Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
MOTION ANALYSIS OF HUMAN CADAVER KNEE-JOINTS USING ANATOMICAL COORDINATE SYSTEM Gábor Katona1, Béla M. Csizmadia1, István Bíró2, Kristóf Andrónyi3, Gábor Krakovits3 1 Szent Istvan University, Faculty of Mechanical Engineering 2 University of Szeged, Faculty of Engineering 3 Semmelweis University, Department of Orthopaedics [email protected]
Abstract Large standard deviation can be observed during the analysis of the kinematical functions which describe the motion of the knee-joint. Screening the previous large number of published results concerning to the knee motion it seemed that they are scattered, therefore it can be regarded as unreliably. In our experiments anatomical coordinate system recommended by VAKHUM pro- ject was used in favor to reduce standard deviation. Setting up the anatomical coordinate system in its special anatomical points are very uncertain. A protocol was settled for the orientation of the – A-0030 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR anatomical points and for the anatomical coordinate system. Experiments were performed on fi ve cadaver knees using the new protocol. The measurements were analyzed which has proved that the method offers a better accuracy.
Keywords: knee joint; rotation; fl exion; anatomical coordinate-system
Introduction of the knee was analyzed by Braune3 with photographs taken from two directions. It was The knee-joint is one of the most comp lex not possible to describe the diffi cult three joints of the human body. The scientifi c inter- dimensional motions on the contemporary est have been focusing on the biomechanics level of technology, but the effect of passive of the knee for a long time. A lot of studies, endrotation was described by him. The angu- often opposite to each other are published lar interpretation method was framed by on this scope. One of the biggest problems is Grood & Suntay7 which was needed for the to describe the motions, because an anatomi- description of the knee motion (JCS – Joint cal coordinate system is needed to be defi ned, Coordinate System). So, the possibility of uni- but there is no generally accepted standard form communication was established between method. engineers and doctors, but at the same time convenient recommendation was not given for The motions of knee joint can be described the defi nition of axis of motion. more precisely by means of anatomical coordi- nate system, which assists to compare the The fact that the knee joint has two axis of results of measurements of different research rotation was found by Hollister8. These are the teams. The results of the research can be use- axes of fl exion-extension and axis of external- ful for surgeons as well to prosthesis designing. internal rotation. Abductional motion was measured only occasionally, possible due to Weber brothers16 dealt with the kinematics the different sizes of the two condyles. The of walking in the XIX. century. The motions transepicondylar axis is traditionally used for 93 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
the determination of axis of fl exion-extension, which is the junction-line between the lateral and medial epicondyles. It was found by Churchill4 that the axis of fl exion-extension was approximated properly by this axis, but for nowadays it seems to fall. It is confuted by a lot of studies5,6,8 that the two axes are the same. It is accentuated by other studies1,9,10, 12,13,17 that the determination of the transepicondylar axis is very unsure. It can be just like 15° differ- ence between the axes in case of different researchers.
Methods
4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0030 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR Experiments were carried on cadaver knees for the analysis of motion of the knee using an experimental test rig built by the re se arch Figure 1. The anatomical coordinate system team. The measurements were analyzed of the femur using a (anatomical) coordinate system in favor of comparability. It is still very important dicular to the plane (quasi-coronal) defi ned to increase the precision of determination, by the three anatomical points (hf, me, le), because Bíro et al.2 have considered that large positive direction to the anterior differences can be seen in the kinematical – the zt axis of the coordinate system is mu- functions if the same measurement was ana- tually perpendicular to the xt and the yt axis lyzed in anatomical coordinate systems with with positive direction to the right. minimal differences. Our measurements were determined on the basis of recommendation of In case of the tibia, the anatomical coordinate VAKHUM project15. The anatomical coordi- system can be determined by its four typical nate system can be determined on the femur anatomical points. These anatomical points (Figure 1) on the basis of this recommenda- are the head of fi bula (hf), tuberositas tibiae tion, by using three typical anatomical points (tt), medial (mm) and lateral (lm) mallelous. on it. These are the head of femur (fh), the The rules of the determination of the coordi- medial (me) and lateral (le) epicondyles. The nate system are (Figure 2): rules of the determination of the coordinate – the origin (Os) of the coordinate system system are: is the midpoint of the junction-line – the origin (Ot) of the anatomical coordinate between the lateral (lm) and medial (mm) system is the midpoint of the junction-line ma llelous between the medial (me) and lateral (le) epi- – the ys axis of the coordinate system is the condyles intersection of the quasi-coronal (defi ned by – the yt axis of the coordinate system is the line the mm, lm hf points) and quasi-sagittal between the origin and the fh point positive (orthogonal to the quasi-coronal plane and direction upwards contains Os and tt points both) planes with – the xt axis of the coordinate system is perpen- positive directions upwards 94 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0030 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR
Figure 2. The anatomical coordinate system Figure 3. The joint coordinate system (JCS) of the tibia
– the xs axis of the coordinate system is per- other points (me, le, hf, tt) can be determined pendicular to the quasi-coronal plane with on the whole cadaver body or on the fi xed positive direction to the anterior resection in the equipment also. – the zs axis of the coordinate system is mutu- ally perpendicular to the xs and ys axis with Polaris infrared optical positioning system positive direction to the right. (Figure 4) was used for the determination of the position of the anatomical points during These anatomical points are needed to be the experiments11. The placed trackers’ posi- determined during the experiments. The mea- tions were measured by the Polaris system in surements were carried out on an experimen- the coordinate system fi xed to the still environ- tal test rig with resected cadaver knees, so some ment. The two moving trackers were attached of the anatomical points (lm, mm, fh) on the to the femur and the tibia so they represented whole cadaver body had to be determined. The rigid body. The system is suitable for measur- ing the location of points in the coordinate sys- tem attached to the still environment which are shown by a pointer tracker. All of the ana- tomical points can be marked by the pointer with exception of head of femur. The location of the head of femur can be determined only with calculation.
The head of femur can be approximated with Figure 4. The experimental equipment with a sphere. If an orbital motion is performed by the Polaris system the femur then its motion is spherical motion 95 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
around the center of femur head. The motion Three marker screws are enough for the trans- of the tracker attached to the femur also a formation, but the precision of the transforma- spherical motion in this case. The center of tion can be increased by increasing the num- femur head can be calculated from the mea- ber of the screws. surement data. A rubber belt which was the muscle model of The place of the trackers of the Polaris system the quadriceps was attached to the ligament was changed after the necropsy of the cadaver of the quadriceps on the cadaver knee fi xed body and fi xing the knee in the equipment. in the equipment (Figure 5). The load was The anatomical coordinate system has to be attached to a rod fi xed in the tibia by a cord known in the equipment also for the evalua- (Figure 4). The operation of the whole equip- tion of the measurements performed in the ment was published by Szakál14 earlier. Two equipment. So every location of the anatomi- types of measurements were carried out dur- cal points have to be measured in the absolute ing the experiments: coordinate system of the Polaris system. But – type 1.: The load was increased which the transformation of the location of the caused the fl exion of the knee. The load was 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0030 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR resected anatomical points has to be ensured decreased after the total fl exion of the knee to the equipment. till the knee went to totally stretched posi- tion. Six marker screws (Figure 5) were used for this – type 2.: The force was decreased in the rub- purpose on every bone, which were screwed ber belt which is the muscle model of the in the bones. The location of them was mea- quadriceps, so the fl exion of the knee was sured on the whole body and the cadaver knee increasing. The force was increased in the fi xed in the equipment also. So the connection rubber belt after the total fl exion till the knee was established by the screws between the two went to totally stretched position. states. The resected anatomical points can be transformed to the equipment by the use of The soft tissues were removed from the bones the coordinate system attached to the screws. at the end of the measurements and the loca- tion of the anatomical points was measured in the coordinate system of the Polaris.
The use of Euler angles became general for the description of the motion of the knee. The anatomical coordinate system of the femur can be rotated into the anatomical coordinate sys- tem by these angles in case of the right order of them (Figure 3). The order of the Euler angles are: fl exion-extension, abduction-adduction, external-internal rotation.
The angle of fl exion-extension is the rotation around the zt axis of the anatomical coordinate system of the femur (nearly transepicondylar). The external-internal rotation is the rotation Figure 5. The prepared cadaver knee around the ys axis of the anatomical coordinate 96 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám system of the tibia. The angle of abduction- The effect of the inaccuracy of determina- adduction is rotation around the axis which is tion of the anatomical coordinate system to mutually perpendicular to the previous two the changing of functions of the kinematical axes (fl oating axis). parameters is detailed in the work of Bíró et al.2.
Results The lack of accuracy can be originated to more than one reason, for example the error of Repetitions were done from all types of the the transformation of the evaluation method. measurements at three times, because of The reason of this is that the marker screws are decreas ing the errors of the measurements. Six situated on a cylinder with small diameter. marker screws were used instead of the needed Thus the angular error of the coordinate sys- three for the transformation of the anatomical tem attached to the marker screws – which points which could also help decrease the sum requires the transformation – is relatively of errors. The measurements can be solidly large. Another reason of the lack of accuracy reproduced (Figure 6) and the motion of the can be also the evaluation error of the center of knee is independent from the type of the mea- the head of femur. The hip of the dead body – A-0030 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR surements. The functions of rotation against cannot be fi xed totally stiffl y during the mea- fl exion divides in the range of the measure- surement for the determination of the center ments between 25–70° of fl exion in the range of the head of femur. So there is a little motion of 2° of rotation. The reason of this can be that of the hip during the measurement. On the the angular speed of fl exion is increased in other hand the measurement error of the this range, so the reception of the signals Polaris is appeared in the results during the changed. The level of the rotation compared evaluation of the location of the head of femur. to the abduction is quite less and the most part of the changing of rotation starts in the range Again the reason of the accuracy of the deter- of starting 35° of fl exion. mination can come from the fact that the ana-
Figure 6. Rotation and ab/adduction functions against fl exion in experiment no. 7. 97 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
tomical points are not exact, precisely defi n- external-internal rotation and abduction- able points. They have to be marked on a fi nite adduction functions against fl exion were rep- size area. resented during the evaluation of these mea- surements (Figure 8, Figure 9). The functions It follows that different points are marked of rotation against fl exion are parallel inde- always at the repetition of the pointing (with pendent from different cadaver knees and the the largest attention also). So, a lot of anatom- errors of anatomical coordinate systems. The ical coordinate system can be determined close functions were represented that the starting to each other. The anatomical points were rotation and adduction were 0° in favor of marked in the equipment again in favor of comparability. It can be seen, that the kine- estimation of these errors and the kinemat i cal matical functions are in the same range in case functions were also evaluated in the anato- of four from fi ve knees. Deviation appeared in mical coordinate system determined this time. only one case. The reason of relatively little deviation between the four case can be the pre- The effect of the anatomical coordinate sys- cariousness of the determination of anatomi- tems close to each other can be followed in the cal coordinate system detailed previously. It 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0030 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR form of the functions of the same measure- was noticeable in case of the very different ment (Figure 7). It can be seen that the func- function (No.4) that the knee was in unusual tions of rotation against fl exion are almost par- valgus position which can be seen on its ab/ allel in the range of the starting 50° of the fl ex- adduction function (Figure 9). If there is rela- ion. The characteristic of the functions totally tively large angle between the axis of fl exion of changes after this range. The functions of ab/ the anatomical coordinate system (zt) and the adduction against fl exion start from nearly the transepicondylar axis then the function of same value, but their characteristic are totally external-internal rotation changes signifi cantly different. (Figure 8).
