Моделирование поясничного позвоночно-двигательного сегмента человека: анализ научных исследований
Автор: Хорошев Д.В., Устюжанцев Н.Е., Ильялов О.Р., Няшин Ю.И.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 1 (91) т.25, 2021 года.
Бесплатный доступ
Боль в поясничном отделе позвоночника - это заболевание, которое затрагивает значительную часть общества и оказывает существенное влияние на качество жизни и работоспособность населения планеты. Борьба с этой болезнью требует значительных денежных средств в большинстве развитых государств мира. Остеопороз, грыжа межпозвоночного диска, заболевания почек в большинстве случаев являются первой причиной развития боли в пояснице, и это еще не весь список. Общеизвестно, что межпозвоночный диск L 4- L 5 является слабым звеном поясничного отдела, поэтому необходимость и актуальность задачи моделирования поясничного позвоночно-двигательного сегмента очевидна. Выполнен комплексный анализ исследований за период с 2003 по 2019 год. Цель работы - рассмотреть большинство существующих подходов к моделированию поясничного позвоночно-двигательного сегмента, преимущества и недостатки моделей и возможные варианты обработки геометрической формы сегмента. В исследовании уделено внимание таким параметрам, как влияние возрастного и полового признаков на модель, выбор данных компьютерной или магнитно-резонансной томографий, варианты валидации модели, выбор определяющих соотношений, геометрическая форма всех частей модели. Детально представлена каждая из частей поясничного позвоночно-двигательного сегмента: позвонок, пульпозное ядро, фиброзное кольцо, хрящевая замыкательная пластинка и костная пластинка, фасеточный сустав и семь типов связок.
Определяющие соотношения, межпозвоночный диск, фасеточный сустав, поясничный позвонок, конечно-элементная модель, поясница
Короткий адрес: https://sciup.org/146282191
IDR: 146282191 | DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2021.1.03
Список литературы Моделирование поясничного позвоночно-двигательного сегмента человека: анализ научных исследований
- Жарнов А.М., Жарнова О.А. Биомеханические процессы в межпозвонковом диске шейного отдела позвоночника при его движении // Российский журнал биомеханики. - 2013. - Т. 17, № 1. - С. 32-40.
- Капанджи А.И. Позвоночник. Физиология суставов / под ред. Е.В. Кишиневского, Т. Решетника. -М.: Эксмо, 2014. - 344 с.
- Левин О.С. Боль в спине в общей клинической практике. - М.: Умный доктор, 2018. - 80 с.
- Парфенов В.А., Исайкин А.И. Боль в нижней части спины: мифы и реальность. - М.: ИМА-ПРЕСС, 2016. - 104 с.
- Хорошев Д.В., Ильялов О.Р. Построение пороупругой конечно-элементной модели межпозвоночного диска в поясничном отделе // Журнал магистров. - 2016. - Т. 1. - С. 498-507.
- Хорошев Д.В., Ильялов О.Р., Устюжанцев Н.Е. Грыжа межпозвоночного диска L4-L5 - главный источник боли в пояснице? // Российский журнал боли. - 2019. - Т. 17, № S1. - С. 70.
- Хорошев Д.В., Ильялов О.Р., Устюжанцев Н.Е., Няшин Ю.И. Биомеханическое моделирование межпозвоночного диска поясничного отдела человека - современное состояние проблемы // Российский журнал биомеханики. - 2019. - Т. 23, № 3. - С. 411-422. DOI: 10.15593/RJBiomech/2019.3.07
- Хорошев Д.В., Ильялов О.Р., Устюжанцев Н.Е., Няшин Ю.И. Методика оцифровки персонализированной геометрии позвоночно-двигательного сегмента L4-L5 in vivo // Российский журнал биомеханики. - 2019. - Т. 23, № 4. - С. 638-646. DOI: 10.15593/RJBiomech/2019.4.14
- Alapan Y., Sezer S., Demir C., Kaner T., inceoglu S. Load sharing in lumbar spinal segment as a function of location of center of rotation // Journal of Neurosurgery Spine. - 2014. - Vol. 20. - P. 542-549. DOI: 10.3171/2014.1.SPINE13426
- Azari F., Aijmand N., Shirazi-Adl A., Rahimi-Moghaddam T. A combined passive and active musculoskeletal model study to estimate L4-L5 load sharing // Journal of Biomechanics. - 2018. -Vol. 70. - P. 157-165. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2017.04.026
- Bogduk N. Clinical anatomy of the lumbar spine and sucram. 4-th edition - Т. China: Elsevier, 2005. -250 p.
- Du C., Mo Z., Tian S., Wang L., Fan J., Liu S., Fan Y. Biomechanical investigation of thoracolumbar spine in different postures during ejection using a combined finite element and multi-body approach // International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering. - 2014. - Vol. 30, no. 11. -P. 1121-1131. DOI: 10.1002/cnm.2647
- Du C.-F., Yang N., Guo J.-C., Huang Y.-P., Zhang C. Biomechanical response of lumbar facet joints under follower preload: a finite element study // BMC Musculoskeletal Disorders. - 2016. - Vol. 17. - P. 1-13. DOI: 10.1186/s12891-016-0980-4
- Du H., Liao S., Jiang Z., Huang H., Ning X., Jiang N., Pei J., Huang Q., Wei H. Biomechanical analysis of press-extension technique on degenerative lumbar with disc herniation and staggered facet joint // Saudi Pharmaceutical Journal. - 2016. - Vol. 24. - P. 305-311. DOI: 10.1016/j.jsps.2016.04.002
- Ellingson A.M., Shaw M.N., Giambini H., An K.-N. Comparative role of disc degeneration and ligament failure on functional mechanics of the lumbar spine // Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. - 2016. - Vol. 19, no. 9. - P. 1009-1018. DOI: 10.1080/10255842.2015.1088524
- Galbusera F., Schmidt H., Noailly J., Malandrino A., Lacroix D., Wilke H.-J., Shirazi-Adl A. Comparison of four methods to simulate swelling in poroelastic finite element models of intervertebral discs // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. - 2011. - Vol. 4. - P. 1234-1241. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2011.04.008
- Huang Y.-P., Du C.-F., Cheng C.-K., Zhong Z.-C., Chen X.-W., Wu G., Li Z.-C., Ye J.-D., Lin J.-H., Wang L.Z. Preserving posterior complex can prevent adjacent segment disease following posterior lumbar interbody fusion surgeries: A finite element analysis // PLOS ONE. - 2016. - Vol. 11. - P. 1-13. DOI: 10.1371/journal.pone.0166452
- Intervertebral disc. - URL: www.netterimages.com (accessed 20 June 2019).
