Инверсная модель поясничного отдела позвоночника человека, основанная на изображении КТ и анализе методом конечных элементов

Автор(и)

  • П. Гао Шаньдунская Политехника, Цзинань, Китай

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347020060059

Ключові слова:

изображение КТ, компьютерная томография, инверсное моделирование, анализ методом конечных элементов, КЭА

Анотація

Для точного анализа наиболее уязвимых точек перелома нормальных поясничных позвонков человека при вертикальном положении, ходьбе и повороте влево-вправо, компьютерная томография (КТ) использовалась для сканирования участка от верхнего края поясничного позвонка L1 (первый позвонок) до нижнего края поясничного позвонка L5. После считывания изображений КТ с помощью программного обеспечения Mimics, проведен пороговый анализ, сегментация области, и полное заполнение. Сформированная 3D модель была реконструирована с помощью модуля FEA (анализ методом конечных элементов, Finite Element Analysis) программного продукта Mimics, и использовалась трехмерная модель поясничного отдела с межпозвоночным диском, созданная прикладной программой UG. Полученная модель импортировалась в систему ANSYS Workbench для исследования методом конечных элементов. Полученные результаты показали, что, когда тело в вертикальном положении, смещение тела позвонка больше, чем смещение суставного отростка. Смещение переднего края верхней поверхности диска было наибольшим и составило 0,161 мм. Эквивалентное напряжение сосредоточено на суставном отростке и остистом отростке, а напряжение на нижнем суставном отростке L4 является наибольшим (15,073 МПа), указывая на то, что относительная ошибка между результатом анализа методом конечных элементов (КЭА) и результатом теоретического расчета невелика, что свидетельствует о правильности и допустимости этого метода.

Посилання

Y. Tao et al., “Biomechanical characteristics of lumbar vertebra fixation based on finite element analysis,” Chinese J. Tissue Eng. Res., vol. 20, no. 13, pp. 1932–1938, 2016, doi: https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-4344.2016.13.015.

V. Argesanu et al., “Highlighting the maxillofacial trauma influence on posture by FEA modeling simulation,” in 2016 IEEE 14th International Symposium on Intelligent Systems and Informatics (SISY), 2016, pp. 129–134, doi: https://doi.org/10.1109/SISY.2016.7601484.

H. Li, F. Li, N. Liu, P. Li, “Risk prediction of femoral head necrosis: A finite element analysis based on fracture mechanics,” Int. J. Comput. Methods, vol. 17, no. 06, p. 1950019, 2020, doi: https://doi.org/10.1142/S0219876219500191.

H. M. Xu, S. L. Pu, Y. G. Jiang, X. Y. Li, P. Dong, “Establishment and preliminary application of a laryngomalacia larynx three-dimension model,” Lin chuang er bi yan hou tou jing wai ke za zhi = J. Clin. Otorhinolaryngol. head, neck Surg., vol. 32, no. 12, pp. 891–894, 2018, doi: https://doi.org/10.13201/j.issn.1001-1781.2018.12.003.

H. Chen, Y. Sun, Q. Zhang, Y. Hu, Y. Sun, “Deformation analysis of lumbar spine based on mechanics of materials and finite element method,” in 2017 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO), 2017, vol. 2018-Janua, pp. 1358–1362, doi: https://doi.org/10.1109/ROBIO.2017.8324606.

И. А. Сушко, “Визуализация распределений поверхностных проводимостей томографического сечения методом зон проводимости,” Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника, vol. 56, no. 7, pp. 60–68, 2013, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347013070078.

H. Luo, G. Liu, J. Fu, C. Yu, “Vibration Response Analysis of the Lumbar Spine based on High-speed Train Crew,” in 2017 IEEE 7th Annual International Conference on CYBER Technology in Automation, Control, and Intelligent Systems (CYBER), 2017, pp. 220–224, doi: https://doi.org/10.1109/CYBER.2017.8446591.

J. P. Gjolaj, S. Elmasry, S. Asfour, F. Travascio, F. J. Eismont, “Implications of decompressive surgical procedures for lumbar spine stenosis on the biomechanics of the adjacent segment: a finite element analysis,” Spine J., vol. 15, no. 10, pp. S96–S97, 2015, doi: https://doi.org/10.1016/j.spinee.2015.07.039.