The measurements were carried out on fi ve It can be established that the knee starts from a cadaver knees written down previously to lateral rotated position and ends in medial predict the possibility of generalization. The position during the fl exion. The most part of
Figure 7. Rotation and ab/adduction functions against fl exion of the same measurement evaluated in different anatomical coordinate system in experiment no. 9
98 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
Figure 8. Rotation functions against fl exion of the fi ve experiments 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0030 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR
Figure 9. Ab/adduction functions against fl exion of the fi ve experiments the changing of rotation is in the range of start- ommendation of VAKHUM project is well ing fl exion around 30–35°. The value of the established. The protocol is suitable for the abduction-adduction is much less than the determination of the anatomical coordinate value of rotation. system and for the measurement. Less stan- dard deviation can be found in the kinematical Conclusion parameters with the use of our earlier pre- sented evaluation method. The motion of the knee is described by the use of different anatomical coordinate systems and It can be established also, that it is very impor- angles determined with different methods in tant to determine the location of the anatomi- the professional literature. Accordingly large cal points more precisely and to reduce the standard deviation can be found in the kine- transformation errors during the transforma- matical parameters. tion of the location of anatomical points. Experiments are performed parallel with pres- The following facts can be drawn on the basis ent work for minimalization of these errors of the published results that the use of our ana- and for determination of the sensitivity to inac- tomical coordinate system based on the rec- curacy. 99 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
REFERENCES
1. Aglietti P et al. Rotational Position of Femoral sepicondylar axis during total knee repla ce ment. and Tibial Components in TKA Using the Fem- Acta Orthopaedica Scandinavica, 2004;75(1): oral Transepicondylar Axis. Clinical Orthopae- 74–77. dics and Related Research, 2008;466(11):2751–5. 10. Jerosch J et al. Interindividual reproducibility 2. Bíró I, M. Csizmadia B, and Katona G. Sensitivity in perioperative rotational alignment of femoral investigation of three-cylinder model of human components in knee prosthetic surgery using knee joint, IV. Hungarian Conference on Biome- the transepicondylar axis. Knee Surgery Sports chanics, 2010. Traumatology Arthroscopy, 2002;10(3):194–7.
3. Braune W. and Fischer O. Die Bewegungen des 11. NDI, http://www.ndigital.com/medical/ Kniegelenkes Nach Einer Neuen Methode am polarisfamily-techspecs.php Lebenden Menschen Gemessen. 1891. 12. Robinson M et al. Variability of landmark iden- 4. Churchill DL et al. The transepicondylar axis tifi cation in total knee arthroplasty. Clinical approximates the optimal fl exion axis of the knee. Orthopaedics and Related Research, 2006;442:
4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0030 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR Clinical Orthopaedics and Related Research, 57–62. 1998;356:111–8. 13. Stoeckl B, et al. Reliability of the transepicondy- 5. Eckhoff D et al. Difference between the epicondylar lar axis as an anatomical landmark in total knee and cylindrical axis of the knee. Clinical Orthopae- arthroplasty. Journal of Arthroplasty, 2006;21 dics and Related Research, 2007;461:238–44. (6):878–82.
6. Eckhoff DG et al. Three-dimensional me chanics, 14. Szakál Z. Mérőberendezés térdízület mozgás- kinematics, and morphology of the knee viewed vizsgálatához, GÉP 2006;LVII(1):37–40. in virtual reality. Journal of Bone & Joint Sur- gery – American Volume, 2005;87(Suppl 2):71. 15. VAKHUM, http://www.ulb.ac.be/project/ vakhum 7. Grood ES and Suntay WJ. A joint coordinate sys- tem for the clinical description of 3-dimensio- 16. Weber WWF. Mechanik der menschlichen Geh- nal motions – application to the knee. Journal werkzeuge. Göttingen, 1836. of Biomechanical Engineering–Transactions of the Asme, 1983;105(2):136–44. 17. Yau WP et al. Errors in the identifi cation of the transepicondylar and anteroposterior axes 8. Hollister AM et al., The axes of rotation of of the distal femur in total knee replacement the knee. Clinical Orthopaedics and Related using minimally-invasive and conventional app- Research, 1993;290:259. roaches – A cadaver study. Journal of Bone and Joint Surgery – British Volume, 2008;90B 9. Jenny JY and Boeri C. Low reproducibility of (4):520–6. the intra-operative measurement of the tran-
This study was carried out with the permission of the Hungarian Scientifi c and Research Ethical Committee (TUKEB 165-1/2002, renewed in 2007). We would like to acknowledge the help of Gábor Renner, György Szántó, and László Szobonya from the Hungarian Academy of Sciences, Computer and Automation Research Institute.
Gábor Katona Szent Istvan University, Faculty of Mechanical Engineering H–2100 Gödöllő, Páter Károly utca 1. 10 0 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
A NON-INVASIVE METHOD FOR THE EXAMINATION OF MUSCLE GEOMETRY TO THE EXPLORATION OF THE CONTEXT OF THE MUSCLE ACTIVITIES AND MUSCLE LENGTH CHANGES Péter Katona1, Tamás Pilissy2, Gábor Fazekas3, András Klauber3, József Laczkó1,2 1 Semmelweis University Faculty of Physical Education and Sport Sciences, Budapest 2 Pázmány Péter Catholic University Faculty of Information Technology, Budapest 3 National Institute for Medical Rehabilitation, Budapest [email protected]
Introduction
We use functional electric stimulation (FES) in the treatment of spinal cord injured patients since 2005, in pursuance of this we use a stim- ulator and electrodes to make the paralyzed – A-0034 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR muscles of the lower limb drive the pedal of a stationary bicycle1,2,3. The stimulation pattern for this device is developed by studying muscle activity patterns of healthy subjects. The healthy muscle geometry can only be mea- sured with expensive diagnostic devices/meth- ods (MR, CT). Our aim is to develop a method, Figure 1. A subject during the measurement based on kinematic data (coordinates of ultra- (the colored points show the places where sonic markers) accessible by movement ana- the markers were placed) lyzing systems and it describes mathematically the changes of the muscle geometry during in the sagittal plane directed forward, and z is movements, in our case during cycling lower perpendicular to the x-y plane directed upward. limb movement. We discern relations of geo- This system has widely been used in studying metrical changes and muscle activities. multijoint movements4,5,6. Kinematic data (marker coordinates) were assessed with sam- pling frequency of 50 Hz. Methods Then intrinsic local coordinate systems were First, 3D coordinates of the markers, placed on defi ned (one in the ankle and one in the knee), anatomical landmarks of the left lower limb the origo of these coordinate systems were (Figure 1.) were measured. The measurement placed into the suitable rotation center. device was an ultrasonic movement analyzing system (CMS 70P, Zebris, Isny, Germany) To localize the rotational center in the knee, that locates the place of ultrasonic speakers the coordinates of the marker placed on the using three ultrasound sensitive microphones. lateral epycondyle were translated along the This system applied a 3D coordinate system: X direction with half of the distance of the lat- the X-axis is horizontal in the frontal plane eral and medial epycondyles. In the ankle the directed medial to lateral, Y-axis is horizontal coordinates of the rotational center was com- 10 1 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
puted from the coordinates of the marker The spatial coordinates of the attachment placed on the lateral malleolus by translating it points of the muscles were determined in these with 30 m along the X direction. This distance coordinate systems as function of time. Data was a theoretical approximation of half of the from literature7,8 were used to compute the distance of the lateral and medial malleoli. location of muscle attachments. The muscle length and its speed of change can be com- The hip rotational center was localized trans- puted by trigonometric equations during the lating the coordinates of the marker placed on whole time of the movement. The algorithm the greater trochanter along the X axis with was applied on 41 healthy subjects. The length 60 mm. This distance was a theoretical approx- and its change as a function of time of the sub- imation. jects’ Quadriceps and Biceps femoris were cal- culated using the received data during the Three axes were defi ned in the knee (the orig movement (Figure 2 and 3, Equation 1 and 2). is in the rotational center): the Y-axis was M l a= M M i+f+ M pointed to the rotational center of the hip, the a = 2 R-a 2 X-axis was pointed to the lateral epycondyle M (1) 2 2 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0034 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR (where the marker was placed), the Z-axis is M =f R-f ⋅ the cross product of the Y- and X-axes. Then M βR=i three axes were defi ned in the ankle: the Y-axis =β 2Π − (α )α+α+ was pointed to the rotational center of the 1 2 arccos⎛ R ⎞ knee, the X-axis was pointed to the lateral 1 =α ⎜ ⎟ ⎝ a ⎠ (2) malleolus (where the marker was placed), the ⎛ ⎞ cos R Z-axis is the cross product of the Y- and X- 2 a=α ⎜ ⎟ ⎝ f ⎠ axes.
Figure 2. The schematic Y-axis 3D fi gure of the algorithm used for the computation of the length of the Quadriceps
X-axis
Figure 3. Two of the axes defi ned in the intrinsic coordinate system of the knee, the third one (Z) is visible on fi gure 2.
102 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
Where Ml is the muscle length, iM is the sec- Results tion of the muscle that belong to the patella, fM is the section of the muscle from its origin to It was observed in the case of the Quadriceps the patella, aM is the section of the muscle from (Figure 4.), that the largest extension of the its insertion to the patella (patella ligament), muscle (largest length) coincides with the a is the distance between the rotation center largest electric activity of the muscle (the max- (O) and the insertion of the patella ligament imum of the EMG curve), so the muscle activ- (PI), f is the distance between the rotation cen- ity is highest at the maximal length of the ter and the origin of the muscle MO, R is the muscle. radius of the knee, PI is the insertion and PO is the origin of the patella ligament, α is the knee In the case of the Biceps femoris the highest angle (spanned by a and f), α1 is the angle electric activity can be observed during the spanned by the vectors OPI and OPO, α2 is the extension of the muscle (Figure 5.). From our angle spanned by the vectors OMI (MI is the data, it is obvious that the maximum length insertion of the muscle) and OMO, β is the of one of the observed muscle coincides with angle belonging to the ark (iM), all angles were the minimal length of the other, antagonist used in radian. muscle. – A-0034 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR
700 800 650 EMG 750 600 700 650 550 Muscle length 600 500 550 Figure 4. 450 500 The measured 400 450 350 400 EMG and the 300 350 computed
EMG [mV] 250 300 250 muscle length 200 200 Muscle length [mm] data of subject 150 150 K01’s left 100 100 50 50 Quadriceps 0 0 muscle during 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 the cycling time [ms] movement
550 550 500 EMG 500 450 Muscle length 450 400 400 Figure 5. 350 350 The measured 300 300 EMG and 250 250 the computed
EMG [mV] 200 200 muscle length 150 150 Muscle length [mm] data of subject 100 100 K01’s left 50 50 Biceps femoris 0 0 muscle during 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 the cycling time [ms] movement 10 3 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
Conclusion Discussion
Observing the electric activity and length Anthropometric data of individual subjects are of Quadriceps, the following contexts were required to defi ne appropriate electrical activ- deduced: ity patterns and forces of muscles rotating par- ticular joints. Muscle synergy depends on When the muscle shortened maximally the muscle geometry. Thus the quantitative anal- length of the muscle begins to extend ysis of changes in muscle length is essential to through the effect of the antagonist muscles defi ne stimulation patterns for functional elec- (or through other force, that is in terms of trical stimulation of people with paralysed the examined muscle exterior strength) limbs. The relation between joint rotations and muscle length is studied for healthy sub- Due to the extension, and the regulation of jects11. Based on this approach we proposed the motion (to increase the stability) electric spatio-temporal cooperation of knee fl exor and signs arrive into the muscle, this leads to the extensor muscle. deceleration of its length change
4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0034 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR With the calculated contexts, the stimulation Under the maximum electric activity of the pattern used in the FES treatment of the spi- muscle (at the maximum of the EMG curve) nal cord injured patients is modifi able. The the extension of the muscle stops, indeed the therapy becomes more effi cient thereby, that muscle begins to contract an artifi cial pattern was provided, which is biologically inspired and it takes notice of indi- Decreasing electric activity was observed vidual anatomic data. There is an infi nity of during the contraction, what can be different combinations of muscle activities to explained with the muscle force of the other perform a motor task as cycling. The proper lower limb. For example the Quadriceps coordination and regulation of such move- shortening not ensues only because of his ments may depend on geometric properties own effort but the effort of the Biceps femo- and may be enhanced by studying muscle syn- ris of the other lower limb. Thus, it is not ergies using theoretical approaches even with- necessary to produce high electric activity out expensive experiments12. However in our (force) to maintain the motion, it is more knowledge no detailed quantitative analysis of necessary during the switch between stretch- muscle coordination is given for cycling lower ing and shortening, when the contraction limb movements. Our presented method is a begins in the required muscle. research tool for further development of artifi - cially designed muscle activity patterns. The The electric activity of the Biceps femoris mus- next step is to establish 3D muscle forces cle shows that this muscle plays an important required to execute a planned movement of role in the regulation of the motion thereby, a limb with given muscle geometry. that its activity is maximal at the time when the velocity of the stretching grows, so its activ- ity makes the knee not to bend but it sets back the extension of it9,10.
