Научные статьи \ Математика. Естественные науки \ Физика \ Механика

Оценка напряжённого состояния позвоночных столбов собак на основе данных компьютерной томографии

Оценка напряжённого состояния позвоночных столбов собак на основе данных компьютерной томографии

Автор: Герасимов О.В., Шарафутдинова К.Р., Караман В.С., Салеева Г.Т., Саченков О.А.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 1 (103) т.28, 2024 года.

Бесплатный доступ

Актуальной задачей биомеханики выступает изучение влияния внешних нагрузок на опорно-двигательный аппарат человека, одним из основных элементов которого является позвоночный столб. В этом случае проведение исследований предполагает рассмотрение позвоночника в качестве комплексной системы, состоящей из позвонков и сочленяющих их межпозвоночных дисков. На данный момент существует множество работ, посвящённых определению причин возникновения различных отклонений в тканевых волокнах между позвонками, что приводит развитию дископатии. Наиболее подверженными к подобным изменениям оказываются собаки в силу их генетической предрасположенности. Таким образом, в данной работе проводились исследования шейного отдела позвоночников трёх животных: йоркширский терьер, русский тойтерьер и метис. В ходе работы выполнялось численное моделирование образцов по данным компьютерной томографии. Вычислительные эксперименты осуществлялись методом конечных элементов и позволяли определять напряжённое состояние с учётом распределения механических свойств материала. Испытания соответствовали продольному сжатию образцов. На основе полученных результатов определялось поле сжимающих напряжений, проводилась оценка достоверности значений согласно ошибке энергии, а также расчёт интенсивности напряжений по Мизесу и жёсткости полученной конструкции. Анализ результатов показал, что наибольшие значения напряжений достигаются между позвонками крайних областей шейного отдела. В среднем образец породы Йоркширский терьер предрасположен к возникновению больших нагрузок по сравнению с результатами других собак экспериментальной группы. Наибольшая жёсткость соответствовала метису: в два раза больше относительно среднего значения для карликовых пород. Распределение ошибки энергии по напряжениям показало, что области с наибольшими значениями соответствуют конечным элементам на границе разделения различных фаз среды. Таким образом, полученные в рамках работы результаты позволяют устанавливать характер распределения напряжённого состояния в межпозвоночных дисках, а также выявлять прочностные показатели позвоночных столбов с учётом механических свойств различных биологических тканей.

Еще

Многофазные материалы, методы неразрушающего контроля, компьютерная томография, сегментация изображений, численное моделирование, позвоночники собак

Короткий адрес: https://sciup.org/146282935

IDR: 146282935   |   УДК: 531/534:   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.1.03

CT-based assessment of the stress state of dog spines

An urgent task of biomechanics is the study of the influence of external loads on the human musculoskeletal system, one of the main elements of which is the vertebral column. In this case, research involves considering the spine as a complex system consisting of vertebrae and the intervertebral discs that articulate them. At the moment, there are many works devoted to determining the causes of various abnormalities in the tissue fibers between the vertebrae, which leads to the development of discopathy. Dogs are the most susceptible to such changes due to their genetic predisposition. Thus, in this work, studies were carried out on the cervical spine of three animals: Yorkshire Terrier, Russian Toy Terrier and half-breed. During the work, numerical modeling of samples was performed using computed tomography data. Computational experiments were carried out using the finite element method and made it possible to determine the stress state taking into account the distribution of the mechanical properties of the material. The tests corresponded to longitudinal compression of the samples. Based on the results obtained, the compressive stress field was determined, the reliability of the values was assessed according to the energy error, and the von Mises stress intensity and the rigidity of the resulting structure were calculated. Analysis of the results showed that the highest stress values are achieved between the vertebrae of the border sections of the cervical spine. On average, a sample of the Yorkshire Terrier breed is predisposed to experience greater stress compared to the results of other dogs in the experimental group. The highest rigidity corresponded to half-breed: twice as much as the average value for dwarf breeds. The distribution of the energy error showed that the areas with the highest values correspond to finite elements at the boundary between different phases of the medium. Thus, the results obtained in the framework of the study make it possible to establish the nature of the distribution of the stress state in the intervertebral discs, as well as to identify the strength indicators of the vertebral columns, taking into account the mechanical properties of various biological tissues.

