## ANALISIS DISTRIBUSI TEGANGAN, REGANGAN, DAN PERPINDAHAN PROSTESIS DISKUS INTERVERTEBRALIS PADA POSISI FLEKSI
Zainal Abidin (1) , Astuti (1*) dan Muhammad Fadly Ramadhan (1)
(1) Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sriwijaya
(*) E-mail Corresponding Author : astuti@ft.unsri.ac.id

## Abstrak
Penggantian  total  diskus  invertebralis  menggunakan  prostesis  merupakan  salah  satu  langkah penanganan  penyakit  degenerasi  diskus  invertebralis.  Prostesis  ini  harus  dapat  mengakomodasi beban  yang  diterima  dari  tulang  belakang  lumbal.  Penelitian  ini  melakukan  analisis  terhadap distribusi  tegangan,  regangan,  dan  perpindahan  pada  prostesis  model  ProDisc-L®  yang dikembangkan  oleh  Centinel  Spine®  yang  dipasang  pada  model tulang  belakang  lumbal  segmen L4-L5 seorang laki-laki berusia 21 tahun. Simulasi dilakukan terhadap dua posisi yaitu berdiri tegak dan fleksi (membungkuk ke depan) dengan beban masing-masing 750 N dan 7,5 Nm. Tegangan Von Mises  maksimum  yang  dihasilkan  pada  simulasi  dengan  posisi  berdiri  tegak  dan  fleksi  masing- masing bernilai sebesar 187,971 MPa dan 555,113 MPa. Tegangan yang terjadi pada posisi berdiri tegak dapat dinyatakan aman karena berada di bawah tegangan yield material endplate prostesis (σy = 527 MPa), sementara dan pada posisi fleksi dapat dinyatakan tidak cukup aman karena melebihi batas  tegangan  yield  material  endplate  prostesis  (σy=527  MPa).  Regangan  maksimum  yang dihasilkan pada simulasi dengan posisi berdiri tegak dan fleksi masing-masing bernilai sebesar 3,9% dan1,7%. Perpindahan maksimum  yang dihasilkan pada simulasi  dengan posisi  berdiri  tegak dan fleksi masing-masing bernilai sebesar 0,30 mm dan 0,36 mm, yang mana dapat disimpulkan bahwa perpindahan yang terjadi masih berada di bawah batas perpindahan maksimum (1 mm).
Kata  Kunci: Diskus  intervertebalis,  prostesis  diskus  intervertebralis,  tegangan,  regangan, perpindahan

## Abstract
Total  intervertebral  disc  replacement  using  prosthesis  is  one  of  treatments  for  degenerative intervertebral disc. This prosthesis must accommodate loads from the lumbar spine. This research performed an analysis of stress, strain, and displacement distribution of a ProDisc-L® prosthesis developed by Centinel Spine® installed on an L4-L5 segment of lumbar spine model of a 21 years old  man.  The  simulation  performed  with  two  positions;  standing  upright  and  flexion,  with  loads applied are 750 N and 7,5 Nm respectively. Maximum Von Mises stress resulted from the standing upright  and  flexion  simulations  are  187,971  MPa  and  555,113  MPa  respectively.  The  stress  on standing upright position can be considered safe as it is still below the yield stress of the endplate material (σy = 527 MPa), meanwhile the stress on flexion position can be considered unsafe as it is over the yield stress of  the endplate material (σy=527 MPa). Maximum strain  resulted from the standing upright and flexion simulations are 3,9% and 1,7% respectively. Maximum displacement resulted from the standing upright and flexion simulations are 0,30 mm and 0,36 mm respectively, which can be concluded that the displacement was still under the maximum displacement allowed (1 mm).
Keywords: Intervertebral disc, intervertebral disc prosthesis, stress, strain, displacement
1 PENDAHULUAN
Penyakit diskus intervertebralis degeneratif merupakan  penyakit  yang  tergolong  umum  dialami sebagian  besar  masyarakat  pada  usia  25  hingga  70 tahun  ke  atas.  Penyakit  ini  menyebabkan  rasa  nyeri pada  tulang  punggung  dan  dapat  mengakibatkan disabilitas.  Diskus  intervertebralis  (intervertebral disc) mengalami degenerasi lebih awal dari jaringan muskoskeletal lainnya.
Degenerasi  diskus  intervertebralis  dapat  dipicu  oleh beberapa  faktor  di  antaranya  penuaan,  perubahan struktur  pada  tulang  belakang,  trauma,  genetik, merokok,  serta  kekurangan  nutrisi  [1].  Degenerasi diskus  intervertebralis  dapat  menyebabkan  nukleus mengalami  disrupsi  dan  mengenai  saraf  tulang punggung  atau  bahkan  kerusakan  total  pada  diskus. Di Indonesia, hernia nucleus pulposus yang menjadi salah satu faktor utama degenerasi diskus intervertebralis terjadi pada masyarakat yang berusia 40 tahun ke atas [2].
Penanganan  degenerasi  diskus  intervertebralis  ini beragam  dari  penanganan  secara  mekanis  yang mengandalkan  konsep  menghilangkan  sumber  nyeri yaitu  diskus  itu  sendiri  hingga  ke  penanganan  yang modern  seperti  terapi  genetik,  faktor  pertumbuhan, dan  transplantasi  sel  [3].  Penggantian  diskus  yang mengalami  degenerasi  secara total  adalah salah satu langkah  penyembuhan  dengan  memasang  prostesis pada  ruas  tulang  punggung  pasien.  Tujuan  dari pemasangan  prostesis  tersebut  salah satunya mengembalikan  gerakan  normal  pada  pasien pascaoperasi  dengan  menghemat  gerakan  fisiologis, menjaga  keseimbangan  sagital  yang  ideal,  dan menstabilkan tulang belakang lumbal dalam kelengkungan yang baik [4].
Prostesis  diskus  intervertebralis  pada  dasarnya  akan menerima  beban  dari  tulang  punggung  baik  secara kompresi,  geseran,  maupun  puntiran.  Beban-beban yang diterima tersebut harus dapat diakomodasi oleh prostesis.  Salah  satu  langkah  yang  dapat  dilakukan adalah dengan melakukan analisis terhadap distribusi tegangan,  regangan,  dan  perpindahan  prostesis tersebut  dengan  menggunakan  aplikasi  Autodesk Inventor Professional 2014.

## 2 METODOLOGI
Penelitian  ini  dilakukan  dengan  beberapa  tahapan sebagaimana dapat dilihat melalui diagram alir pada Gambar 1.
Gambar 1. Diagram alir penelitian

## Spesifikasi Prostesis
Model  prostesis  yang  digunakan  pada  penelitian  ini adalah  model  Prodisc-L ® yang  dikembangkan  oleh Centinel  Spine ® ,  LLC.  Prostesis  ini  terdiri  dari  tiga komponen,  yaitu  (1) superior  (top)  endplate, (2) inferior (bottom) endplate, dan (3) inlay . Komponen- komponen prostesis kemudian dirangkai menjadi satu kesatuan  seperti  yang  dapat  dilihat  pada  Gambar  2 berikut.
Gambar 2. Model prostesis dalam keadaan terpasang

## Model Tulang Belakang Lumbal
Model tulang belakang lumbal yang digunakan pada penelitian  ini  adalah  model  yang  digunakan  pada penelitian  yang  dilakukan  oleh  [5],  [6].  Model tersebut  didapat  dengan  menggunakan  metode computed  tomography (CT)  dengan  interval  1  mm pada tulang belakang intact . Segmen tulang belakang lumbal  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  adalah segmen L4-L5  seperti yang terlihat  pada  Gambar  3. Data  subyek  yang  tulang  belakang  lumbalnya dijadikan obyek penelitian dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Data subyek penelitian Parameter Keterangan Referensi Jenis kelamin Laki-laki [5], [6] Usia 21 tahun [5], [6] Tinggi badan 175 cm [5], [6]
Gambar 3. Model tulang belakang lumbal segmen L4-L5

## Simulasi
Pada penelitian ini model prostesis diskus intervertebralis dipasang pada model tulang belakang lumbal  segmen  L4-L5  sehingga  menjadi  satu rangkaian model seperti yang terlihat pada Gambar 4. Sementara itu, komponen anatomi diskus intervertebralis seperti annulus fibrosus dan nucleus pulposus tidak  diikutsertakan  pada  model  untuk mempermudah proses simulasi.
Gambar 4. Model prostesis terpasang pada tulang belakang segmen L4-L5
Proses simulasi pada penelitian ini dilakukan simulasi terhadap  prostesis  dengan  beberapa  posisi  di antaranya berdiri tegak dan fleksi yang dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Data kondisi simulasi
No. Posisi Beban 1. Berdiri tegak 750 N

## 3 HASIL DAN PEMBAHASAN

## Model Elemen Hingga
Model  elemen  hingga  dari  model  tulang  belakang lumbal  segmen  L4-L5  dan  prostesis  dibuat menggunakan aplikasi Autodesk
Inventor
Professional 2014 dengan memanfaatkan fitur Stress
Analysis . Model elemen hingga yang didapat berupa hasil meshing dengan node berjumlah  64.271  dan elemen berjumlah 36.979. Hasil meshing dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Hasil meshing model tulang belakang lumbal dan prostesis

## Kondisi Batas dan Beban

## 1. Kondisi Batas dan Beban Posisi Berdiri Tegak
Pada  posisi  berdiri  tegak,  kondisi  batas  dan  beban yang digunakan pada simulasi  dapat  dilihat masing- masing pada Gambar 6 dan Gambar 7.
Gambar 6. Kondisi batas pada simulasi posisi berdiri tegak
Gambar 7. Beban pada simulasi posisi berdiri tegak

## 2. Kondisi Batas dan Beban Posisi Fleksi
Pada  posisi  fleksi,  kondisi  batas  dan  beban  yang digunakan pada simulasi dapat dilihat masing-masing pada Gambar 8 dan Gambar 9.
Gambar 8. Kondisi batas pada simulasi posisi fleksi
Gambar 9. Beban pada simulasi posisi fleksi

## Hasil Simulasi
1. Hasil Simulasi Posisi Berdiri Tegak
a. Tegangan Von Mises
Tegangan  Von  Mises  pada  hasil  simulasi  yang dilakukan  terhadap  model  tulang  belakang  lumbal dan prostesis dengan posisi berdiri tegak dengan gaya sebesar  750  N  memiliki  nilai  minimum  sebesar  0 MPa dan nilai maksimum sebesar 187,971 MPa.
Gambar 10. Tegangan Von Mises hasil simulasi pada posisi berdiri tegak
Gambar 11. Tegangan Von Mises posisi berdiri tegak pada model prostesis
b. Perpindahan
Perpindahan  pada  hasil  simulasi  yang  dilakukan terhadap model tulang belakang lumbal dan prostesis dengan posisi berdiri tegak dengan gaya sebesar 750
N  memiliki  nilai  minimum  sebesar  0  mm  dan  nilai maksimum sebesar 0,30 mm.
Gambar 12. Perpindahan hasil simulasi posisi berdiri tegak
Gambar 13. Perpindahan pada prostesis hasil simulasi posisi berdiri tegak
c. Regangan
Regangan  pada  hasil  simulasi  yang  dilakukan terhadap model tulang belakang lumbal dan prostesis dengan posisi berdiri tegak dengan gaya sebesar 750 N  memiliki  nilai  minimum  sebesar  0%  dan  nilai maksimum sebesar 3,8%.
Gambar 14. Regangan hasil simulasi pada posisi berdiri tegak
Gambar 15. Regangan pada prostesis hasil simulasi posisi berdiri tegak
2. Hasil Simulasi Posisi Fleksi
a. Tegangan Von Mises
Tegangan  Von  Mises  pada  hasil  simulasi  yang dilakukan  terhadap  model  tulang  belakang  lumbal dan  prostesis  dengan  posisi  fleksi  dengan  momen sebesar  7,5  Nm  memiliki  nilai  minimum  sebesar  0 MPa dan nilai maksimum sebesar 555,113 MPa.
Gambar 16. Tegangan Von Mises hasil simulasi pada posisi fleksi
Gambar 17. Tegangan Von Mises posisi fleksi pada model prostesis
b. Perpindahan
Perpindahan  pada  hasil  simulasi  yang  dilakukan terhadap model tulang belakang lumbal dan prostesis
dengan posisi fleksi dengan momen sebesar 7,5 Nm memiliki  nilai  minimum  sebesar  0  mm  dan  nilai maksimum  sebesar  0,36  mm.  Sementara  itu,  untuk perpindahan  yang  terjadi  pada  prostesis  itu  sendiri memiliki  nilai  minimum  sebesar  0  mm  dan  nilai maksimum sebesar 0,10 mm.
Gambar 18. Perpindahan hasil simulasi pada posisi fleksi
Gambar 19. Perpindahan pada prostesis hasil simulasi posisi fleksi
c. Regangan
Regangan  pada  hasil  simulasi  yang  dilakukan terhadap model tulang belakang lumbal dan prostesis dengan posisi fleksi dengan momen sebesar 7,5 Nm memiliki  nilai  minimum  sebesar  0%  dan  nilai maksimum  sebesar  1,7%.  Sementara  itu,  untuk regangan  pada  prostesis  itu  sendiri  memiliki  nilai minimum  sebesar  0  dan  nilai  maksimum  sebesar 1,09%.
Gambar 20. Regangan hasil simulasi pada posisi fleksi
Gambar 21. Regangan pada prostesis hasil simulasi posisi fleksi

## Pembahasan
Pada  penelitian  ini  dilakukan  simulasi  terhadap model prostesis diskus intervertebralis yang dipasang pada  model  tulang  belakang  lumbal  segmen  L4-L5 dengan dua posisi yaitu berdiri tegak dan fleksi. Hasil yang didapat dari simulasi tersebut di antaranya nilai- nilai tegangan Von Mises, regangan, dan perpindahan.  Data  hasil  simulasi  tersebut  dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 3. Data hasil simulasi Parameter Nilai Posisi Berdiri tegak Fleksi Tegangan Von Mises (MPa) Min. 0 0 Maks.  187,971 555,113 Regangan (%) Min. 0 0 Maks.  3,9 1,7 Perpindahan (mm) Min. 0 0 Maks.  0,30 0,36
Hasil simulasi untuk posisi berdiri tegak yang didapat di  antaranya  tegangan  Von  Mises  dengan  nilai maksimum  187,971  MPa,  regangan  dengan  nilai maksimum  3,9%,  dan  perpindahan  dengan  nilai maksimum  0,30  mm.  Tegangan  Von  Mises
maksimum  untuk  posisi  berdiri  tegak  yang  didapat masih  berada  di  bawah  tegangan yield material endplate prostesis (σ y = 527 MPa). Oleh karena itu, material  dapat  dinyatakan  aman  sebab  belum mengalami  deformasi  plastis.  Hasil  simulasi  untuk posisi fleksi yang didapat di antaranya tegangan Von Mises  dengan  nilai  maksimum  555,113  MPa, regangan  dengan  nilai  maksimum  1,7%,  dan perpindahan  dengan  nilai  maksimum  0,36  mm. Tegangan Von Mises maksimum  untuk posisi  fleksi yang didapat  melebihi batas tegangan yield material endplate prostesis (σ y = 527 MPa). Dengan kata lain, material  dapat  dinyatakan  tidak  cukup  aman  sebab material pada kondisi ini sudah mengalami deformasi plastis.  Sementara  itu,  perpindahan  yang  dihasilkan dari  simulasi  kedua  posisi  dapat  dinyatakan  aman sebab  masih  berada  di  bawah  batas  maksimum perpindahan yang diizinkan (1 mm).

## 4 KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  penelitian  yang  telah  dilakukan, dapat  ditarik beberapa simpulan di antaranya adalah sebagai berikut.
1.  Tegangan Von Mises maksimum yang dihasilkan  pada  simulasi  posisi  berdiri  tegak dengan  beban  sebesar  750  N  bernilai  sebesar 187,971  MPa,  yang  mana  dapat  disimpulkan bahwa  prostesis  dinyatakan  aman  karena tegangan  yang  terjadi  melebihi  batas  tegangan yield material endplate prostesis (σy = 527 MPa).
2.  Tegangan Von Mises maksimum yang
dihasilkan  pada  simulasi  posisi  fleksi  dengan momen sebesar 7,5 Nm bernilai sebesar 555,113 MPa,  yang  mana  dapat  disimpulkan  bahwa prostesis  dinyatakan  tidak  cukup  aman  karena tegangan  yang  terjadi  melebihi  batas  tegangan yield material endplate prostesis (σy = 527 MPa).
3.  Regangan  maksimum  yang  dihasilkan  pada simulasi  dengan  posisi  berdiri  tegak  dan  fleksi masing-masing bernilai sebesar 3,9% dan 1,7%.
4.  Perpindahan  maksimum  yang  dihasilkan  pada simulasi  dengan  posisi  berdiri  tegak  dan  fleksi masing-masing  bernilai  sebesar  0,30  mm  dan 0,36  mm,  yang  mana  dapat  disimpulkan  bahwa perpindahan yang terjadi masih berada di bawah batas perpindahan maksimum (1 mm).

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Ali Imbron  dan  Defi  Febrianti  selaku  kedua  orang  tua penulis,  dan  segenap  dosen  dan  tenaga  pengajar Jurusan  Teknik  Mesin  Fakultas  Teknik  Universitas Sriwijaya.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  H. S. Kim, P. H. Wu, and I. T. Jang, “Lumbar degenerative  disease  part  1:  Anatomy  and pathophysiology  of  intervertebral  discogenic pain and radiofrequency ablation of basivertebral  and sinuvertebral  nerve treatment for chronic discogenic back pain: A prospective case series and review of lite,” Int. J. Mol. Sci. , vol. 21, no. 4, 2020,
doi: 10.3390/ijms21041483.
[2]  M. L. Simanjuntak, M. Ilyas, B. Murtala, and A. Zainuddin,  “Hubungan  Antara  Parameter Geometrik Sagital Lumbosakral Dengan Kejadian Hernia Nukleus Pulposus Pada Pasien Yang Dilakukan Pemeriksaan MRI Lumbosakral  PPDS  Ilmu  Radiologi  Fakultas
Kedokteran  Universitas  Hasanuddin  Makassar, Indonesia,” J. Biomedik , vol. 13, no. 28, pp. 9– 17, 2021.
[3]  F.  Taher et  al. ,  “Lumbar  Degenerative  Disc Disease:  Current  and  Future  Concepts  of Diagnosis and Management,” Adv. Orthop. , vol. 2012,  no.  February  2014,  pp.  1–7,  2012,  doi: 10.1155/2012/970752.
[4]  S. Beatty, “We need to  talk about  lumbar total disc  replacement,” Int.  J.  Spine  Surg. ,  vol.  12, no. 2, pp. 201–240, 2018, doi: 10.14444/5029.
[5]  S. Zahaf and S. Kebdani, “Study and analysis of mechanical behavior between rigid and dynamic fixation systems analyzed by the finite element method,” J.  Biomimetics,  Biomater.  Biomed.
Eng. ,  vol.  33,  no. September  2021,  pp.  12–31, 2017, doi:
10.4028/www.scientific.net/JBBBE.33.12.
[6]  A. Chemmami et al. ,  “Biomechanical comparison  of  three  total  artificial  discs:  Sb- charite  iii®,  prodisc-l®  and  maverick® reinforced by a posterior fixation system in the spinal  column:  A  three-dimensional  finite element  analysis,” Struct.  Integr.  Life ,  vol.  21, no. 1, pp. 65–83, 2021.