10 4 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
REFERENCES
1. Pilissy T, Klauber A, Fazekas G, Laczkó J, Szécsi J. 7. Brand RA, Crowninshield RD, Wittstock CE, (2008): Improving functional electrical stimula- Pedersen DR, Clark CR, van Krieken FM. (1982): tion driven cycling by proper synchronization A model of lower extremity muscular anatomy. of the muscles. Clinical Neuroscience/Ideggyógy Journal of Biomechanical Engineering, Vol. Szle 61(5-6) pp. 162–167. 104, pp. 304–310.
2. Szécsi J, Fincziczki Á, Laczkó J, Straube A. (2005): 8. Hoy MG, Zajac FE, Gordon ME. (1990): A mus- Elektrostimuláció segítségével meghajtott (há- culoskeletal model of the human lower extrem- romkerekű) kerékpár: Neuroprotézis harántsé- ity: the effect of muscle, tendon, and moment arm rült páciensek mindennapos használatára. Reha- on the moment-angle relationship of musculoten- bilitáció, 15. évfolyam pp. 9–14. don actuators at the hip, knee, and ankle. Journal of Biomechanics, Vol. 23, No. 2, pp. 157–169. 3. Laczkó J, Pilissy T, Klauber A. (2008): Modeling of Limb Movements for Controlling Functional 9. Katona P, Pilissy T, Fazekas G, Laczkó J. (2009): Electrical Stimulation of Paraplegics. Proc. of the Ízületi szögsebességek, izomaktivitások és a pe- Third Hungarian Conference on Biomechanics. dálhajtás sebességének kapcsolata kerékpározó ISBN 978 963 06 4307 8. pp. 151–157. moz gáskor. VII. Országos Sporttudományi Kong- – A-0034 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR resszus, In: Magyar Sporttudományi Szemle, 4. Hermsdörfer J, Marquardt C, Wack S, Mai N. 10. évf. 38. sz. p. 33. (1999) Comparative analysis of diadochokinetic movements. J Elektromyogr Kinesiol 9: 283–295. 10. Katona P. A Quadriceps és Hamstrings izmok elektromos aktivitásának vizsgálata kerékpározó 5. Keresztényi Z, Cesari P, Fazekas G, Laczkó J. mozgás során a sebesség függvényében, National (2008): The relation of hand and arm confi gura- Congress on Sport Sciences for Students 2009, tion variances while tracking geometric fi gures in (in Hungarian) Parkinson’s disease – “aspects for rehabilitation”. International Journal of Rehabilitation Research 11. Hawkins D & Hull ML. (1990): A method for 2009;32:53–63. determininglower extremity muscle–tendon lengths during fl exion/extension movements. 6. Kiss RM, Kocsis L, Knoll Zs. Joint kinematics and J Biomech 23:487–494. spatial temporal parameters of gait measured by an ultrasound based system. Medical Engineer- 12. Bernstein NA. (1967): The co-ordination and ing&Physics 2004; 26:611–620. regulation of movements. Pergamon, Oxford
Supported by ETT 363/2006, Scientifi c Council of Healthcare
Péter Katona Semmelweis University Faculty of Physical Education and Sport Sciences, Budapest H–1123 Budapest, Alkotás u. 44.
105 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
A SÚLYFÜRDŐKEZELÉS HATÁSÁNAK VÉGESELEMES SZIMULÁCIÓJA A KEZDETI RUGALMAS SZAKASZBAN Kurutzné Kovács Márta1, Oroszváry László2 1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Budapest 2 Knorr Bremse Hungaria Ltd, Budapest [email protected]
Absztrakt A súlyfürdő a magyar reumatológia egyik legnagyobb gyakorlati jelentőségű felfedezése. Ered- ményeként az izmok ellazulnak, a gerinc megnyúlik, a porckorongsérv visszahúzódik, a fájda- lom enyhül, a műtét megelőzhető. Ez a konzervatív kezelési mód hazánkban több mint fél évszázada széles körben elterjedt, sikeresen alkalmazzák, azonban külföldön nem ismerik, mivel korábban nem állt rendelkezésre a beavatkozás széles körű biomechanikai elemzése. A közelmúlt- ban a kezelés biomechanikai hátterének elemzése és a keletkező megnyúlások in vivo kísérleti
4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0009 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR meghatározása, valamint a kezelés hatékonyságának klinikai kísérleti bizonyítása megtörtént. A jelen tanulmányban a kezelés numerikus szimulációjának eredményeit ismertetjük. 3D véges- elemes numerikus szimulációval vizsgáljuk a kezelési folyamat mechanikai körülményeit és hatékonyságát. A súlyfürdőkezelés egy tipikus viszkoelasztikus folyamat. A jelen tanulmányban ennek a kezdeti rugalmas szakaszát vizsgáljuk. A számításainkat a lumbális L3–S1 gerincszakasz egy tipikus szegmentumának a végeselemes modellje alapján végezzük, amelynek húzási anyag- állandóit a súlyfürdőben végzett in vivo kísérletek alapján állapítottuk meg, nyomási anyag- állandóit a szakirodalomból vettük át. Számításaink alapján bebizonyítottuk, hogy a 40–45 év közötti korosztály lumbális szegmentumai a legsérülékenyebbek, a további idősödés során a szegmentális stabilitás erősödik. Megállapítottuk, hogy a súlyfürdőkezelés indirekt és direkt nyújtási szakaszból áll. A porckorong bilineárisan viselkedik: az indirekt szakaszban nagyobb a nyújtással szembeni ellenállása, mint a direkt szakaszban. Emiatt, annak ellenére, hogy a direkt nyújtóerő csak mintegy 6%-a az indirekt nyújtóerőnek, a direkt megnyúlások 20–80%-át teszik ki az indirekt megnyúlásoknak a szegmentum életkorától és degenerációs állapotától függően. Ugyanakkor a direkt szakaszban a porckorong feszültségi tehermentesülése csupán 2–8%-ot tesz ki. Következésképpen a többletsúlyokkal vezérelt direkt nyújtóerők elsősorban a porckorong meg- nyúlásaiért felelősek, előidézve az ideggyökök felszabadítását a kompressziós deformációk alól; ugyanakkor a felhajtóerő miatt lecsökkent testsúlyból és a függesztési testhelyzet miatt megszűnő izomerőkből eredő indirekt nyújtóerő a feszültségi tehermentesülésért felelős. A lumbális szeg- mentumok kezdeti rugalmas deformációi a súlyfürdőkezelés további viszkózus szakaszában a kúszási folyamat során mintegy megkettőződnek. A kezelés hatékonysága napi gyakoriságú többhetes kúra végére lesz optimális. Klinikai kísérletekkel azt bizonyították, hogy a súlyfürdő jótékony hatása három hónap elteltével is érzékelhető.
Kulcsszavak: súlyfürdőkezelés; lumbális szegmentum; végeselem-modell; numerikus szimu- láció; direkt és indirekt nyújtás
132 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
Abstract Weightbath hydrotraction treatment is one of the most important discoveries in the Hungarian rheumatology. Due to the treatment muscles relax, the spine stretches, the disc contracts, the pain mitigates, operation may be avoided. The weightbath treatment has been applied in Hungary successfully for more than a half century, however, it is unknown elsewhere because of the lack of experimental clinical and biomechanical analysis and proof of its effi ciency. Recently, Hungar- ian researchers have investigated the biomechanical and experimental analysis of its stretching and clinical evidences; in this paper the numerical simulation of the treatment is presented. 3D fi nite element models of human lumbar functional spinal units were used for numerical analysis of weightbath hydrotraction therapy applied for treating degenerative diseases of the lumbar spine. Five grades of age-related degeneration were modeled by material properties. Tensile material parameters of discs were obtained by parameter identifi cation based on in vivo measured elongations of lumbar segments during the regular weightbath treatment. Compressive material constants were obtained from the literature. It has been proved numerically that young adults of 40–45 years have the most deformable and vulnerable discs, while the stability of segments increases with further aging. The reasons were found by analyzing the separated contrasting effects of decreasing incompressibility and increasing hardening of nucleus, yielding non-monot- – A-0009 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR onous functions of stresses and deformations in terms of aging and degeneration. The weightbath treatment consists of indirect and direct traction phases. Discs show a bilinear material behaviour with higher resistance in indirect and smaller in direct traction phase. Consequently, although the direct traction load is only 6% of the indirect one, direct traction deformations are 20–80% of the indirect ones, depending on the grade of degeneration. Moreover, the ratio of direct stress relaxation remains equally about 2–8% only. Consequently, direct traction controlled by extra lead weights infl uences mostly the deformations being responsible for the nerve release; while the stress relaxation is infl uenced mainly by the indirect traction load coming from the removal of the compressive body weight and muscle forces in the water. These initial elastic elongations of the lumbar spine are doubled during the further creep period of the treatment. The optimal effi - ciency of the treatment develops by the end of a 2-3 weeks long cure of daily treatments. The benefi cial clinical impacts of WHT are still evident even 3 months later.
