26888

شبيه‌سازي بيومكانيكي عمل جراحي تنگي كانال نخاعي

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي مكانيك- طراحي كاربردي ـ ديناميك جامدات

1391

1400/12/18

محمد حق پناهي

هوشنگ صابري

مهندسي مكانيك

در اين رساله شبيه¬سازي عمل جراحي تنگي كانال نخاعي در ناحيه كمري يا لومبار ستون فقرات با استفاده از روش اجزاي محدود توسعه پيدا كرده است. با توجه به خاصيت دوفازي ديسك بين مهره¬اي و نقش بارگذاري¬هاي وابسته به زمان در بيومكانيك اعضاي درگير ستون فقرات پس از عمل جراحي، براي مدلسازي ديسك از تئوري پروويسكوالاستيك استفاده و مقادير جديد براي مشخصات مادي، با كمك داده-هاي آزمايشگاهي موجود در منابع تحقيق و با استفاده از يك برنامه بهينه¬سازي، پيشنهاد شده است. مدل سه¬بعدي اجزاي محدود ناحيه لومبار ستون فقرات با استفاده از عكس¬هاي سي¬تي اسكن ، ايجاد و شبيه-سازي اجزاي محدود ناحيه لومبار بيمار تحت درمان انواع عمل جراحي فشارزدايي (لامينكتومي ، لامينوتومي ، فاستكتومي ، فشارزدايي به همراه همجوشي يا فيوژن و تجهيزگذاري ، تعويض ديسك مصنوعي يا آرتروپلاستي و ديسككتومي ) انجام شد. در هر مورد، انواع پروتوكل¬هاي جراحي ممكن در مدلسازي اعمال و شرايط بيمار تحت بارگذاري استاتيكي و بلندمدت مورد بررسي قرار گرفت. با توجه به اينكه عمل جراحي لامينكتومي متداول¬ترين روش جراحي براي درمان تنگي كانال نخاعي مي¬باشد، انواع تكنيك¬هاي عمل جراحي لامينكتومي و لامينوتومي بر روي مدل ناحيه لومبار پياده و نتايج بارگذاري استاتيك با ستون فقرات سالم مورد مقايسه قرار گرفت. نتايج حاصله نشان مي¬دهد عمل جراحي لامينوتومي نسبت به لامينكتومي منجر به تغييرات كمتري در پارامترهاي بيومكانيكي ناحيه لومبار مي-شوند. در ادامه يك سيستم¬ تثبيت تجهيزگذاري شده صلب و سه سيستم¬ تثبيت تجهيزگذاري شده ديناميك (انعطاف¬پذير) مدلسازي شده و مشخصات هندسي و مادي هر كدام با توجه به اطلاعات موجود در منابع تحقيق و مشورت با جراحان شبيه¬سازي شد. به منظور بررسي اثرات بارگذاري¬هاي بلندمدت بر روي بيومكانيك اعضاي تحت عمل و كارايي عمل جراحي همراه با پيچ¬گذاري، اتصال پيچ¬گذاري شده در هر سيستم در بارگذاري سيكليك و بلندمدت تحليل شد و طول عمر هر سيستم از نظر تعداد سيكل¬هاي قابل تحمل تا شكستگي پيچ پديكلي به دست آمد. نتايج نشان مي¬دهند سيستم¬هاي كاملا صلب در بارگذاري سيكليك در سه شرايط بارگذاري استاندارد، قادر به تحمل سيكل¬هاي مورد انتظار نيستند. از آنجايي كه عمل جراحي ديسككتومي به عنوان يك گزينه متداول براي درمان بيماري تنگي كانال نخاعي مطرح است، بررسي تاثير برداشتن ديسك بين مهره¬اي و انجام همجوشي در محل ديسك، در تغيير رفتار بيومكانيكي ستون فقرات مستلزم توجه ويژه مي¬باشد. در ادامه، عمل جراحي ديسككتومي به همراه همجوشي و عمل جراحي آرتروپلاستي يا تعويض ديسك مصنوعي با شبيه¬سازي سه مدل ديسك مصنوعي متداول در ناحيه لومبار ستون فقرات، مدلسازي شده و نتايج بارگذاري استاتيك با حالت سالم مورد مقايسه قرار گرفته است.

1401/06/06

Biomechanical simulation of spinal stenosis surgery

3/9/2023 12:00:00 AM

In this thesis we developed a full biomechanical simulation of lumbar spinal stenosis surgical procedures by using finite element method (FEM). A 3D finie element model of intervertebral disc is developed to simulate the composite structure of this soft tissue. Because of biphasic behavior of intervertebral disc and effect of time dependent loading on the biomechanics of lumbar segments, a modified poroviscoelastic finite element model of human intervertebral disc was developed. A new set of material properties were derived by using experimental data from literature. Then by using medical images (CT scan), a 3D finie element model of L1-L5 region of lumbar spinal column was developed to investigate biomechanical behavior of spine under different types of decompression surgery. Various methods of spinal stenosis surgery such as laminectomy, laminotomy, facetectomy, discectomy, decompression with fusion and instrumentation were simulated by using CT images. For each case, different surgical protocols were simulated and biomechanical parameters were compared to the intact case. Since laminectomy is the most common surgical procedure for the treatment of spinal canal stenosis, different techniques of laminectomy and laminotomy were simulated on the model of lumbar spine. The results show that laminotomy Leads to fewer changes in the biomechanical parameters of the model in comparison with laminectomy. Then, the intact model was modified at L4-L5 to simulate stabilization with rigid and flexible (dynamic) stabilization systems. Cyclic loading was applied to each stabilization system to investigate pedicle screw loosening under physiological cyclic loading. The results show that completely rigid stabilization systems are not able to withstand the expected cycles in most standard loading conditions. Lumbar discectomy is the most common type of surgery for ruptured or herniated discs of the lumbar spine in spinal stenosis Trauma. In the following, different types of artificial disc devices and lumbar discectomy surgery with fusion were simulated and biomechanical parameters of each model was compared to the intact lumbar spine.

مدل اجزاي محدود , شبيه‌سازي عمل جراحي تنگي كانال نخاعي , مدل پروويسكوالاستيك ديسك بين مهره‌اي , ديسك مصنوعي

finite element model , Simulation of Spinal Stenosis Surgery , Poroviscoelastic Model of Intervertebral Disc , Artificial Disc

Samira Fazeli

Dr. Hagh Panahi