Numerical simulation of lumbar spine segments degenerations: I. Degenerations by age

Abstract

A numerikus szimuláció olyan jelenségek és folyamatok követésére is alkalmas, amelyek kísérleti úton nem vizsgálhatók. Ilyenek például a gerinc öregedéssel járó degenerációs folyamatai. A jelen dolgozatban az emberi lumbálisgerinc-szegmentumok nyomóteherből eredő, öregedéssel járó károsodási folyamatainak a végeselemes szimulációját mutatjuk be 3D végeselem-modellek alapján. A korral járó degenerációs folyamatot a szegmentumot alkotó egyes szervek anyagi tulajdonságainak változásával modellezzük. A kidolgozott végeselem-modelleket húzásra és nyomásra egyaránt úgy validáltuk, hogy a számítási eredményeinket összehasonlítottuk a saját és a szakirodalomból rendelkezésre álló kísérleti mérési adatokkal. Öt degenerációs fokozatot dolgoztunk ki a teljesen egészségestől a teljesen degeneráltig. A degenerációs folyamat két legfontosabb tényezőjének, a porckorong nucleusában lévő hidrosztatikus nyomásnak és a nucleus keményedésének a hatását külön-külön vizsgáltuk az öregedési folyamat során, és azt tapasztaltuk, hogy a degenerációs folyamat kezdeti szakaszában a hidrosztatikus nyomás megszűnésének van domináns hatása, míg a későbbiekben a nucleus keményedése a döntő. Ez azt mutatta, hogy a nyomómerevség az alig degenerált fi atal szegmentumnál a legkisebb, vagyis az instabilitás kockázata ekkor a legnagyobb, és a stabilitás esélye a további öregedéssel és degenerációval megnő. Kimutattuk, hogy a szegmentum merevségében a nucleusnak van domináns szerepe. Ahhoz, hogy a nucleus folyadékszerű, kezdeti egészséges állapotát pontosan modellezni tudjuk, a rugalmassági modulusát 1 MPa értéknél kisebbre, célszerűen 0,1 MPa értékre kell felvenni. A lumbális gerinc degenerációs folyamatainak végeselemes szimulációja segít megérteni e folyamatok kialakulását és lefutását, annak okait, de segít a lumbális porckorongproblémák konzervatív kezelési eljárásainak tökéletesítésben is.