16818

16818

بررسي رفتار خستگي پيچ‌هاي پديكل در ناحيه كمري ستون فقرات تحت بارهاي ديناميكي

كارشناسي ارشد

بيومكانيك

مهر ماه 1395

دكتر محمد حق پناهي

مكانيك

چكيده پيچ‌هاي پديكل ايمپلنت‌هاي پزشكي هستند كه همراه با ميله‌ها يا رادهايي به صورت خلفي در مهره‌هاي ستون فقرات كاشته مي‌شوند تا ستون فقرات را اصلاح كند يا پايداري آن را بهبود بخشد. در اين مطالعه هدف بررسي اثر اين بارها بر رفتار خستگي پيچ‌ها مي‌باشد. در مطالعه حاضر با ايجاد يك مدل سه بعدي از مهره‌هاي ناحيه كمري، با نرم‌افزار MIMICS 17، به بررسي اثر بارگذاري‌هاي ديناميكي بر رفتار خستگي پيچ‌هاي پديكل با استفاده از روش اجزاي محدود (FEM)، توسط نرم‌افزار ABAQUS 2016، پرداخته شد. فرآيند پيري براي استخوان اسفنجي در نظر گرفته شد. بارگذاري‌هاي نوساني در چهار حالت فشاري، فلكشن-اكستنشن، خمش جانبي و چرخش محوري بر مدل اعمال شدند. بعد از اعمال بارگذاري‌ها عمر خستگي از طريق فرمول‌بندي براي هر بارگذاري بدست آمد. به منظور بررسي تاثير فيوژن بر ساير سگمان‌هاي مجاور، پارامتر فشار ديسك بين مهره‌اي به عنوان متغير مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه، بارگذاري فشاري نوساني N 750 – 75 و بارگذاري فلكشن-اكستنشن و خمش جانبي با بار فشاري ثابت N 400 منجر به شكست ايمپلنت در تعداد سيكل كمتر از پنج ميليون مي‌شوند. در ساير بارگذاري‌ها، ايمپلنت عمر بيشتر از پنج ميليون سيكل دارد. همچنين نشان داده شد كه فرآيند پيري بر عمر خستگي تاثير منفي دارد و در گريدهاي بالا نسبت به گريدهاي پايينتر عمر ايمپلنت كمتر است. نتايج تاثير فيوژن بر مهره‌هاي مجاور نشان داد كه، به طور كلي فيوژن در بارگذاري فشاري باعث افزايش فشار ديسك بين مهره‌اي سگمان‌هاي مجاور سگمان ايمپلنت شده مي‌شود. به عنوان نتيجه‌گيري، عمر خستگي پيچ‌ها تحت تاثير بارهاي مختلف متفاوت است. فرآيند پيري تاثير منفي بر عمر خستگي دارد و عمل فيوژن باعث افزايش فشار ديسك بين مهره‌اي سگمان‌هاي مجاور سگمان ايمپلنت شده در بارگذاري فشاري مي‌شود. واژه‌هاي كليدي: پيچ پديكل، عمل فيوژن ستون فقرات، خستگي، روش اجزاء محدود.

1395/12/09

1/1/1900 12:00:00 AM

Abstract: Pedicle screws are medical implants that are implanted in spinal vertebrae posteriorly an​d generally are connected to a rod to form a structure that correct spinal deformity o​r improve its stability. In many spinal surgeries these screws are used for vertebrae stabilization an​d fixation. The biomechanical behavior of pedicle screws has been investigated in several studies. One of the most important parameters for pedicle screws is fatigue behavior under dynamic loads after surgery. Since many repetitive dynamic loads are applied on spine during walking, these loads also are applied on the pedicle screw located inside the vertebrae of the spine. In this study the goal is to investigate the effect of these loads on the fatigue behavior of screws. In the current study, the effect of dynamic loads on the fatigue behavior an​d the impact of this fixation on the other segments were investigated by creating a three-dimensional model of the lumbar spine, with MIMICS 17 software, an​d fixation an​d placement of pedicle screws in the L3 an​d L4 vertebrae of lumbar spine, using the finite element method (FEM), with ABAQUS 2016. In this study vertebra was modeled with three cancellous, cortical an​d posterior bone as elastic material. Discs with two parts, annulus an​d nucleus, were modeled as viscoelastic material with prony series, ligaments as elastic material an​d implants as elastoplastic material. The effect of aging was considered for cancellous bone an​d disc. Fluctuating loads were applied on the model in four states: compression, flexion-extension, lateral bending an​d axial rotation. Three levels of compression load with maximum values of 250, 400 an​d 750 Nm an​d maximum to minimum load ratio of ten were applied on vertebrae as fluctuating. Flexion-extension loading was applied with 250 an​d 400 N of constant compression an​d moment of ± 7.5 N.m. Lateral bending loading was applied with 250 an​d 400 N of constant compression an​d moment of ± 7.8 N.m. And axial rotation loading was applied with 250 an​d 400 N of constant compression an​d torque of ± 5.5 Nm on the model. After loads applying, the fatigue life obtained via formulations for each loading. The effect of fusion on the other adjacent segments were investigated by eva​luating intervertebral disc pressure variable. Results showed that the compression loading with 75 – 750 N value, flexion-extension loading an​d lateral bending loading with 400 N constant pressure, lead to implant failure in less than five million cycles. In the other loadings, implants life was more than five million cycles. It was also shown that the aging have a negative impact on fatigue life, an​d implant life in higher grades is less than lower grades. The results of fusion effect on adjacent vertebrae showed that, in general fusion in compressive loading increases the pressure of the intervertebral disc in segments adjacent to implanted segment, an​d in flexion-extension loading, fusion increases the intervertebral disc pressure of segments above implanted segment an​d reduce the intervertebral disc pressure of segments below implanted segment. As conclusion, fatigue life is different in different dynamic loading that body experiences an​d lateral bending loads has the greatest impact on fatigue life. Aging has negative impact on the fatigue life an​d fusion surgery in compression loading increase the intervertebral disc pressure of adjacent segments near the implanted segment. Keywords: Pedicle Screw, Spinal Fusion Surgery, Fatigue, Finite Element Method.