Еще

Список литературы Оценка напряжённого состояния позвоночных столбов собак на основе данных компьютерной томографии

  • Акифьев К.Н., Стаценко Е.О., Смирнова В.В., Харин Н.В., Большаков П.В., Саченков О.А. Методика исследования пористости образцов с жидкостью рентгеновским компьютерным томографом при одноосном сжатии // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2023. - Т. 27, № 2. - C. 11-21. DOI: 10.15593/peim.mech/2023.2.02
  • Акифьев К.Н., Харин Н.В., Стаценко Е.О., Саченков О.А., Большаков П.В. Пилотное исследование потери устойчивости на сжатие решетчатого эндопротеза с помощью рентгеновской томографии // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 4. - С. 40-49. DOI: 10.15593/RzhBiomeh/2023.4.03
  • Андреев Ю.С., Гурьянова О.А., Пухова Е.А. Методы гистограммных преобразований и контроля в процессах полиграфического воспроизведения изображений // Информация: передача, обработка, восприятие. - 2016. -С. 68-80.
  • Воробьёв О.В., Семёнова Е.В., Мухин Д.А., Стаценко Е.О., Балтина Т.В., Герасимов О.В. Конечно-элементная оценка деформированного состояния по данным компьютерной томографии // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2021. - № 2. - С. 44-54. DOI: 10.15593/perm.mech/2021.2.05
  • Герасимов О.В., Бережной Д.В., Большаков П.В., Стаценко Е.О., Саченков О.А. Построение механической модели элементов гетерогенной среды на основе численно-цифрового алгоритма обработки данных компьютерной томографии // Российский журнал биомеханики. - 2019. - Т. 23, № 1. - С. 87-97. DOI: 10.15593/RJBiomech/2019.1.10
  • Герасимов О.В., Рахматулин Р.Р., Балтина Т.В., Саченков О.А. Определение механических свойств костной ткани численно-цифровым методом на основе данных компьютерной томографии // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 3. - С. 53-66. DOI: 10.15593/RzhBiomech/2023.3.04
  • Герасимов О.В., Рахматулин Р.Р., Балтина Т.В., Саченков О.А. Определение напряженно-деформированного состояния костей по данным компьютерной томографии // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2023. - Т. 8 № 761. -С. 3-15. DOI: 10.18698/0536-1044-2023-8-3-15
  • Голованов А.И., Бережной Д.В. Метод конечных элементов в механике деформируемых твёрдых тел // Казань: Изд. «ДАС», 2001. - 301 с. - ISBN 5-81850038-1.
  • 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.
  • Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике // Москва: Изд. «МИР», 1975. - 542 с.
  • Мерои Е.А., Натали А.Н., Паван П.Г., Скарпа К. Численный анализ механического поведения межпозвонкового диска с учетом структуры коллагеновых волокон // Российский журнал биомеханики. - 2005. - Т. 9, № 1. - С. 36-51.
  • Полянский Р.К. Клинико-экспериментальное обоснование использования межпозвонковых имплантатов из углеситалла в шейном отделе позвоночного столба у собак: дис... канд. вет. наук: 06.02.04. - М., 2016. - 118 с.
  • Саченков О.А., Герасимов О.В., Королева Е.В., Мухин Д.А., Яикова В.В., Ахтямов И.Ф., Шакирова Ф.В., Коробейникова Д.А., Хань Х.Ч. Построение негомогенной конечно-элементной модели по данным компьютерной томографии // Российский журнал биомеханики. - 2018. - Т. 22, № 3. - С. 332-344.
