27322

بررسي اثر فيوژن در ناحيه¬ي لومبار با در نظر گرفتن كاهش دانسيته¬ي استخواني با استفاده از تحليل اجزاء محدود

كارشناسي ارشد

مهندسي پزشكي

00-01

1401.07.06

دكتر محمد حق پناهي

مهندسي مكانيك

فيوژن مهره ها در ستون فقرات به معني اتصال مهره ها به هم است. در اين نوع از عمل جراحي ممكن است دو يا چند مهره با هدف از بين بردن درد، ناپايداري و يا ديگر بيماري هاي ستون فقرات به هم متصل شوند. فيوژن بين بدني كمري براي درمان بيماري هاي ستون فقرات كمري براي سال هاي متمادي استفاده شده است. پوكي استخوان شايع ترين چالش براي اين نوع جراحي بوده زيرا اكثر بيماراني كه نياز به اين جراحي دارند، افراد مسن مبتلا به پوكي استخوان هستند و مهره ها شايع ترين محل شكستگي استخوان مي باشند. اين مطالعه با هدف بررسي پديده ي فيوژن بر روي يك مدل سه مهره اي متشكل از مهره هاي دوم و سوم و چهارم كمري، ديسك هاي بين مهره اي دوم-سوم و سوم-چهارم و سيستم ايمپلنت شامل 4 پيچ پديكل و 2 ميله ي اتصال با توجه به شاخص دانسيته ي استخواني مورد توجه قرار گرفته است. سه نوع پيچ براي چهار حالت كيفيت استخوان در نظر گرفته شده و تنش هاي فون مايزز در چهار نوع حركت فلكشن، اكستنشن، خم شدن جانبي و پيچش بررسي شدند و بهترين نوع پيچ از ميان گزينه هاي بررسي شده در مهره ي دچار پوكي استخوان انتخاب شد. سپس ماكزيمم تنش فون مايزز و جابجايي حاصل از انتخاب دو نوع متريال تيتانيوم و پلي اتراتركتون براي ميله هاي اتصال در تماس با پيچ برگزيده با يكديگر مقايسه و گزارش شد گرفت تا بهترين حالت براي انتخاب تركيب پيچ پديكل و ميله ي اتصال براي يك استخوان دچار پوكي استخوان در حالت هاي مختلف تراكم استخوان پيشنهاد شود. نتايج نشان مي‌دهد كه پيچ پديكل با قطر 6.0 ميلي‌متر و طول 45 ميلي‌متر، حداقل توزيع تنش را در سطح تماس مشترك استخوان-پيچ با در نظر گرفتن چهار نوع حركت مذكور امكان‌پذير مي‌سازد. همچنين مطالعه ي مقايسه اي بين سيستم هاي ايمپلنت تثبيت كننده نشان داد كه هر دو سيستم ايمپلنت ستون فقرات باعث كاهش توزيع تنش در كل مدل‌ها مي شوند اما مقادير توزيع تنش با سيستم تثبيت مبتني بر ميله ي اتصال پلي اتراتركتون در طول زمان با افزايش پوكي استخوان كاهش مي يابد. نهايتاً نتيجه گرفته شد كه سيستم ايمپلنت ستون فقرات مبتني بر ميله ي اتصال پلي اتراتركتون تنش روي كل مدل را به طور قابل توجهي كاهش داده و به عنوان گزينه ي بهتري در كاهش تنش و اشتراك بار براي موارد با كيفيت استخوان ضعيف در مقايسه با سيستم ايمپلنت نخاعي تيتانيوم به نظر مي رسد. داده‌هاي نشان‌داده‌شده در نتايج مي تواند به محققان و پزشكان باليني براي شناسايي دقيق ايمپلنت‌هاي مهره‌اي كمك كند تا شكست يا شل شدن پيچ ها و توزيع تنش در محل تماس پيچ با استخوان به حداقل برسد و مي تواند به طراحي ايمپلنت‌هاي جديد و شناسايي اثرات بعدي فيوژن با تراكم‌هاي استخواني متفاوت كمك كند.

1401/07/27

Investigation of the effect of fusion in the lumbar region considering the reduction of bone density

9/28/2023 12:00:00 AM

Vertebral fusion in the spine means connecting the vertebrae. In this type of surgery, two or more vertebrae may be connected to eliminate pain, instability, or other symptoms of spinal diseases. For many years, lumbar interbody fusion has been used for treating degenerative lumbar diseases such as disc degeneration, degenerative spinal stenosis, and lumbar spondylolisthesis. Osteoporosis is the most common problem for lumbar interbody fusion with pedicle screws, and it causes spinal injuries because most patients who need lumbar interbody fusion are old, have osteoporosis, and vertebrae are the most common place of bone fracture. This study investigates the fusion phenomenon on a three-vertebral model consisting of the second, third, and fourth lumbar vertebrae, two intervertebral discs, and an implant system including four pedicle screws and two connecting rods have been considered according to the bone density index. Three types of screws were considered for four types of bone quality, and von-mises stresses were investigated in 4 types of flexion, extension, lateral bending, and twisting movements, and the best type of screw among the investigated options was found in the vertebra with osteoporosis and selected. Then, the maximum von-mises stress and the displacement resulting from the selection of two types of materials, titanium, and polyetheretherketone, for connecting rods in contact with the selected screw were compared and reported so that the best situation for choosing the combination of the pedicle screw and connecting rod for an Osteoporotic bone in different types of bone density should be suggested. The results show that the pedicle screw with a diameter of 6.0 mm and a length of 45 mm enables minimum stress distribution on the bone-screw joint contact surface, considering the four types of movement. Also, a comparative study of stabilizing implant systems showed that both spine implant systems reduce stress distribution in all models. However, the value of stress distribution with the stabilization system based on the polyetheretherketone connecting rod decreases over time with the increase in osteoporosis. Finally, it was concluded that the spinal implant system based on a polyetheretherketone connecting rod has significantly reduced the stress on the whole model and seems to be a better option in stress reduction and load sharing for cases with the poor bone quality compared to a titanium spinal implant system. The observations and data shown in the results can help researchers and clinicians accurately identify vertebral implants to minimize screw breakage or loosening and stress distribution at the screw-bone contact surfaces. This work may help to design new vertebral implants and identify the aftereffects of fusion with different bone densities.

آناليز اجزاء محدود , فيوژن , پوكي استخوان , ميله ي اتصال پيك , ميله ي اتصال تيتانيوم

finite element analysis , fusion , osteoporosis , PEEK connecting rod , titanium connecting rod

Aisan Rafie

Dr. Mohammad Haghpanahi