Lumbális gerinc végeselem modell létrehozása és validálása
A gerinccel kapcsolatos megbetegedések az egész társadalmat érintő problémát jelentenek. Az utóbbi évtizedekben megnőtt a gerinc panaszok gyakorisága, amelyben mind az üléssel töltött idő, mind átlagéletkor növekedése szerepet játszik. A végeselem analízisre épülő szimulációs megoldások, valamint a modern mérnöki digitális tervezés a medicinára egyre nagyobb hatást gyakorol. A módszer biomechanikai alkalmazásának kezdete 1972-re nyúlik vissza. Az utóbbi évtizedekben a gerinccel kapcsolatban számos olyan kutatás, tanulmány született, ahol a vizsgálat alapját a végeselem analizísre épülő szimulációs eredmények adták. A klinikusok, kutatók, mérnökök számára kiemelt jelentőséggel bír az egyes szervek, szervrendszerek, így a gerincnek megfelelő komplex végeselem modellek által szolgáltatott eredmények. Kiemelten fontos, hogy ezen szakemberek ismerjék a módszer limitációit, valamint átlássák a klinikai kontextust melynek tükrében a modell eredményei értelmezhetőek.
Munkánk során célul tűztük ki egy munkafolyamat kidolgozását menynek segítségével egyéni geometriának megfelelő lumbális gerinc végeselem modellt hozunk létre a klinikai képfeldolgozástól a szimulációs eredmények posztprocesszálásáig.
A vizsgálatban használt modell geometriája egy 24 éves egészséges férfi komputertomográfiás (CT) képanyagának feldolgozásán alapul. A CT felvételekből szegmentálással előállított modellen elkülönítettük a különböző anyagi jellemzővel rendelkező egységeket. A csigolyát felosztottuk a hátsó posterior elemekre, valamint az anterior csigolyatestre, amelyen belül a corticalis, illetve a trabecularis csontállományt megkülönböztettük. A csigolyák véglemezeinél külön csontos, illetve porcos véglemez került kialakításra. A kisízületek felszínét egy 0,25 mm-es porcfelszín borítja, amelyek között egy minimum fél milliméteres rést alakítottunk ki. A porckorong két alegységből állt, a nucleus pulposus-ból és az annulus fibrosus-ból. A modell tartalmazta a szalagrendszert és az ízületi tokokat. Az anyagi jellemzők hozzárendelése irodalmi adatok alapján történt. Irodalmi adatoknak megfelelő premfeltételek mellett a modellt terhelésnek vetettük alá.
A szimulációk eredményeket a teljes modell (L1-L5) valamint az L4-L5 mozgászegmentumra vonatkoztatva értékeltük, és összehasonlítottuk az irodalomban található hasonló modellek eredményeivel. Az elfordulás-nyomaték görbe előállítása és elemzése azt mutattaa, hogy a vizsgálat eredménye mind nagyságban, mind jellegében megegyezik a korábbi tanulmányokban szereplő, hasonló görbékkel (Rohlmann, Spine, 2001; Dreischaft, JoB, 2014; Finley, CMBBE, 2018)
A bemutatott végeselem modell validációját az eredmények egyezése szolgáltatja. A validált végeselem modell felhasználható későbbi összehasonlító végeselem vizsgálatokhoz, valamint a lumbális gerincet érintő műtétek tervezése során is. A létrehozott modell azonban kiemelet jelentőséggel bírhat az oktatásban klinikusok és mérnökök számára egyaránt.
szerző
-
Turbucz Máté
Gépészeti modellezés mesterképzési szak
mesterképzés (MA/MSc)
konzulensek
-
Dr. Kiss Rita
egyetemi tanár, Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék -
Dr. Éltes Péter Endre
Gerincsebész, In SIlico Biomechanikai Labor/ vezető, Országos Gerincgyógyászati Központ (külső)