  • Харин Н.В., Герасимов О.В., Большаков П.В., Хабибуллин А.А., Федянин А.О., Балтин М.Э., Балтина Т.В., Саченков О.А. Методика определения ортотропных свойств костного органа по данным компьютерной томографии // Российский журнал биомеханики. - 2019. - Т. 23, № 3. - C. 460-468. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2019.3.11
  • 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.
  • Allen M.R., Iwata K., Phipps R., Burr D.B. Alterations in canine vertebral bone turnover, microdamage accumulation, and biomechanical properties following 1-year treatment with clinical treatment doses of risedronate or alendronate // Bone. - 2006. - Vol. 39, no. 4. - P. 872-879. DOI: 10.1016/j.bone.2006.04.028
  • Bagirov A., Suvarly P., Ogaryov E., Yeltsin A., Mininkov D., Tagizade A. Multislice computed tomography in the complex assessment of deformities of long tubular bones of the lower extremities: prospective cohort study // Journal of Traumatology and Orthopedics. - 2023. - Vol. 29. - P. 269277. DOI: 10.17816/vto111559
  • Bergknut N., Smolders L.A., Grinwis G.C.M., Hagman R., Lagerstedt A.S., Hazewinkel H.A.W., Tryfonidou M.A., Meij B.P. Intervertebral disc degeneration in the dog. Part 1: Anatomy and physiology of the intervertebral disc and characteristics of intervertebral disc degeneration // Vet. J. -2013. - Vol. 195, no. 3. - P. 292-299.
  • Bolshakov P., Kuchumov A., Kharin N., Statsenko E., Silberschmidt V. Method of computational design for additive manufacturing of hip endoprosthesis based on basic-cell concept // Int. J. Numer. Method. Biomed. Eng. -2024. - Vol. 40, no. 3. DOI: 10.1002/cnm.3802
  • Friis E.A., Arnold P.M., Goel V.K. Mechanical testing of cervical, thoracolumbar, and lumbar spine implants // Mechanical Testing of Orthopaedic Implants. - 2017. -P. 161-180. - DOI: 10.1016/B978-0-08-100286-5.00009-3
  • Gerasimov O.V., Kharin N.V., Fedyanin A.O., Bolshakov P.V., Baltin M.E., Statsenko E.O., Fadeev F.O., Islamov R.R., Baltina T.V., Sachenkov O.A. Bone Stress-Strain State Evaluation Using CT Based FEM // Front. Mech. Eng. -2021. - Vol. 7. - P. 688474. DOI: 10.3389/fmech.2021.688474
  • Gupta S., Dan P. Bone geometry and mechanical properties of the human scapula using computed tomography data // Trends Biomater. Artif. Organs. - 2004. - Vol. 17, no. 2. -P. 61-70.
  • Ibarz E., Más Y., Mateo J., Lobo-Escolar A., Herrera A., Gracia L. Instability of the lumbar spine due to disc degeneration. A finite element simulation // Adv. Biosci. Biotechnol. - 2015. - Vol. 4, no. 4. - P. 548-556.
  • Jeong I.-S., Rahman Md.M., Choi G.-C., Seo B.-S., Lee G.-J., Kim S., Kim N.S. A retrospective study of canine cervical disk herniation and the beneficial effects of rehabilitation therapy after ventral slot decompression // Vet. Med. - 2019. - Vol. 64, no. 6. - P. 251-259. DOI: 10.17221/114/2018-vetmed
  • Kaneko T.S., Pejcic M.R., Tehranzadeh J., Keyak J.H. Relationships between material properties and CT scan data of cortical bone with and without metastatic lesions // Med. Eng. Phys. - 2003. - Vol. 25, no. 6. - P. 445-454.
  • Kharin N., Bolshakov P., Kuchumov A. Numerical and experimental study of a lattice structure for orthopedic applications // Materials. - 2023. - Vol. 16, no. 2. -P. 744. DOI: 10.3390/ma16020744