Keywords: weightbath hydrotraction treatment; lumbar segments; fi nite element model; numer- ical simulation; direct and indirect traction
1. Bevezetés a súlyfürdőkezelés rendkívüli jelentőségét, ugyanis itt a langyos vízben kényelmesen A súlyfürdő a magyar reumatológia egyik leg- függő betegek izomzata teljesen elernyed, nagyobb gyakorlati jelentőségű találmánya1,2. semmiféle izom-összehúzódás nem történik. A száraznyújtás már nagyon régóta ismert a A betegek függőleges testhelyzetben függnek gyógyászatban, azonban bebizonyították3,4,5, egy rugalmas nyaki galléron, vagy kétoldali hogy ahelyett, hogy a kezelés alatt a porcko- hónaljtámaszon, de a kettő kombinációja is rong tehermentesülne a nyomás alól, az izmok előfordulhat. Eközben ólomsúlyok függnek a ellenállása miatt megnövekednek benne a betegeken, vagy a bokáikra, vagy derékszíjra feszültségek. Ezek a megfi gyelések mutatják akasztva, kétoldalt. Mechanikai számításokkal
133 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
igazoltuk, hogy a lumbális szakasz leghaté- 2. Módszerek konyabb nyújtását a nyaki felfüggesztés adja, bokasúlyokkal6. 2.1. Terhek és megnyúlások a súlyfürdőben
A jelen tanulmányban a súlyfürdőkezelés során Biomechanikai elemzés szerint6 nyaki felfüg- lejátszódó mechanikai folyamatok numerikus gesztésnél három teherhatás okoz megnyúlást szimulációjának legfontosabb eredményeit a gerincoszlop mentén: (1) a dekompressziós ismertetjük. A vizsgálat részleteiről a nemzet- erő, amely a vízben megszűnő testsúly és az közi kutatás számára a Kurutz és Oroszváry14 elernyedt izomerők összegéből áll, (2) az aktív tanulmányban számoltunk be. nyújtóerő, amely a testsúly és a felhajtóerő különbségének felel meg; (3) az alkalmazott A numerikus szimulációval azt kívántuk ki- ólomsúlyokból származó nyújtóerő. Az első mutatni, hogy hogyan tehermentesülnek a teher az indirekt nyújtóerő, a második és har- lumbális szegmentumok a súlyfürdő kezdeti madik együtt a direkt nyújtóerő30. rugalmas fázisában a káros kompressziós hatá- sok, a feszültségek és összenyomódások alól. A jelen numerikus analízis során az átlagos,
4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0009 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR A szerzők ismerete szerint tiszta centrikus 700 N testsúlyból indulunk ki. Ennek alapján húzásra vonatkozó numerikus szegmentum- 840 N direkt és 50 N indirekt nyújtóerőt vet- modellek nem léteznek a szakirodalomban, tünk fi gyelembe6,12,14. mivel a húzás nem tipikus igénybevétele a ge- rincnek. Húzás említésére csupán mint az Mivel senki nem ismeri a porckorong vagy egyéb fi ziológiai igénybevételek, az előre- és a szegmentum intakt, tehermentes állapotát, hátrahajlás, vagy az oldalra hajlás vizsgála- defi niálnunk kellett a megnyúlásra vonatkozó takor fellépő járulékos hatásra kerül sor4,7,8,9, viszonyítási rendszert. A lumbális szegmentum nem fordul elő, hogy a húzást mint domináns és porckorong megnyúlását a kezelés előtti igénybevételi formát kezelnék. egyenesen álló testhelyzetben fennálló össze- nyomott állapothoz viszonyítottuk, vagyis ezt A jelen tanulmányban a lumbális L3–S1 sza- az állapotot tekintettük zérus megnyúlású álla- kaszra kidolgozott numerikus szegmentum- potnak. modellt domináns húzási igénybevételre dol- goztuk ki, az L3–4, L4–5 és L5–S1 szegmentu- mokon a súlyfürdőben végzett in vivo nyúlás- 2.2 A szegmentum végeselemes modellje méréseink alapján10,11, amelyeket egy speciális, az adott célra kifejlesztett víz alatti ultrahan- Az L3–S1 szegmentum 3D geometriai modell- gos mérési módszer segítségével végeztük12,13. jét egy tipikus lumbális szegmentum méretei alapján vettük fel (1. a ábra). A csigolyatestnél A súlyfürdőkezelés általában 20 percig tart, megkülönböztettük a corticalis és trabecularis ezalatt egy tipikus viszkoelasztikus folyamat részt, és a nyúlványokhoz tartozó elemeket. játszódik le a gerincben. A vízben történő fel- A csigolyafal vastagsága 0,35 mm, a végle- függesztés után azonnal lejátszódik a pillanat- mezek vastagsága 0,5 mm volt. A porckorong nyi rugalmas szakasz, azután indul a kúszás, nucleusát és annulusát külön kezeltük, az változatlan teher mellett. E helyt csak a kezelés annulus mátrixát két gyűrűre osztottuk, ame- első, rugalmas fázisával foglalkozunk, a máso- lyeket egy mástól és a nucleustól szálrétegek dik, viszkoelasztikus kúszási folyamat elem- választanak el15,16. A szálak keresztmetszeti zéséről később számolunk be. területe 0,1 mm2 volt. A kisízületek iránya és 134 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
Rugalmassági A szegmentum Poisson- modulus alkotórészei tényező [MPa] Corticalis héj 12000 0,3 Szivacsos csont 150 0,3 Csigolyanyúlványok 3500 0,3 Véglemezek 100 0,4 a) b) Annulusmátrix 4/0,4* 0,45 Annulusszálak 500/400/300** – Figure 1. The geometrical model and FE mesh of Nucleus 1/0,4* 0,499 FSU Elülső hosszanti szalag 8* 0,35 Hátulsó hosszanti szalag 10* 0,35 17 geometriája a szakirodalmi adatokat követte . A többi szalag 5* 0,35 Mind a hét lumbális gerincszalagot beillesztet- *húzás, **külső/közbenső/belső szálak, húzás tük a modellbe. 1. táblázat. Az egészséges szegmentum anyagállandói A végeselemes hálózatot három lépésben alakí- tottuk ki: (1) geometriai modell felvétele Pro/ ciós módszerrel14 határoztuk meg. A nucleus – A-0009 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR Engineer, (2) a végeselemes hálózat felvétele collagen szálait csak húzásra dolgozó lineári- ANSYS Workbench, és (3) a szegmentum kü- san rugalmas anyagúnak feltételeztük26,18,27,21, lönböz ő alkotórészeinek integrálása a modell- a kollagéntartalom radiális változását kifelé be ANSYS Classic programmal (1. b ábra). növekvő merevséggel szimuláltuk28,15,16. A ge- Az annulusmátrixot, a nucleust és a szivacsos rincszalagokat lineárisan rugalmas, csak hú- csontot, a nyúlványokat és a kisízületeket, zásra dolgozó anyaggal modelleztük18,29,24. továbbá bizonyos kapcsolatokat térfogatele- mek ből, a csontos véglemezeket és a csigolya Mivel a súlyfürdőkezelés degenerált szegmen- corticalis részét, valamint a szalagokat héjele- tumokon történik, fi gyelembe vettük az élet- mekből, végül az annulus szálait rúdelemekből kori degeneráció egyes stádiumait. Öt degene- építettük fel. rációs fokozatot dolgoztunk ki (2. táblázat), amelyben a nucleus folyadékszerű állapotának megszűnését a Poisson-tényező csökkenésével, 2.3 A szegmentum-modell anyagállandói a nucleus fokozatos keményedését pedig a rugalmassági modulusa növekedésével mo- A súlyfürdőkezelés kezdeti pillanatnyi fázisá- delleztük33,8,9. Az annulus és a véglemezek ban a szegmentum minden alkotórésze rugal- károsodását is követtük28,34,35,36. masan viselkedik. A csontelemekre húzásra és nyomásra azonosan viselkedő rugalmas, Az egészséges és a degenerált végeselemes mo- izotrop anyagot feltételeztünk a szakirodalom dell validálását húzásra és nyomásra egyaránt alapján15,16,18-25 (1. táblázat). A porckorong elvégeztük. 2000 N centrikus nyomás esetén nucleusát és annulusának mátrixát lineárisan a porckorong szagittális középsíkjában kelet- rugalmasnak feltételeztük nyomásra, és bi- kező függőleges nyomófeszültségek számítás- lineárisan rugalmasnak húzásra. Nyomáshoz ból kapott nagyságát és eloszlását hasonlítot- és dekompressziós nyújtáshoz a szakirodalmi tuk össze Nachemson37, Adams és munkatár- nyomási adatokat használtuk, de aktív nyújtás- sai32,33, Dolan és Adams8, Adams és Dolan9 hoz a rugalmassági modulust a nyúlásmérési ún. stress-profi lometriával nyert kísérleti ered- adataink alapján végzett paraméter-identifi ká- ményeivel. Az eredmények meggyőző egyezést 135 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
1. fokozat 5. fokozat 2. fokozat 3. fokozat 4. fokozat Degenerációs egészséges teljes deg. fokozatok E E E E E ν ν ν ν ν (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) Nyomás nucleus 1 0.499 3 0.45 9 0.4 27 0.35 81 0.3 annulusmátrix 4 0.45 4.5 0.45 5 0.45 5.5 0.45 6 0.45 szivacsos csont 150 0.3 125 0.3 100 0.3 75 0.3 50 0.3 véglemezek 100 0.4 80 0.4 60 0.4 40 0.4 20 0.4 Húzás nucleus 0.4 0.499 1.0 0.45 1.6 0.4 2.2 0.35 2.8 0.3 annulusmátrix 0.4 0.45 1.0 0.45 1.6 0.45 2.2 0.45 2.8 0.45 2. táblázat. A degenerált szegmentum anyagállandói
mutattak. Húzás esetén az L3–S1 lumbális és a direkt nyújtóerők külön-külön és együttes szakaszhoz tartozó szegmentumra 1000 N in- hatására. A 2. b ábrán a posterolaterális annu- direkt és 50 N direkt nyújtóerővel számított lus szálaiban keletkező maximális húzóerő megnyúlási eredményeinket hasonlítottuk csökkenését ábrázoltuk a kezelés első fázisá-
4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0009 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR össze Kurutz12 és munkatársai11 a súlyfürdő- ban a degeneráció függvényében, ugyancsak ben in vivo mért kísérleti eredményeivel. Nem- elkülönítve az indirekt és direkt nyújtóhatást. csak a megnyúlási értékek, hanem azok élet- A megnyúlások két komponensét szemügyre kori megoszlását mutató függvények is nagy véve látható, hogy az egészséges porckorong- hasonlóságot mutattak. Ennek alapján a fenti nál (1. fokozat) a direkt nyúlások az indirekt táblázatok szerint felvett anyagállandók elfo- nyúlásoknak mintegy a 46%-át teszik ki, a kö- gadható alapot képeztek a súlyfürdő mechani- zepesen degenerált porckorongnál (3. fokozat) kai jelenségeinek numerikus szimulációjához. a 26%-át, míg a degeneráció utolsó fázisában (5. fokozat) a 83%-át. A szálerőknél e három degenerációs fázisban a direkt hatásra keletke- 3. Eredmények zők az indirekt nyújtóerőből keletkező szálerők 37, 21 és 17%-át teszik ki. A 2. a ábrán a porckorong megnyúlását, azaz a kezelés előtti összenyomódásának csökkenését A 3. ábrán a porckorong kihasasodásának csök- látjuk a degeneráció függvényében az indirekt kenését látjuk, azaz az elülső, hátulsó és ol-
a) b) 2. ábra. a) A porckorong megnyúlása és b) az annulus szálaiban lévő húzóerő csökkenése a súlyfürdőkezelés kezdetén az életkori degeneráció függvényében 136 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
a)a) b)b) 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0009 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR
c) 3. ábra. A porckorong a) elülső, b) hátulsó és c) oldalsó kontrakciójának növekedése, vagyis kihasasodásának csökkenése a súlyfürdőkezelés kezdetén az életkori degeneráció függvényében dalsó kontrakció növekedését a súly fürdőkeze- szintes nyomófeszültségek kezelés hatására lés kezdeti pillanataiban, az indirekt és a direkt bekövetkező csökkenését 4. a és 4. b ábrán nyújtóerő hatására a degeneráció függ vényé- ábrázoltuk, a degeneráció függvényében. A 4. c ben. A porckorong megnyúlásához hasonlóan, és a 4. d ábrákon ugyanezt láthatjuk a nucleus amelyet az összenyomódás csökkenése ként szélén, az annulussal határos szakaszokon. defi niáltunk, a kontrakciót is a kezelés előtti Látható, hogy a feszültségek esetén a direkt egyenesen álló testhelyzetben fennálló kihasa- nyújtás hatása csekélyebb, mint a deformá- sodás csökkenéseként értelmeztük. Az elülső cióknál: a függőleges és vízszintes feszültségek direkt kontrakció (3. a ábra) az egészséges, csökkenése a direkt nyújtás hatására egészsé- közepesen és súlyosan degenerált esetben ges, közepesen és súlyosan degenerált esetben (1., 3. és 5. fokozat) az indirekt kontrakció 30, (1., 3. és 5. fokozat) egyaránt csupán mintegy 18 és 17%-át teszi ki, ugyanez a hátulsó kont- 6–8, 4–5 és 2–3%-át teszi ki az indirekt nyúj- rakció (3. b ábra) esetén 37, 21 és 17%, míg tásból keletkezett feszültségcsökkenésnek. oldalsó kontrakciónál (3. c ábra) 31, 14 és 15%. Az 5. ábra a külső annulusban fellépő függ őle- A 4. ábra a porckorong nucleusában lezajló ges nyomófeszültségek csökkenését mutatja a feszültségi tehermentesülés eseteit mutatja. súlyfürdőkezelés kezdetén a degeneráció függ- A nucleus közepén fellépő függőleges és víz- vényében. Itt a direkt nyújtás hatására létrejövő 137 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
a)a) b) b) 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0009 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR
c)c) d)d) 4. ábra. Nyomófeszültségek csökkenése a porckorong nucleusában a súlyfürdőkezelés kezdetén a degeneráció függvényében a) függőleges és b) vízszintes nyomófeszültségek a porckorong közepén, c) függőleges és d) vízszintes nyomófeszültségek a nucleus szélén, az annulus határán
feszültégcsökkenés ugyancsak csupán 6, 6 és 9%-a az indirekt nyújtásból keletkezőnek egészséges, közepesen és súlyosan degenerált esetben.
