσθια κάμψη δημιουργεί μέγιστες τάσεις και παραμορφώσεις στην κάτω πλευρά της θεμελιώης ουσίας και στην πάνω μπροστινή περιοχή της, όπου έχουν την τάση να δημιουργηθούν ρωγμές, άρα και εκφυλισμό. Κατά τη διάρκεια της δεξιάς πλάγιας κάμψης, μέγιστες τάσεις εμφανίστηκαν στην δεξιά πλευρά του δίσκου, ενώ ο ινώδης δακτύλιος καταπονήθηκε και στον κατακόρυφο άξονα. Παράλληλα, μέγιστες τάσεις και παραμορφώσεις εμφανίστηκαν στον πηκτοειδή πηρύνα και στις ίνες κολλαγόνου. Αφού μελετήθηκαν οι λειτουργίες και οι αντιδράσεις του δίσκου υπό αυτές τις συνθήκες, χρησιμποιήθηκαν δεκαέξι βιουλικά από τις κατηγορίες των μετάλλων και των πολυμερών, τα οποία αντικαθιστώντας κάθε φορά ένα κομμάτι του δίσκου, μελετήθηκαν κάτω από τις ίδιες ακραίες συνθήκες. Τα αποτελέσματα τα οποία προέκυψαν ήταν οι τάσεις, οι παραμορφώσεις και οι μετατοπίσεις, οι οποίες συγκρίθηκαν με τις αντίστοιχες του φυσικού δίσκου. Προκειμένου να γίνει η επιλογή των βιουλικών, χρησιμοποιήθηκαν οι μηχανισμοί ομοιότητας, οι οποίοι στηρίζονται στην Ευκλειδια απόσταση και περιλαμβάνουν τη χρήση ειδικών βαρών που αναπαριστούν την επιρροή κάθε χαρακτηριστικού στο τελικό αποτέλεσμα. Στην συγκεκριμένη εργασία, τα χαρακτηριστικά αυτά είναι οι μέση τιμή των τάσεων, των παραμορφώσεων και των μετατοπίσεων κατά τη διάρκεια της συμπίεσης, της εμπρόσθιας κάμψης και της πλάγιας κάμψης. Η εμπρόσθα κάμψη μπορεί να αποβεί καταστροφική για τον δίσκο, ενώ αμέσως μετά ακολουθεί η πλάγια κάμψη και η συμπίεση. Με βάση τη συγκεκριμένη παραδοχή που προέκυψε από βιβλιογραφικά δεδομένα, επιλέχθηκαν τα βάρη των μηχανισμών ομοιότητας και τελικά, προέκυψε μία τιμή ομοίοτητας για κάθε υλικό σε σύγκριση με τα τμήματα του δίσκου. Προέκυψε, λοιπόν, ένας τεχνητός μεσοσπονδύλιος δίσκος φτιαγμένος από καουτσούκ, τεφλόν και πολυστυρόλιο στις θέσεις της θεμελιώδης ουσίας, των ινών κολλαγόνου και του πηκτοειδούς πυρήνα, αντίστοιχα. Το εμφύτευμα μελετήθηκε κάτω από τις ίδιες συνθήκες και συγκρίθηκε με το αρχικό. Τα δύο μοντέλα έδειξαν παρόμοια συμπεριφορά κατά τη διάρκεια της μπροστινής κάμψης και μεγαλύτερη απόκλιση κατά τη διάρκεια της πλάγιας κάμψης και της συμπίεσης. Οι πιέσεις που ασκήθηκαν κατά τη διάρκεια της πλάγιας κάμψης στο εμφύτευμα ήταν μεγαλυτερες διότι το τεφλόν και το πολυστερόλιο παρουσιάζουν μεγαλύτερη ακαμψία συγκριτικά με τα φυσικά υλικά. Επίσης, τα υλικά του φυσικού δίσκου μοντελοποιήθηκαν ως γραμμικά ελαστικά, ενώ το καουτσούκ είναι ένα υλικό με υπερελαστικές ιδιότητες και εμφανίζει μεγαλύτερη αντοχή στην παραμόρφωση. Εν κατακλείδη, η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία, περιλαμβάνει χρήσιμα αποτελέσματα, πολλά από τα οποία κυμαίνονταν σε πολύ κοντινές τιμές με αντίστοιχες βιβλιογραφικές. Παρόλ’αυτά υπήρξαν και κάποιοι περιορισμοί. Τα οσφυικά τμήματα είναι πολύπλοκες δομές από σύνθετα υλικά, κάτι το οποίο είναι δύσκολο να μοντελοποιηθεί σε εργαλεία πεπερασμένων στοιχείων. Τα υλικά του δίσκου, μοντελοποιήθηκαν ως γραμμικά ελαστικά, ενώ τα περιφεριακά τμήματα δεν μοντελοποιήθηκαν καθόλου. Επίσης, η ανάλυση ήταν στατική και τα οι κατηγορίες των βιουλικών περιορίστηκαν μόνο στα μέταλλα και τα πολυμερή. Τέλος, η συγκεκειμένη διπλωματική εργασία περιλαμβάνει μία εκτεταμένη ανασκόπηση στη βιβλιογραφία σχετικά με την ανατομία της σπονδυλικής στήλης, την εμβιομηχανική της και τις θεραπείες της. Επιπλέον, παρουσιάζεται μία ολοκληρωμένη μεθοδολογία και ένα μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων των οσφυικών σπονδύλων Ο4/5 και του μεσοσπονδύλιου δίσκου τους. Το μοντέλο όχι μόνο έδωσε ελπιδοφόρα αποτελέσματα, αλλά και πολύ χρήσιμες και λογικές πληροφορίες σχετικά με τα βιουλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εμφυτεύματα. Η συγκεκριμένη ανάλυση προσφέρει δεδομένα σχετικά με τις ελαστικές ιδιότητες του δίσκου, τις περιοχές στις οποίες έχει τάση να δημιουργήσει προεξοχές, τις τάσεις, τις παραμορφώσεις και τις μετατοπίσεις καθώς και τις συγκρίσεις με το εμφύτευμα.
Appears in Collections:Τμήμα Ηλεκτρολ. Μηχαν. και Τεχνολ. Υπολογιστών (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nemertes_Fragkou(ele).pdf3.55 MBAdobe PDFView/Open

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.