Z. Zhang, Y. Li, Z. Liao, W. Liu, “Research progress and prospect of applications of finite element method in lumbar spine biomechanics,” Sheng wu yi xue gong cheng xue za zhi = J. Biomed. Eng. = Shengwu yixue gongchengxue zazhi, vol. 33, no. 6, pp. 1196–1202, 2016, uri: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29715419/.

Q. H. Zhang, E. C. Teo, “Finite element application in implant research for treatment of lumbar degenerative disc disease,” Med. Eng. Phys., vol. 30, no. 10, pp. 1246–1256, 2008, doi: https://doi.org/10.1016/j.medengphy.2008.07.012.

C. Yaldiz et al., “Comparison of the rigid rod system with modular plate with the finite element analysis in short-segment posterior stabilization in the lower lumbar region,” Turkish Neurosurg., vol. 27, no. 4, pp. 610–616, 2017, doi: https://doi.org/10.5137/1019-5149.JTN.16203-15.1.

E. Punarselvam, P. Suresh, “Investigation on human lumbar spine MRI image using finite element method and soft computing techniques,” Clust. Comput., vol. 22, no. 6, pp. 13591–13607, 2019, doi: https://doi.org/10.1007/s10586-018-2019-0.

D. S. Shin, K. Lee, D. Kim, “Biomechanical study of lumbar spine with dynamic stabilization device using finite element method,” CAD Comput. Aided Des., vol. 39, no. 7, pp. 559–567, 2007, doi: https://doi.org/10.1016/j.cad.2007.03.005.

М. В. Кононов, О. А. Нагуляк, А. В. Нетреба, А. А. Судаков, “Реконструкция в ЯМР методом псевдоинверсии матрицы сигналов,” Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника, vol. 51, no. 10, pp. 21–25, 2008, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347008100038.

Y. Guo, G. Song, “Ergonomic seat design based on high-speed rail random vibration environment effects on human lumbar,” Zhongguo Jixie Gongcheng/China Mech. Eng., vol. 26, no. 3, pp. 389–393, 2015, doi: https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2015.03.018.

A. Tsouknidas, K. Anagnostidis, G. Maliaris, N. Michailidis, “Fracture risk in the femoral hip region: A finite element analysis supported experimental approach,” J. Biomech., vol. 45, no. 11, pp. 1959–1964, 2012, doi: https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2012.05.011.

J. M. Liu et al., “The effect of screw tunnels on the biomechanical stability of vertebral body after pedicle screws removal: a finite element analysis,” Int. Orthop., vol. 41, no. 6, pp. 1183–1187, 2017, doi: https://doi.org/10.1007/s00264-017-3453-y.

K. Li, J. Zhang, J. Jiang, S. Ma, “Lumbar spinal finite element analysis in a gravity environment,” in Eighth International Conference on Digital Image Processing (ICDIP 2016), 2016, vol. 10033, p. 100334H, doi: https://doi.org/10.1117/12.2244610.

М. В. Кононов, О. А. Нагуляк, А. В. Нетреба, “Влияние распределения рентгеновского излучения в приемной системе на качество реконструкции в проекционной томографии,” Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника, vol. 51, no. 3, pp. 63–66, 2008, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347008030084.

X. Wang et al., “Prediction of new clinical vertebral fractures in elderly men using finite element analysis of CT scans,” J. Bone Miner. Res., vol. 27, no. 4, pp. 808–816, 2012, doi: https://doi.org/10.1002/jbmr.1539.

D. H. Pahr, P. K. Zysset, “Finite element-based mechanical assessment of bone quality on the basis of in vivo images,” Curr. Osteoporos. Reports, vol. 14, no. 6, pp. 374–385, 2016, doi: https://doi.org/10.1007/s11914-016-0335-y.

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-06-25

Як цитувати

Гао, П. (2020). Инверсная модель поясничного отдела позвоночника человека, основанная на изображении КТ и анализе методом конечных элементов. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 63(6), 381–392. https://doi.org/10.20535/S0021347020060059

Номер

Том 63 № 6 (2020): Наноэлектроника и медицина

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.