4. Megbeszélés
A súlyfürdőkezelés elsősorban a különféle porckorong-bántalomban szenvedő betegek számára javasolt30. Hatására a kompressziós 5. ábra. Függőleges nyomófeszültségek csökkenése teher miatt összenyomódott porckorongokban a porckorong külső annulusában a súlyfürdőkezelés kezdetén a degeneráció jótékony tehermentesülési folyamat játszódik függvényében le, a szegmentumok fl exibilitása megnő, a fáj- dalom csökken, megszűnik. A napi mintegy 20 perces kezelést két-négy héten át ismételve, 138 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám a kedvező klinikai hatások még három hónap Annak ellenére, hogy a direkt nyújtóerő csak múlva is megfi gyelhetők, amint azt Oláh és mintegy 6%-a az indirekt nyújtóerőnek, a porc- munkatársai43 klinikai kísérleteikkel kimutat- korong megnyúlásában a direkt nyújtás hatása ták. 20–80%-a az indirekt nyújtásénak. Különö- sen érvényes ez idős embereknél, a degene- A porckorong degenerációs változásának fő rációs folyamat végén, ahol ez a direkt/indirekt megnyilvánulása a folyadékszerű viselkedés arány a legmagasabb. A porckorong kontrakció- megszűnése az egyidejű szilárdulással. Ennek jában a direkt hatás 15–35%-az indirektnek. modellezése a nucleus Poisson-tényezőjének Ugyanakkor a feszültségeknél a direkt nyújtó- csökkentésével és a rugalmassági modulusának erőből származó feszültségcsökkenés mind- egyidejű növelésével történt40,41, a porcko- össze 2–8%-a volt az indirekt nyújtóerőből rong egyéb tulajdonságainak a változtatásával keletkezőnek. Éppen ez, a direkt nyújtóerők- együtt22,42. nek, az alkalmazott extra ólomsúlyoknak a jelentős nyújtóhatása adja a súlyfürdőkezelés A súlyfürdőkezelés első, rugalmas szakaszá- nagy jelentőségét. Amint a fenti eredmények- ban a terhelés és az ennek következtében fel- ből kiderül, a súlyfürdőkezelés során az extra lépő deformációk és feszültségek indirekt és súlyok alkalmazásának nagy fontossága van, – A-0009 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR direkt fázisra bonthatók. Centrikus húzásra különösen idős embereknél, ahol a direkt nyúj- ugyanis a porckorong nucleusa és annulusá- tóerőnek domináns hatása van. Ez egyben óva- nak mátrixa bilineárisan rugalmas anyagúnak tosságra kell, hogy intse a kezelést előíró orvost tekinthető: az indirekt nyújtási fázisban na- az alkalmazandó súlyok nagyságának mér- gyobb, a direkt fázisban kisebb ellenállással. legelésénél. Acaraglou és munkatársai38, valamint Ebara és munkatársai39 szerint a húzási tulajdon- Az extra súlyok hatásának fontossága vezette ságok a porckorongon belül a hely függvényei. Moll Károlyt a jelenleg használtaknál nagyobb Valóban, centrikus nyomásnál az egészséges súlyok alkalmazásához, anélkül, hogy ezek porckorongban hidrosztatikus nyomás ural- komolyabb sérüléssel jártak volna. Valóban, kodik, amely erős támaszt ad az annulus előfordulhat, hogy a súlyfürdőkezelésnél a lamelláinak belülről, és a csaknem vízszintes, megszokott 2-szer 2-3 kg-os súlyoknál na- abroncsszerűen elhelyezkedő szálakban levő gyobb súlyt kell alkalmazni a kívánt nyújtó- húzóerők pedig kívülről. Hasonló ellenhatást hatás eléréséhez. Végh44 in vivo kísérleteivel gyakorol az annulus a nucleusra. Centrikus igazolta, hogy extra súly nélkül csupán a test húzásnál azonban ennek ellentéte történik. felhajtóerejéből számított direkt nyújtóerő ne- A szálak húzóereje csökken, ugyanakkor a gatív is lehet, ha a beteg fajsúlya kisebb, mint szálak iránya egyre meredekebbé válik33, és a vízé. Ekkor a beteget a víz a felszínre dobja, egyidej űleg a nucleusban lecsökken a hidro- és a kezelés extra súlyok nélkül nem is hajtható sztatikus nyomás, és mintegy szívássá válik, végre. Ez előfordulhat, ha a beteg kövér, vagy következésképpen, a dekompresszió végezté- a víz olyan gyógyvíz, amelynek magas az ás- vel, az aktív nyújtási szakaszban indokolt a ványianyag-tartalma. kisebb ellenállás fi gyelembevétele. A lumbális gerinc centrikus nyújtására vonatko- Az extra súlyokkal végzett direkt nyújtás első- zóan sem kísérleti, sem numerikus eredmények sorban a deformációkért, tehát az ideggyökök nem találhatók a nemzetközi szakirodalom- felszabadításáért, míg az indirekt nyújtás a ban. Kurutz és munkatársai voltak az elsők, feszültségek tehermentesítő hatásáért felelős. akik a porckorong centrikus húzásából kelet- 139 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
kező megnyúlásokat in vivo megmérték10–13, kenyebb. Bender45 szerint a hazai gyógyfür- és numerikusan szimulálták14. A kísérleti és dőkben és reumatológiai osztályokon a porc- numerikus eredményeiket összeha sonlítva meg- korong-bántalmakkal kezelt betegek zöme a nyugtató egyezést találtak14. A gyengén degene- 40–55 év közöttiek közül kerül ki. Ennek okát rált porckorong a súlyfürdőben 0,1–0,15 mm kizárólag numerikus szimulációval tudtuk ki- direkt, 0,4–0,45 mm indirekt és mintegy mutatni: az öregedés kezdetén a nucleusban 0,6 mm teljes azonnali rugalmas megnyúlást megszűnő hidrosztatikus nyomásnak, később szenvedett, miközben 0,1–0,3 mm direkt, 0,5– a nucleus keményedésének van domináns ha- 0,7 mm indirekt és mintegy 0,7–1,0 mm teljes tása14. A direkt és indirekt trakciós fázisban az hátulsó kontrakciója keletkezett. A súlyosan annulusmátrix eltérően viselkedik: jóval me- degenerált porckorong mintegy 0,05 mm di- revebb az indirekt, és hajlékonyabb a direkt rekt, 0,06 mm indirekt és 0,11 mm teljes meg- fázisban, ezért jóval nagyobb deformációk nyúlást, továbbá 0,05 mm direkt, 0,25 mm keletkeznek az alkalmazott extra súlyoknál. indirekt és 0,3 mm teljes hátulsó kontrakciót Ez a tény a kezelő orvost a súlyok alkalma- mutatott a kezdeti, rugalmas szakaszban. zásakor megfontolásra fi gyelmezteti. A súly- fürdőkezelés indirekt fázisában keletkezik a
4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0009 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR Összefoglalva: elvégeztük a súlyfürdőkezelés feszültségrelaxáció, azaz a feszültségi teher- kezdeti rugalmas szakaszában a szegmentum mentesülés, míg a direkt fázisában keletkezik gyógyítóhatású nyúlásának és tehermentesü- az alakváltozási tehermentesülés, a porcko- lésének numerikus szimulációját. Megállapí- rong kontrakciója, az ideggyökök felszabadu- tottuk, hogy a porckorong alakváltozás-képes- lása a környezeti káros deformációk alól. Oláh sége az öregedéssel és a degenerációval csök- és munkatársai43 bebizonyították, hogy a súly- ken, azonban fi atal felnőtt korban, 40–45 év fürdőkezelés előnyös klinikai hatása még há- körül a legmozgékonyabb, egyben a legsérülé- rom hónap múltán is kimutatható.
IRODALOM 1. Moll K, 1956. Die Behandlung der Discushernien 6. Bene É, Kurutz M. 1993. Weight-bath and its mit den sogenannten “Gewichtsbadern”. Con- biomechanics (in Hungarian). Orvosi Hetilap, templ. Rheum., 97:326–329. 134. 21:1123–1129.
2. Moll K. 1963. The role of traction therapy in the 7. Bader DL, Bouten C. 2000. Biomechanics of soft rehabilitation of discopathy. Rheum. Balneol. tissues. In: Dvir, Z. (Ed.), Clinical Biomechan- Allerg., 3:174–177. ics. Churchill Livingstone, New York, Edin- burgh, London, Philadelphia, pp. 35–64. 3. Andersson GB, Schultz AB, Nachemson AL. 1983. Intervertebral disc pressures during traction. 8. Dolan P, Adams MA. 2001. Recent advances in Scand. J. Rehabil. Med. Suppl. 9:88–91. lumbar spinal mechanics and their signifi cance for l. Clinical Biomecanics., 16, Suppl.(1):S8– 4. White AA, Panjabi MM. 1990. Clinical Biome- S16. chanics of the Spine, Lippincott Williams and Wilkins, Philadelphia, etc. 9. Adams MA, Dolan P. 2005. Spine biomechanics. Journal of Biomechanics, 38(10):1972–1983. 5. Ramos G, Martin W. 1994. Effects of vertebral axial decompression on intradiscal pressure. 10. Kurutz M, Bene É, Lovas A, Molnár P, Monori E. Journal of Neurosurgery, 81(3):350–353. 2002a. In vivo biomechanical experiments for measuring traction deformations of human 140 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
lumbar spine during weightbath therapy. (In 20. Antosik T, Awrejcewicz J. 1999. Numerical and Hung.). Orvosi Hetilap, 143 (13):673–684. experimental analysis of biomechanics of three lumbar vertebrae. Journal of Theoretical and 11. Kurutz M, Bene É, Lovas A. 2003. In vivo deform- Applied Mechanics, 3:37. ability of human lumbar spine segments in pure centric tension, measured during traction bath 21. Cheung JTM, Zhang M, Chow DHK. 2003. Bio- therapy. Acta of Bioengineering and Biome- mechanical responses of the intervertebral joints chanics, 5(1):67–92. to static and vibrational loading: a fi nite element study. Clinical Biomechnaics, 18:790–799. 12. Kurutz M. 2006a. Age-sensitivity of time-related in vivo deformability of human lumbar motion 22. Rohlmann A, Zander T, Schmidt H, Wilke HJ, segments and discs in pure centric tension. Jour- Bergmenn G. 2006a. Analysis of the infl uence of nal of Biomechanics, 39(1):147–157. disc degeneration on the mechanical behaviour of a lumbar motion segment using the fi nite ele- 13. Kurutz M. 2006b. In vivo age- and sex-related ment method. Journal of Biomechanics, 39: creep of human lumbar motion segments and 2484–2490. discs in pure centric tension. Journal of Biome- chanics, 39(7):1180–9. 23. Rohlmann A, Bauer L, Zander T, Bergmann G,
Wilke HJ. 2006b. Determination of trunk mus- – A-0009 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR 14. Kurutz M, Oroszváry L. 2010. Finite element cle forces for fl exion and extension by using a analysis of weightbath hydrotraction treatment validated fi nite element model of the lumbar of degenerated lumbar segments in elastic phase. spine and measured in vivo data. Journal of Bio- Journal of Biomechanics, 43(3):433–441. mechanics, 39:981–989.
15. Denoziere G. 2004. Numerical modeling of liga- 24. Noailly J, Wilke HJ, Planell JA, Lacroix D. 2007. mentous lumbar motion segment. Master thesis. How does the geometry affect the internal bio- Georgia Institute of Technology, 2004. mechanics of a lumbar spine bi-segment fi nite element model? Consequences on the valida- 16. Denoziere G, Ku DN. 2006. Biomechanical com- tion process, Journal of Biomechanics, 40:2414– parison between fusion of two vertebrae and 2425. implantation of an artifi cial intervertebral disc, Journal of Biomechanics, 39:766–775. 25. Williams JR, Natarajan RN, Andersson GBJ. 2007. Inclusion of regional poroelastic material 17. Panjabi MM, Oxland T, Takata K, Goel V, properties better predicts biomechanical behav- Duranceau J, Krag M. 1993. Articular facets of iour of lumbar discs subjected to dynamic load- the human spine, quantitative three dimen- ing. Journal of Biomechanics, 40:1981–1987. sional anatomy. Spine, 18:1298–1310. 26. Fagan MJ, Julian S, Siddall DJ, Mohsen AM. 18. Goel VK, Monroe BT, Gilbertson LG, Brinck- 2002b. Patient specifi c spine models. Part 1: mann P. 1995. Interlaminar shear stresses and fi nite element analysis of the lumbar interverte- laminae separation in the disc. Finite element bral disc – a material sensitivity study, Proceed- analysis of the L3–L4 motion segment subjected ings of the Institution of Mechanical Engineers. to axial compressive loads. Spine, 20(6);689– Part H: 216(5):299–314. 698. 27. Lavaste F, Skalli W, Robin S, Roy-Camille R, 19. Ciach M, Awrejcewicz J. 2000. Finite element Mazel C. 1992. Three-dimensional geometrical analysis and experimental investigations of the and mechanical modelling of lumbar spine. intervertebral discs in the human lumbar and Journal of Biomechanics, 25(10):1153–116. cervical spine and porcine lumbar spinal seg- ment. Computer Assisted Mechanics and Engi- 28. Little JP, Adam CJ, Evans JH, Pettet GJ, Pearcy neering Sciences, 7:91–101. MJ. 2007. Nonlinear fi nite element analysis of
141 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
anular lesions in the L4/5 intervertebral disc. 38. Acaroglu ER, Iatridis JC, Setton LA, Foster RJ, Journal of Biomechanics, 40:2744–2751. Mow VC, Weidenbaum M. 1995. Degeneration and aging affect the tensile behaviour of human 29. Zander T, Rohlmann A, Bergmann G. 2004. lumbar anulus fi brosus. Spine, 20(24):2690– Infl uence of ligament stiffness on the mechani- 2701. cal behaviour of a functional spinal unit. Jour- nal of Biomechanics, 37:1107–1111. 39. Ebara S, Iatridis JC, Setton LA, Foster RJ, Mow VC, Weidenbaum M. 1996. Tensile properties of 30. Kurutz M, Bender T. 2010. Weightbath hydro- nondegenerate human lumbar anulus fi brosus. traction treatment – application, biomechanics Spine, 21, 4:452–461. and clinical effects. Journal of Multidisciplinary Healthcare (in press). 40. Kim YE, Goel VK, Weinstein JN, Lim TH. 1991. Effect of disc degeneration at one level on the 31. McNally DS, Adams MA. 1992. Internal interver- adjacent level in axial mode. Spine, 16:331– tebral disc mechanics as revealed by stress pro- 335. fi lometry. Spine, 17:66–73. 41. Kurowski P, Kubo A. 1986. The relationship 32. Adams MA, McNally DS, Dolan P. 1996. Stress of degeneration of the intervertebral disc to distributions inside intervertebral discs. The mechanical loading conditions on lumbar verte- 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0009 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR effects of age and degeneration. J. Bone Joint brae. Spine, 11:726–731. Surg. Br. 78(6):965–972. 42. Polikeit A, Nolte LP, Ferguson SJ. 2004. Simu- 33. Adams MA, Bogduk N, Burton K, Dolan P. 2002. lated infl uence of osteoporosis and disc degen- The Biomechanics of Back Pain. Churchill eration on the load transfer in a lumbar func- Livingstone, Edinburgh, London, New York, tional spinal unit. Journal of Biomechanics, 37: Oxford, Philadelphia, St Louis, Sydney, 1061–1069. Toronto, 238 p. 43. Oláh M, Molnár L, Dobai J, Oláh C, Fehér J, 34. Natarajan RN, Williams JR, Andersson GB. 2004. Bender T. 2008. The effects of weightbath trac- Recent advances in analytical modelling of lum- tion hydrotherapy as a component of complex bar disc degeneration. Spine, 29:2733–2741. physical therapy in disorders of the cervical and lumbar spine: a controlled pilot study with fol- 35. Natarajan RN, Williams JR, Andersson GB. 2006. low-up. Rheumatology International, 28(8): Modeling changes in intervertebral disc mechan- 749–756. ics with degeneration. Journal of Bone and Joint Surgery Am. 88(4), Suppl. 2:36–40. 44. Vegh G. 2007. Cervical traction forces in weight- bath therapy (In Hungarian). Conference of 36. Acaroglu ER, Iatridis JC, Setton LA, Foster RJ, Hungarian Society of Balneology, Esztergom, Mow VC, Weidenbaum M. 1995. Degeneration Hungary, November 16–18, 2007. and aging affect the tensile behaviour of human lumbar anulus fi brosus. Spine, 20(24):2690– 45. Bender T, Karagülle Z, Bálint GP, Gutenbrunner 2701. C, Bálint PV, Sukenik S. (2005). Hydro-therapy, balneotherapy, and spa treatment in pain man- 37. Nachemson AL. 1981. Disc pressure measure- agement. Rheumatology International, 25(3): ments. Spine, 6(1):93–97. 220–224.
A szerzők köszönik az OTKA K-075018 projektbeli támogatását, továbbá Kutrik Attila végeselemes modellezésben nyújtott segítségét.
Kurutzné Kovács Márta Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Budapest H–1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3. 142 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
LUMBÁLISGERINC-SZEGMENTUMOK DEGENERÁCIÓJÁNAK NUMERIKUS SZIMULÁCIÓJA: II. A HIRTELEN FELLÉPŐ DEGENERÁCIÓ Kurutzné Kovács Márta1, Oroszváry László2 1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Budapest 2 Knorr Bremse Hungaria Ltd, Budapest [email protected]
Absztrakt A lumbális gerinc degenerációja nemcsak az életkor előrehaladásával léphet fel, hanem hirtelen mechanikai hatásokra is, például túlterhelésre vagy rossz mozdulatra is bekövetkezhet. 3D véges- elemes szimuláció segítségével vizsgáljuk a centrikusan nyomott lumbálisgerinc-szegmentum túlterhelésből származó, hirtelen bekövetkező degenerációs folyamatait. Mivel hirtelen degen- eráció bármely életkorban bekövetkezhet, fi gyelembe kell venni a gerinc aktuális életkori degen-
4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0008 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR erációs állapotát is. Az életkori degenerációhoz hasonlóan a hirtelen degenerációt is a szegmen- tum anyagállandóival modelleztük. Figyelembe vettük a hirtelen lecsökkenő hidrosztatikus nyomást a nucleusban, az annulus felrepedését, szálszakadását, a véglemez és a szivacsos csigolya- csont károsodását. Megkülönböztettük a fi atal, életkorilag gyengén károsodott szegmentumok, és az idős, előrehaladott életkori degenerációval rendelkező szegmentumok hirtelen degenerációját. Az életkori degenerációval ellentétben, ahol a porckorong merevsége 5-6-szorosára is megnőhet a degenerációs folyamat végére, a hirtelen károsodásnál a merevség 60–80%-kal csökken, ami a szegmentum instabilitásához vezet, különösen fi atal korban, életkorilag gyengén károsodott szegmentumnál, mivel ott a hirtelen merevségcsökkenés a legalacsonyabb szintről indul. Fiata- labb korban a hirtelen degeneráció mintegy 2100 N/mm életkori merevségi szintről 75–80%-kal, mintegy 400–500 N/mm szintre csökken; míg idősebb korban mintegy 3600 N/mm életkori merevségről 60–65%-kal, mintegy 1300 N/mm merevségi szintre csökken. Következésképpen, az életkori károsodáshoz hasonlóan a hirtelen károsodás is a fi atal felnőtt korosztályt sújtja leginkább. Az életkori károsodással ellentétben, ahol a porckorong alakváltozási képessége, összenyomódása, kihasasodása a degenerációs folyamat végére mintegy 30–85%-kal csökken, a hirtelen károsodás- nál ez szignifi kánsan megnő mintegy 2-3-szorosára, amely a szegmentum instabilitásához és fáj- dalomhoz vezet, ugyancsak leginkább fi atal felnőtt korban.
Kulcsszavak: emberi lumbális mozgás-szegmentum; hirtelen degeneráció; porckorong; véges- elem-modell; numerikus szimuláció; nyomási merevség
Abstract Lumbar degeneration can be caused by aging and by other environmental effects like sudden mechanical overload. 3D fi nite element simulation of accidental degeneration processes of lum- bar functional spinal units is presented for axial compression overload. Since sudden accidental degeneration can happen at any state of long-term age-related degeneration, consequently, it was modeled by considering the actual grade of aging degeneration of segments. Accidental degen- eration was modeled by the material properties of components of segments and by overloading. 118 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
Systematic analysis of the effect of several components of accidental degeneration was investi- gated: the sudden loss of fl uid like characteristics of nucleus; the buckling, tears or fi ber break of annulus; endplate damage or cancellous bone collapse. In contrast to the age-related degenera- tion where the stiffness of discs increased by 500–600% during the aging process, in accidental degeneration processes the stiffness of discs decreased by 60–80%, leading to segmental instability and injury. Accidental degeneration may be more dangerous in young age since in this case the sudden stiffness loss starts at a smaller stiffness level, namely, lightly degenerated young discs have the smallest stiffness reported by many studies. Accidental degeneration in young age in this study started equally at 2100 N/mm stiffness that suddenly decreased by 75–80% to 400–500 N/ mm; while in old age it started at about 3600 N/mm and decreased by 60–65% to 1300 N/mm. These effects explain that low back pain problems insult so frequently the young adults. The most important factor both in age-related and accidental change of disc stiffness is the stiffness change of nucleus. In contrast to the age-related degeneration where the disc deformability and bulging decrease during aging by 30–85%, in accidental degeneration processes they increase signifi cantly by 200–300% that may lead to segmental instability and injury again.