- Jaramillo H.E., Gomez L., Garcia J.J. A finite element model of the L4-L5-S1 human spine segment including the heterogeneity and anisotropy of the discs // Acta of Bioengineering and Biomechanics. -2015. - Vol. 17, no. 2. - P. 15-24. DOI: 10.5277/ABB-00046-2014-02
- Li Q.Y., Kim H.-J., Son J., Kang K.-T., Chang B.-S., Lee C.-K., Seok H.S., Yeom J.S. Biomechanical analysis of lumbar decompression surgery in relation to degenerative changes in the lumbar spine -Validated finite element analysis // Computers in Biology and Medicine. - 2017. - Vol. 89. - P. 512-519. DOI: 10.1016/j.compbiomed.2017.09.003
- Lindsey D.P., Kiapour A., Yerby S.A., Goel V.K. Sacroiliac joint fusion minimally affects adjacent lumbar segment motion: A finite element study // International Journal of Spine Surgery. - 2015. - Vol. 9, no. 64. -P. 1-8. DOI: 10.14444/2064
- Lu Y., Rosenau E., Paetzold H., Klein A., Puschel K., Morlock M.M., Huber G. Strain changes on the cortical shell of vertebral bodies due to spine ageing: A parametric study using a finite element model evaluated by strain measurements // Journal of Engineering in Medicine. - 2013. - Vol. 227, no. 12. -P. 1265-1274. DOI: 10.1177/0954411913501293
- Machado C. Back pain associated with vertebral facet joints. - URL: www.netterimages.com (accessed 10 April 2019).
- Naserkhaki S., Jaremko J.L., Adeeb S., El-Rich M. On the load-sharing along the ligamentous lumbosacral spine in flexed and extended postures: Finite element study // Journal of Biomechanics. - 2016. - Vol. 49. -P. 974-982. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2015.09.050
- Noailly J., Lacroix D., Planell J.A. Finite element study of a novel intervertebral disc substitute // Spine. -2005. - Vol. 30, no. 20. - P. 2257-2264. DOI: 10.1097/01.brs.0000182319.81795.72
- Schmidt H., Bashkuev M., Dreischarf M., Rohlmann A., Duda G., Wilke H.-J., Shirazi-Adl A. Computational biomechanics of a lumbar motion segment in pure and combined shear loads // Journal of Biomechanics. - 2013. - Vol. 46. - P. 2513-2521. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2013.06.038
- Schmidt H., Galbusera F., Wilke H.-J., Shirazi-Adl A. Remedy for fictive negative pressures in biphasic finite element models of the intervertebral disc during unloading // Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. - 2011. - Vol. 14, no. 3. - P. 293-303. DOI: 10.1080/10255842.2010.481287
- Schmidt H., Heuer F., Drumm J., Klezl Z., Claes L., Wilke H.-J. Application of a calibration method provides more realistic results for a finite element model of a lumbar spinal segment // Clinical Biomechanics. - 2007. - Vol. 22. - P. 377-384. DOI: 10.1016/j.clinbiomech.2006.11.008
- Schmidt H., Shirazi-Adl A., Galbusera F., Wilke H.-J. Response analysis of the lumbar spine during regular daily activities - A finite element analysis // Journal of Biomechanics. - 2010. - Vol. 43. - P. 1849-1856. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2010.03.035
- Sharabi M., Wertheimer S., Wade K.R., Galbusera F., Benayahu D., Wilke H.-J., Haj-Ali R. Towards intervertebral disc engineering: Bio-mimetics of form and function of the annulus fibrosus lamellae // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. - 2019. - Vol. 94. - P. 298-307. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2019.03.023
- Stellman J.M. Encyclopaedia of Occupational Health and Safety: The body, health care, management and policy, tools and approaches. 4-th ed. - Geneva: International Labour Organization, 1998. - Vol. 1. -P. 6.6-6.10.
- Williams J.R., Natarajan R.N., Andersson G.B.J. Inclusion of regional poroelastic material properties better predicts biomechanical behavior of lumbar discs subjected to dynamic loading // Journal of Biomechanics. -2007. - Vol. 40. - P. 1981-1987. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2006.09.022
- Zander T., Dreischarf M., Timm A.-K., Baumann W.W., Schmidt H. Impact of material and morphological parameters on the mechanical response of the lumbar spine - A finite element sensitivity study // Journal of Biomechanics. - 2017. - Vol. 53. - P. 185-190. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2016.12.014
- Zarei V. Multiscale structure-based mechanical modeling of the human spine lumbar facet capsular ligament. PhD thesis. - USA: Minnesota: The University of Minnesota, 2018. - 126 p.
Статья научная