  • Kostenko E., Stonkus R., Sengau J., Maknickas A. Empirical case report of the mechanical properties of three spayed canine lumbar vertebrae // J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater. - 2022. - Vol. 110, no. 11. - P. 2521-2532.
  • Kurra S.H., Zhang J.M., Pennathur A. Flowchart for basic non-destructive testing technologies in biomaterials // SBEC. - 2009. - Vol. 24. - P. 35-38. DOI: 10.1007/978-3-642-01697-4_15
  • Maquer G., Musy S.N., Wandel J., Gross T., Zysset P.K. Bone volume fraction and fabric anisotropy are better determinants of trabecular bone stiffness than other morphological variables // JBMR. - 2015. - Vol. 30, no. 6. -P. 1000-1008. DOI: 10.1002/jbmr.2437
  • Maslov L.B., Dmitryuk A.Y., Zhmaylo M.A., Kovalenko A.N. Study of the strength of a hip endoprosthesis made of polymeric material // Russ. J. Biomech. - 2022. - Vol. 26, no. 4. - P. 19-33. DOI: 10.15593/RzhBiomeh/2022.4.02
  • Mj D., Palettas P.N., Mj B. Characteristics of dogs admitted for treatment of cervical intervertebral disk disease: 105 cases // J. Am. Vet. Med. Assoc. - 1992. - Vol. 200, no. 12. - P. 2009-2011.
  • Nerurkar N.L., Elliott D.M., Mauck R.L. Mechanical design criteria for intervertebral disc tissue engineering // J. Biomech. - 2010. - Vol. 43, no. 6. - P. 1017-1030.
  • Nina O., Morse B., Barrett W. A recursive Otsu thresholding method for scanned document binarization // WACV. -2011. - P. 307-314. DOI: 10.1109/WACV.2011.5711519
  • Otsu N. A Threshold Selection Method from Gray-Level Histograms // Trans. Syst. Man Cybern. - 1979. - Vol. 9, no. 1. - P. 62-66. DOI: 10.1109/TSMC.1979.4310076
  • Seibert P., Raßloff A., Kalina K., Ambati M., Kästner M. Microstructure Characterization and Reconstruction in Python: MCRpy // IMMI. - 2022. - Vol. 11. - P. 1-17. DOI: 10.1007/s40192-022-00273-4
  • Szkoda-Poliszuk K., Zak M., Zaluski R., Pezowicz C. Biomechanical Analysis of the Impact of Transverse Connectors of Pedicle-Screw-Based Fixation on Thoracolumbar Compression Fracture // Appl. Sci. - 2023. -Vol. 13. - P. 13048. DOI: 10.3390/app132413048
  • Szkoda-Poliszuk K., Zaluski R. A Comparative Biomechanical Analysis of the Impact of Different Configurations of Pedicle-Screw-Based Fixation in Thoracolumbar Compression Fracture // Appl. Bionics Biomech. - 2022. - P. 3817097. DOI 10.1155/2022/3817097
  • Vanlenthe G., Hagenmuller H., Bohner M., Hollister S., Meinel L., Muller R. Nondestructive micro-computed tomography for biological imaging and quantification of scaffold-bone interaction in vivo // Biomater. - 2007. -Vol. 28, no. 15. - P. 2479-2490. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2007.01.017
  • Zheng X., Chen T.T., Jiang X., Naito M., Watanabe I. Deep learning-based inverse design of three-dimensional architected cellular materials with the target porosity and stiffness using voxelized Voronoi lattices // STAM. - 2022. - Vol. 24. - P. 1-15. DOI: 10.1080/14686996.2022.2157682
  • Zimmerman M.C., Vuono-Hawkins M., Parsons J.R., Carter F.M., Gutteling E., Lee C.K., Langrana N.A. The mechanical properties of the canine lumbar disc and motion segment // Spine. - 1992. - Vol. 17, no. 2. - P. 213-220. DOI: 10.1097/00007632-199202000-00016
Еще
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp