Εμβιομηχανική μελέτη της σπονδυλικής στήλης με πεπερασμένα στοιχεία και με πτωματικούς σπονδύλους
Authors: Αναγνωστίδης Κλεόβουλος 
Published: August 2021

Σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν η δημιουργία ενός τρισδιάστατου, υψηλής ακρίβειας προσομοιωτικού μοντέλου με πεπερασμένα στοιχεία, το οποίο θα υποβάλαμε σε διάφορες φορτίσεις και θα μελετούσαμε την εμβιομηχανική του ανταπόκριση σε αυτές. Παράλληλα στόχος μας ήταν να επιβεβαιώσουμε ορισμένα από τα δεδομένα του προσομοιωτικού μας μοντέλου με πειράματα σε πτωματικούς σπονδύλους. Κατασκευάσαμε ένα υψηλής ακρίβειας προσομοιωτικό μοντέλο μιας λειτουργικής σπονδυλικής μονάδος που πλεονεκτεί έναντι αυτών που υπάρχουν στη διεθνή βιβλιογραφία. Το μοντέλο μας υποβλήθηκε σε διάφορες φορτίσεις (αξονική συμπίεση, πρόσθια, οπίσθια και πλάγια κάμψη και αξονική περιστροφή) και μελετήθηκαν οι ισοδύναμες τάσεις κατά Mises, οι μέγιστες αναπτυσσόμενες τάσεις καθώς και οι μετατοπίσεις στους τρεις άξονες. Παράλληλα διενεργήσαμε πειραματικές δοκιμασίες σε 17 πτωματικούς οσφυϊκούς σπονδύλους. Οι δοκιμασίες αυτές περιέλαβαν συμπιεστικές δοκιμασίες σπονδυλικών σωμάτων, μεσοσπονδυλίων δίσκων, σπονδυλικών μονάδων και σπογγώδους οστού από διάφορες θέσεις. Τέλος ελέγχθηκε η ανισοτροπία 14 σπονδύλων με τη μέθοδο της οστεοδιείσδυσης και η αξιοπιστία της μεθόδου στην εκτίμηση του βαθμού ανισοτροπίας ελέγχθηκε με ανεξάρτητες συμπιεστικές δοκιμασίες κυλίνδρων σπογγώδους οστού, που ελήφθη από τρεις διαφορετικές θέσεις του σπονδυλικού σώματος. Εκτός από το φυσιολογικό προσομοιωτικό μοντέλο κατασκευάσαμε άλλα τρία προσομοιωτικά μοντέλα (οστεοπορωτικό, με ρήξη του ινώδους δακτυλίου και με ρήξη και δισκοκήλη) τα οποία υποβάλαμε στις ίδιες φορτίσεις. Από τις πειραματικές δοκιμασίες σε πτωματικούς σπονδύλους: Η μέση τιμή του ορίου διαρροής για τα σπονδυλικά σώματα ήταν 8.040Ν και για τους μεσοσπονδύλιους δίσκους 10.465Ν. Το σπογγώδες οστούν αυξάνει την αντοχή του μετά το σημείο θραύσης ενώ η μέση τιμή του μέτρου ελαστικότητας υπολογίστηκε σε 189 MPa στον κατακόρυφο άξονα. Στη συμπίεση των λειτουργικών μονάδων ο δίσκος ήταν περισσότερο ανθεκτικός σε σχέση με το οστούν σε αξονική συμπίεση. Ο έλεγχος της ανισοτροπίας με τη μέθοδο της οστεοδιείσδυσης (η οποία ελέγχθηκε για την αξιοπιστία της) ανέδειξε μη σημαντική διαφορά στην αντοχή του οστού σε οριζόντιο και οβελιαίο άξονα και υπεροχή του στον κατακόρυφο άξονα (66% μεγαλύτερη αντοχή). Στα προσομοιωτικά μοντέλα: στο φυσιολογικό μοντέλο η οπίσθια κάμψη επιβαρύνει 4,5 φορές περισσότερο το φλοιώδες οστούν σε σχέση με την πρόσθια κάμψη. Οι αυχένες των σπονδύλων δέχονται υψηλές φορτίσεις στις περισσότερες δοκιμασίες. Ο μεσοσπονδύλιος δίσκος φορτίζεται 65% περισσότερο στην οπίσθια σε σχέση με την πρόσθια κάμψη. Στο οστεοπορωτικό προσομοιωτικό μοντέλο ο φλοιός φορτίζεται περισσότερο σε συμπιεστικές δυνάμεις και πρόσθια κάμψη, ενώ ο μεσοσπονδύλιος δίσκος σε όλες τις δοκιμασίες. Στο μοντέλο με τη ρήξη του ινώδους δακτυλίου όλες οι δομές φορτίζονται περισσότερο σε σχέση με το φυσιολογικό μοντέλο σχεδόν σε όλες τις δοκιμασίες. Στο δίσκο παρατηρούνται αυξημένες τάσεις στο όριο της ρήξης, προδιαθέτοντας σε επέκτασή της. Τέλος στο προσομοιωτικό μοντέλο με ρήξη και δισκοκήλη μοντέλο, το φλοιώδες οστούν φορτίζεται περισσότερο σε σχέση με το φυσιολογικό προσομοιωτικό μοντέλο σε όλες τις δοκιμασίες πλην της πρόσθιας κάμψης. Ο μεσοσπονδύλιος δίσκος δέχεται ιδιαίτερα μεγάλες καταπονήσεις σε όλες τις φορτίσεις αναπτύσσοντας τάσεις από 10,3% έως 87,4% υψηλότερες σε σύγκριση με το φυσιολογικό μοντέλο. Η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων προσφέρει μεγάλες δυνατότητες στη μελέτη της εμβιομηχανικής συμπεριφοράς της σπονδυλικής στήλης, ειδικά όταν συνδυάζεται με δεδομένα που προκύπτουν από πειραματικές διατάξεις σε πτωματικούς σπονδύλους.