Keywords: human lumbar functional spinal unit; sudden accidental degeneration; intervertebral – A-0008 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR disc; fi nite element model; numerical simulation; compressive stiffness
1. Bevezetés A porckorong a szegmentum legkritikusabb alkotórésze, amelynek bármilyen károsodása A gerincdegeneráción annak felépítésében, szer- jelentősen befolyásolhatja a szegmentum teher- kezetében és működésében beálló káros elvál- bírását és stabilitását3. Az öregedéssel járó káro- tozásokat értjük, A degeneráció általános foga- sodás a porckorong nucleusában jelentkezik lom, a gerinc degenerációi két alapvető osz- először, amely fokozatosan elveszti folyadék- tályba sorolhatók: (1) a hosszú idejű, életkorral szerű tulajdonságait, és egyidejűleg keménye- járó degenerációk, és (2) a külső hatásra kiala- dik, merevsége növekszik4,5,1. Eközben a porc- kuló rövidebb idejű ún. környezeti degene rációk . korongban egyéb károsodási formák is meg- Ilyen környezeti hatások elsősorban a mecha- jelenhetnek, például annulusfelhasadás, a belső nikai hatások, a különféle terhek, a fi ziológiai, annulus kihajlása, a véglemez-károsodás, vagy a sportolási vagy munkavégzési terhek, vagy a csontritkulásos csigolyák megroppanása 6,7. éppen a balesetből eredő traumatikus terhek. Az utóbbi idők kutatásai, valamint a porc- További környezeti degenerációt okozhat a korong-bántalommal orvoshoz forduló bete- fagyás, égés, vegyi vagy sugárkárosodás stb. gek életkori statisztikái kimutatták, hogy a fi a- A mechanikai eredetű degenerációk a környe- tal, kevéssé degenerált szegmentumokat fenye- zeti degeneráció külön osztályát képezik, ezek geti inkább a stabilitásvesztés, míg az idősödés a rövid idő alatt, rendszerint váratlanul fellépő során a stabilitás egyre inkább biztosított1,8,9. mechanikai túlterhelésből adódó ún. hirtelen Ennek okait numerikus szimulációval kimu- degenerációk. Ilyen lehet például az elesés, vagy tattuk a tanulmány első részében2, a jelen cik- éppen egy rossz mozdulat1. Ebben a tanul- kben a hirtelen degenerációs folyamatok nu- mányban csak a hirtelen mechanikai károsodá- merikus elemzésének eredményeiről számo- sokkal foglakozunk; az életkori károsodást a lunk be. tanulmány első részében elemezzük2.
119 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
Az utóbbi időben számos tanulmány foglal ko- 2.2. A lumbális szegmentum hirtelen zik a lumbális gerinc degenerációjának vé- degenerációs modellje geselemes modellezésével, de ezek nem foglal- koznak a hirtelen degeneráció kérdésével. Iat- Az életkori degeneráció modellezése során a ridis és munkatársai10,11 a folyadékból szilárd nucleus összenyomhatatlanságának megsz ű- anyaggá válás halmazállapotát vizsgálták. Töb- nését a Poisson-tényező csökkenésével, a nuc- ben6,12 poro elasztikus végeselem-modellt alkal- leus fokozatos keményedését pedig a rugal- maztak, mások8,13-16 több degenerációs fokoza- massági modulusa növekedésével modellez- tot defi niáltak a porckorong anyagállandóinak tük33,34. Öt degenerációs fokozatot állítottunk és geometriájának változtatásával. E tanulmá- fel az egészségest ől a teljesen degenerált álla- nyok legtöbbje leszögezi, hogy az instabilitás potig. A modellben a szivacsos csont és a vég- leginkább a gyengén degenerált fi atalabb szeg- lemezek korral járó gyengülését is fi gyelembe mentumokat veszélyezteti. vettük. Az életkori degenerációs fokozatok modelljét a vonatkozó anyagállandókkal a A jelen tanulmány célja a különböző életkori tanulmány első részében2 ismertettük. degenerációs állapotban fellépő hirtelen komp-
4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0008 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR ressziós túlterhelésből származó degenerációs A hirtelen degenerációnál azt feltételeztük, folyamatok numerikus követése, a vonatkozó hogy a nucleus mintegy kipukkad, és hirtelen következtetések levonása. elveszti a folyadékszerű viselkedését, vagyis összenyomhatatlanságát anélkül, hogy az anyagának a szilárdsága megváltozna. Ezt a 2. Módszerek jelenséget a nucleus Poisson-tényezőjének hir- A hirtelen károsodás szimulációjánál az élet- telen csökkenésével modelleztük keményedés kori degenerációs vizsgálathoz kidolgozott geo- nélkül. A jelenséget a szegmentumot alkotó metriai és hálózati modellt alkalmaztuk2. többi szerv hirtelen károsodása kísérheti, mint A hirtelen károsodást az anyagi tulajdonságok- az annulus felrepedése, kihajlása, a véglemez nál vettük fi gyelembe. repedése, a csigolyák szivacsos csontjának összeroppanása. Mindez azonban a szegmen- tum hirtelen károsodáskori aktuális életkori 2.1. A lumbális szegmentum végeselemes degenerációjának az állapotától is függ. modellje Az életkori degenerációs modellhez kapcso- A 3D geometriai modellt egy tipikus lumbális lódva öt hirtelen degenerációs fázist állítottunk szegmentum méretei alapján vettük fel. A véges- fel, az egészségestől a teljesen degenerált álla- elemes hálózatot Pro/Engineer, ANSYS Work- potig. A modellezéshez az életkori degeneráció bench és ANSYS Classic programok segítsé- vizsgálatához használt adatokat felhasználva2 gével vettük fel. A csontok rugalmas anyag- egy futtatási táblázatot készítettünk. Ennek állandóinak felvételénél a szakirodalomra soraiban a nucleus keményedéséhez tartozó támaszkodtunk 17-23, a nucleus collagen szálai- életkori degenerációs adatok vannak a nucleus nak anyagállandóinál is az irodalmi adatokra adott Poisson tényezője mellett. A táblázat osz- támaszkodtunk17-20,24-30, akárcsak a szalagok lopaiban a Poisson tényező csökkenésével jel- esetében18,31,32. A geometriai és a végeselem- lemzett hirtelen degeneráció adatai foglalnak modell kialakítása szempontjait a vonatkozó helyet, adott nucleus rugalmassági modulus anyagállandókkal a tanulmány első részében2 mellett. Ugyanakkor a táblázat főátlójában az ismertettük. öregedési degeneráció modelljének a tanul- 120 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám mány első részében2 ismertetett adatai szere- fi ziológiai nyomóerőt egyrészt a felsőtest súlya pelnek. Mivel a hirtelen degeneráció bármely (a testsúly mintegy 60%-a35,36) másrészt a gerin- életkorban és életkori degenerációs stádium- cet egyensúlyban tartó izomerők alkot ják. ban bekövetkezhet, a táblázat segítségével a különféle életkorban bekövetkező hirtelen degenerációs esetek modellezhetők. 2.3. A lumbális szegmentum végeselemes modelljének validálása A jelen tanulmányban a hirtelen degeneráció alábbi eseteit vizsgáltuk: (1) fi atal felnőtt kor- Az egészséges és a degenerált végeselemes mo- ban belső annulus kihajlással, továbbá (2) dell validálását húzásra és nyomásra egyaránt annulus károsodással és szálszakadással, vala- elvégeztük38. Nyomás esetén a porckorong mint (3) idősebb korban véglemez- és sziva- szagittális középsíkjában keletkező függőleges csoscsont-károsodással. Ezekhez az esetekhez nyomófeszültségek számításból kapott nagy- tartozó anyagállandókat az 1. táblázat mutatja. ságát és eloszlását hasonlítottuk össze Nach- emson35, Adams és munkatársai1,5, Dolan és A hirtelen degeneráció numerikus szimuláció- Adams39, Adams és Dolan40 stress-profi lomet- ját a fi ziológiai nyomóteher hirtelen megkett ő- riás vizsgálattal kapott kísérleti eredményeivel. – A-0008 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR ződésére, vagyis 2000 N nyomóteherre végez- Az eredmények meggyőző egyezést mutattak. tük37. Itt fi gyelembe vettük, hogy a lumbális Húzás esetén a számított lumbális megnyúlá-
Hirtelen degenerációs fokozatok 12345 Fiatalon, belső annulus kihajlással nucleus 3/0.499 3/0.45 3/0.4 3/0.35 3/0.3 belső annulus 4/0.45 3/0.45 2/0.45 1/0.45 0.5/0.45 külső annulus 4.5/0.45 4.5/0.45 4.5/0.45 4.5/0.45 4.5/0.45 annulusszálak 500/400/300 500/400/300 500/400/300 500/400/300 500/400/300 véglemez 80/0.4 80/0.4 80/0.4 80/0.4 80/0.4 szivacsos csont 125/0.3 125/0.3 125/0.3 125/0.3 125/0.3 Fiatalon, annulushasadással és szálszakadással nucleus 3/0.499 3/0.45 3/0.4 3/0.35 3/0.3 belső annulus 4/0.45 3.5/0.45 3/0.45 2.5/0.45 2/0.45 külső annulus 4/0.45 3.5/0.45 3/0.45 2.5/0.45 2/0.45 annulusszálak 500/400/300 375/300/225 250/200/150 125/100/75 5/4/3 véglemez 80/0.4 80/0.4 80/0.4 80/0.4 80/0.4 szivacsos csont 125/0.3 125/0.3 125/0.3 125/0.3 125/0.3 Idősebb korban, véglemez- és szivacsoscsont-károsodással nucleus 9/0.499 9/0.45 9/0.4 9/0.35 9/0.3 belső annulus 4/0.45 4/0.45 4/0.45 4/0.45 4/0.45 külső annulus 4/0.45 4/0.45 4/0.45 4/0.45 4/0.45 annulusszálak 500/400/300 500/400/300 500/400/300 500/400/300 500/400/300 véglemez 60/0.4 45/0.4 30/0.4 15/0.4 1/0.4 szivacsos csont 100/0.3 75/0.3 50/0.3 25/0.3 5/0.3 1. táblázat. A hirtelen degeneráció modellezése 121 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
sokat hasonlítottuk össze Kurutz41 és munka- Az 1. f ábra mutatja a porckorong összetevői- társai42 in vivo mért kísérleti eredményeivel. nek függőleges nyomómerevség-csökkenését a Az eredmények alapján a modell alkalmasnak hirtelen degenerációs folyamat során. A nuc- látszott az öregedési és hirtelen degenerációs leusban hirtelen megszűnő hidrosztatikus nyo- folyamatok numerikus szimulációjához. másnak köszönhetően az annulus belső táma- sza megszűnt, így a belső annulus lamellák kihajlottak befelé. Következésképpen, a nuc- 3. Eredmények leus és a belső annulus radikálisan elvesztette Az 1. ábra a fi atalon bekövetkező, a belső függőleges nyomómerevségét 91%, illetve 88%- annulus kihajlásával járó hirtelen degenerációs kal, és vele együtt a teherbíró-képességét, ezért folyamat (1. táblázat) numerikus szimuláció- a terhelés a külső annulusra tevődött át, ame- jának eredményeit foglalja össze. lynek a merevsége csak kissé csökkent (21%). A teljes porckorong merevségcsökkenése a hir- Az 1. a ábrán a függőleges nyomófeszültségek telen degenerációs folyamat során 79% volt. megoszlását látjuk a porckorong szagittális Látható, hogy a degenerációs folyamat első középsíkjában az öt degenerációs fázisra vonat- fázisaiban a belső annulus, míg utolsó fázi-
