Finite element model development of the human lumbar spine and dynamic stabilization device analysis
Lomber omurga sonlu eleman model çalışması ve lomber dinamik stabilizasyon sistemi analizi
- Tez No: 397248
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. DENİZ ERBULUT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Bioengineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyoloji Bilimleri ve Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 78
Özet
Sonlu eleman metodu diğer alanlarda örneğin elektronik ve termodinamik bilimlerde olduğu gibi makine mühendisliği alanında da güvenilir bir analiz aracıdır. Biyomekanik alanında sonlu eleman modellerinin kullanımı bilgisayara dayalı kaynakların daha iyi kullanılabilirliği ile geçtiğimiz yirmi yıl içinde büyük bir ölçüde özellikle omurga biyomekaniği alanında artış göstermiştir. Aslında, omurga sonlu eleman modelinin gelişimi omurga bölümlerinin karmaşık geometri yapısından dolayı külfetli ve basit olmayan bir iştir. Sonlu eleman modelleri kas ve iskelet sistemlerinin davranışlarını yaklaşık olarak bütün fizyolojik ve anatomik özelliklerle birlikte hazırlamak için kullanılmaktadır. Bu tezin başlıca amacı insana ait bel ve torakal omurga bölgelerinin gerçeğe yakın sonlu eleman modellerini geliştirmektir. Bel omurlarına (lomber bölgesine) ait sonlu eleman modelleri özellikle klinik tedavi uzmanlarının yanı sıra akademisyenler için de önemlidir. Çünkü bel ağrısı omurganın en sık görülen rahatsızlığını teşkil eder. Bu tezde omurga kemikleri ve diskleri arasında entegre ara yüz oluşturmak amacıyla özgün bir yöntem sunulmuştur. Bel ve torakal omurlarının gerçek geometrisi bilgisayarlı tomografi verilerinden elde edilmiştir. Boğum noktalarını omur kemiklerinin üzerine ve omur kemikleri arası disklerin yüzeyleri üzerine yerleştirmek amacıyla çok hücreli metot kullanılmıştır ve disk ve kemiklerin birleştirilmesi için altı yüzlü eleman kullanılmıştır. Bağ dokunun benzerini yapmak üzere iki boğum noktasını birleştirmek amacıyla çizgi şeklinde bir tür eleman olan“truss elemanı”kullanılmıştır. Omurların eklem yüzeylerinin birleştiği yerler tek yönlü ara elemanları ile tasarlanmıştır. Literatür verileri kullanılarak omurgayı oluşturan elamanlara göre madde özellikleri saptanmıştır. Net kuvvetler L1 vertebrasının üzerindeki tek noktaya uygulanmıştır. Her modeldeki son vertebranın alt kısmı bütün yönlerde bağlandı. Sonlu eleman modelinin ön görülen hareket tepkisi, bütün hareket eksenlerindeki yayımlanmış laboratuvar çalışmalarıyla ile karşılaştırıldı ve sonuçların benzer olduğu saptandı. Geçerliliği kabul edilmiş sonlu eleman modeli bel omurlarının biyomedikal parametreleri üzerinde çalışmak amacıyla intakt ve aletli durumlarda kullanılmıştır. Aletlerin çeşitli tasarımları torakal ve bel omurga modellerine uygulanmıştır. Aletlerin bel ve torakal omurgalarının kinematik parametreleri üzerindeki etkileri; hareket aralığı ve kinetik gibi, disk içi basıncı, omurların eklem yüzeylerinin birleştiği yerlerdeki ağırlık ve bağ doku gerginliği gibi; incelenmiştir. Arka (posterior) dinamik stabilizasyonu, füzyon, omurların çıkıntıları arasında bulunan (interspinöz) füzyon ve pedikül gibi özellikleri içeren bel omurga bölgesi aletleri yaylı bir çubuk ile sıkıştırılır. Tasarım değişiklikleri, aletli modellerin biyomekanik davranışlarının intakt modellerin davranışlarıyla karşılaştırılmasından sonra önerilmiştir.
Özet (Çeviri)
Finite element (FE) method is a reliable analysis tool in mechanical engineering as well as in other fields such as electronics and thermodynamics. The use of FE models in biomechanics increased in last couple of decades, particularly in spine biomechanics, largely due to better computational resources available. However, development of spine FE model is a cumbersome and non-trivial task, owing to the complex geometry of the spinal segments. FE models have been used to produce general behaviors of the musculoskeletal systems with almost all physiological and anatomical features. The main objective of the present thesis is to develop accurate FE models of the human lumbar and thoracic spine. Lumbar FE models are particularly important for the clinicians as well as academicians. It is because low back pain constitute as the most prevalent disease of spine. A novel method was suggested in this thesis to construct an integrated interface between the discs and the vertebrae. The exact geometry was obtained from CT scan data. Multi-block method was used to place nodes over the vertebrae and intervertebral disc surfaces, and hexahedral element was used to mesh the discs and vertebrae. Truss elements were used to simulate the ligaments. Facet joints were simulated by unidirectional gap elements. Material properties were assigned to spinal components using the values from the literature. Pure moments were applied to a flying node which was coupled with top surface of first vertebrae. Lower part of last vertebrae in each model was constrained in all directions. The predicted motion response of FE model was compared with the published in vitro studies in all motion planes and found to be in good agreement. The validated FE model was used to study the biomechanical parameters of the lumbar spine in intact and instrumented cases. Various designs of instruments were applied to both the thoracic and the lumbar models. The effect of the instruments on the kinematic, i.e. range of motion (ROM), and kinetic, i.e. intradiscal pressure (IDP), facet load (FL), and ligament stress (LS), parameters of the lumbar spine and the thoracic spine were investigated. The lumbar instruments included posterior dynamic stabilization (PDS), fusion, interspinous fusion, and pedicle screws with spring rods. Design modifications were suggested after comparing the biomechanical behavior of the instrumented models with intact models.
Benzer Tezler
- Peek matrisli polimer kompozit temelli insan omurga implantı geliştirilmesi ve granül ekstrüzyon yöntemi ile eklemeli imalatı
Development of human spine implant based on peek matrix polymer composite and additive manufacturing by granule extrusion method
MERVE BAĞCI BİLGEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALAEDDİN BURAK İREZ
- Application of the finite element method in the human spine biomechanics
İnsan omurga biyomekanik sonlu elemanlar metodu uygulaması
İMAN ZAFARPARANDEH
Doktora
İngilizce
2015
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. İSMAİL LAZOĞLU
- Finite element modelling of hybrid stabilization systems for the bilevel disc degeneration of human lumbar spine
İnsan lomber omurgasının iki seviyeli disk dejenerasyonu için hibrit stabilizasyon sistemlerinin sonlu eleman modellemesi
EYLÜL DEMİR
Doktora
İngilizce
2021
Makine MühendisliğiAnkara Yıldırım Beyazıt ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İHSAN TOKTAŞ
- Orta hat klavikula kırıklarında kullanılan üç farklı internal plak fiksatörün sonlu elemanlar yöntemiyle biyomekanik analizi
Biomechanical analysis of three different internal plate fixators for midshaft clavicle fractures using finite element method
HACER KUDUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMİN SÜNBÜLOĞLU