4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0008 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR kozóan. Látható, hogy a függőleges nyomó- saiban a külső annulus a fő teherviselő elem. feszültségek a nucleusban és a belső annulus- ban mintegy a harmadára csökkentek, ugyan- A 2. ábra a fi atalon, az annulus károsodásával akkor a külső annulusban mintegy a kétszere- és szálszakadással járó hirtelen degenerációs sére növekedtek a hirtelen lejátszódó folyamat folyamat (1. táblázat) numerikus szimulá ció- végéig. Az 1. b ábra a porckorong radikális jának eredményeit foglalja össze. összenyomódását mutatja: középen 287%, elöl 222%, hátul 191% volt az összenyomódás növe- A 2. a ábrán az öt degenerációs fázisra vonat- kedése a hirtelen degenerációs folyamat során. kozóan a függőleges nyomófeszültségek meg- Az 1. c ábra a porckorong összetevőiben kelet- oszlását látjuk a porckorong szagittális közép- kező legnagyobb nyomófeszültségek átlagának síkjában. Látható, hogy a függőleges nyomófe- a változását mutatja a degenerációs folyamat szültségek a nucleusban és a belső annulusban során. A nucleusban a csökkenés azonnal leját- mintegy a negyedére csökkentek, ugyanakkor szódott a hidrosztatikus nyomás megszűnésével a külső annulusban a károsodás miatt alig (67%); a belső annulusban a csökkenés egyen- növekedtek. A 2. b ábra a porckorong szig- letes (70%) volt. A külső annulusban jelentős, nifi káns összenyomódását mutatja: amelynek 138%-os volt a növekedés. Hasonló tendencia növekedése középen 257%, elöl 230%, hátul volt megfi gyelhető az átlagos nyomófeszült- 165% volt a hirtelen degenerációs folyamat ségekben is: 66% csökkenés a nucleusban és során. A 2. c ábra a porckorong összetevőiben 61% a belső annulusban, míg 150% növekedés keletkező nyomófeszültségek átlagos csúcsér- a külső annulusban (1. d ábra). Az annulus tékeinek a változását mutatja a degenerációs szálaiban keletkező maximális húzóerők, ame- folyamat során. A nucleusban ismét hirtelen és lyek a hátulsó-oldalsó szakaszon keletkeztek, erős csökkenés történt, összességében 69%- 1.38 N értékről 2.28 N értékre növekedtek ban, a belső annulusban csupán 26% volt a (66%) a degenerációs folyamat során. Ezzel feszültségcsökkenés, míg a külső annulusban összhangban a porckorong kihasasodásának a szálszakadás miatt nem volt jelentős növeke- növekedése a hátulsó szakaszon nem-mono- dés, csupán 7%. Hasonló tendencia volt meg- ton nőtt (33%), az elülső és oldalsó szakaszon fi gyelhető az átlagos nyomófeszültségekben is: monoton növekedett (104% és 112%). erős, 67% csökkenés a nucleusban és gyenge, 122 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
a) b) 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0008 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR
c) d)
e) f) 1. ábra. Hirtelen degeneráció numerikus szimulációja: fi atalon, belső annulus kihajlással. Változások a hirtelen degeneráció során a) a függőleges nyomófeszültségekben a porckorong szagittális középsíkjában, b) a porckorong középső, elülső és hátulsó összenyomódásában, c) a porckorong összetevőiben keletkező átlagos függőleges csúcsfeszültségekben, d) a porckorong összetevőiben keletkező átlagos függőleges feszültségekben, e) a porckorong hátulsó, elülső és oldalsó kihasasodásában, f) a porckorong összetevőinak átlagos függőleges nyomómerevségében 123 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
a) b) 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0008 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR
c) d)
e) f) 2. ábra. Hirtelen degeneráció numerikus szimulálása: fi atalon, annuluskárosodással és szálszakadással. Változások a hirtelen degeneráció során a) a függőleges nyomófeszültségekben a porckorong szagittális középsíkjában, b) a porckorong középső, elülső és hátulsó összenyomódásában, c) a porckorong összetevőiben keletkező átlagos függőleges csúcsfeszültségekben, d) a porckorong összetevőiben keletkező átlagos függőleges feszültségekben, e) a porckorong hátulsó, elülső és oldalsó kihasasodásában, f) a porckorong összetevőinak átlagos függőleges nyomómerevségében 124 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám csupán 3% a belső annulusban, míg a növeke- porckorong benyomódott a már idősebb, ezért dés a külső annulusban annak gyengülése lágyabb véglemezbe és trabekuláris csontállo- miatt csupán 16% volt a 2. d ábra szerint. Az mányba, ezért középen lényegében nem is annulus szálaiban bekövetkezett szakadás nyomódott össze, a szélein pedig a nagyszilárd- miatt bennük a maximális húzóerők gyakorla- ságú kortikális csigolyahéj gyakorolt rá nagy tilag eltűntek, 1,38 N-ról 0,06 N-ra csökkentek nyomást, főleg a hirtelen degenerációs folya- (98%) a hirtelen degenerációs folyamat során. mat végére. Így a porckorong párnaszerű ala- A szálszakadás miatt a porckorong kihasaso- kot vett fel, középen először mintegy 50%-ot dása is radikálisan megnőtt: a 2. e ábrán a hátsó nőtt az összenyomódása, majd 56%-ot csök- kihasasodás nem-monoton növekedése 76%, kent, míg a széleken többszörösére növekedett az elülső és oldalsó kihasasodás monoton az összenyomódása (elöl 234%, hátul 228%). növekedése 172% és 195% volt. A 3. c ábra a porckorong összetevőiben kelet- A 2. f ábra mutatja a porckorong összetevői- kező nyomófeszültségek átlagos csúcsértékei- nek függőleges nyomómerevség-csökkenését a nek a változását mutatja a degenerációs folya- hirtelen degenerációs folyamat során. A nuc- mat során. Az idősebb és merevebb nucleus- leusban hirtelen megszűnő hidrosztatikus ban az eredetileg nagyobb nyomófeszültségek – A-0008 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR nyomásnak köszönhetően az annulus belső most is erősen, mintegy lineárisan csökkentek támasza megszűnt, így a belső annulus lamel- összességében 82%-kal, miközben a teher a lák most is kihajlanak befelé, következéskép- külső annulusra tevődött át, ahol a nyomó- pen, a nucleus radikálisan elvesztette függőle- feszültségek 54%-os növekedést mutattak. ges nyomómerevségét 91%-kal, a belső annu- Eközben a belső annulusban szinte nem tör- lus most 70%-kal, és most a külső annulus a tént változás. Hasonló tendencia volt meg- szálszakadás miatt ugyancsak nagy merevség- fi gyelhető az átlagos feszültségekben is: szig- csökkenést szenvedett, 62%-ban. A teljes porc- nifi káns, 77%-os csökkenés a nucleusban, korong merevségcsökkenése a hirtelen dege- jelentős, 115%-os növekedés a külső annulus- nerációs folyamat során 76% volt. Látható, ban, jelentéktelen változás a belső annulusban hogy a degenerációs folyamat során végig a (3. d ábra). A hátulsó-oldalsó annulus szálai- belső annulus a fő teherviselő elem. ban fellépő maximális húzóerők 23%-os növe- kedést mutattak, 1,07 N-ról 1,32 N értékre. A 3. ábra az idősebb korban bekövetkező, a vég- Az összenyomódáshoz hasonlóan a porcko- lemez és a többé-kevésbé osteoporotikus csigo- rong kihasasodására ugyancsak hatással volt, lyák szivacsos csontjának a károsodásával járó hogy az eleve keményebb porckorong kisebb hirtelen degenerációs folyamat (1. táblázat) ellenállásra talált a véglemezben és a szivacsos numerikus szimulációjának eredményeit fog- csontban, ezért a 3. e ábrán látható mindhárom lalja össze. irányú kihasasodás is kezdetben csekély, majd az utolsó fázisban erőteljesebb növekedést A 3. a ábrán az öt degenerációs fázisra vonat- mutatott (hátul 62%, elöl 63% és oldalt 53%). kozóan a függőleges nyomófeszültségek meg- oszlását látjuk a porckorong szagittális közép- A 3. f ábra mutatja a porckorong összetevői- síkjában. Látható, hogy a függőleges nyomó- nek függőleges nyomómerevség-csökkenését a feszültségek a nucleusban az ötödére csökken- hirtelen degenerációs folyamat során. Az eleve tek, a belső annulusban alig változtak, a külső keményebb és nagyobb merevségű nucleusban mintegy kétszeresre növekedtek. A 3. b ábrán 66%, a sokkal kevésbé merev belső annulusban látható, hogy a már idősebb, ezért keményebb 67%, míg a kis merevségű külső annulusban 125 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
a) b) 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0008 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR
c) d)
e) f) 3. ábra. Hirtelen degeneráció numerikus szimulációja: idősebb korban, véglemez- és szivacsoscsont-károsodással. Változások a hirtelen degeneráció során a) a függőleges nyomófeszültségekben a porckorong szagittális középsíkjában, b) a porckorong középső, elülső és hátulsó összenyomódásában, c) a porckorong összetevőiben keletkező átlagos függőleges csúcsfeszültségekben, d) a porckorong összetevőiben keletkező átlagos függőleges feszültségekben, e) a porckorong hátulsó, elülső és oldalsó kihasasodásában, f) a porckorong összetevőinak átlagos függőleges nyomómerevségében
126 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
Fiatalon, Fiatalon, Idősebb korban, Merevségcsökkenés belső annulus nucleuskárosodással a véglemezek és a szivacsos %-ban kihajlással és szálszakadással csont károsodásával nucleus 91 91 66 belső annulus 88 70 67 külső annulus 21 62 32 a teljes porckorong 79 76 63 2. táblázat. A porckorong és alkotórészeinek merevségcsökkenése a hirtelen degenerációs folyamatok során
32% mervségcsökkenés játszódott le. A teljes A szakirodalomban csak a kezdeti degene- porckorong merevségcsökkenése a hirtelen rációs fokozathoz tartozó összenyomódások degenerációs folyamat során 63% volt. Látható, és kihasasodási értékek állnak rendelkezésre, hogy a degenerációs folyamat során végig a Fagan és munkatársai29 0,5 mm összenyomó- nucleus a fő teherviselő elem. dást kaptak 0,8 mm hátulsó és 0,55 mm elülső kihasasodással 1000 N nyomóerőre az egész-
A 2. összehasonlító táblázatban a porckorong séges porckorongon. Heuer és munkatár- – A-0008 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR és alkotórészeinek merevségcsökkenését foglal- sai44,45 500 N nyomóerőre 0,7 mm kihasa- tuk össze a különböző hirtelen degenerációs sodást kaptak intakt porckorongon. Little és folyamatok során. kutatótársai7 0,45 mm hátulsó és 0,2 mm oldalsó, Li és Wang46 0,38 mm hátsó-oldalsó és 0,23 mm oldalsó kihasasodást számítottak. 4. Megbeszélés Ezek az eredmények a 100 N és 2000 N cent- rikus nyomóerőre számított értékeinkkel össz- Hasonlóan a gerinc életkori degenerációs folya- hangban vannak2,38. mataihoz, a hirtelen degenerációs folyamato- kat befolyásoló tényezők hatása numerikus Az életkori degenerációs folyamattal ellentét- szimulációval elemezhető. ben, amelynek során a nucleusban a függőleges nyomófeszültségek nagysága nagy különb- Az életkori degenerációs folyamattal ellentét- ségeket mutat (a közepén nagy a feszültség- ben, amelynek során a szegmentum és a porc- csökkenés, a szélén inkább növekedés van), korong alakváltozó képessége csökken, a hir- viszont a hirtelen degeneráció során a feszült- telen degenerációs folyamat során szignifi kán- ségek megoszlása a nucleusban egyenletes. san nő, ami a szegmentum instabilitásához és Ennek oka az, hogy a nucleus szilárdulása elő- fájdalom kialakulásához vezethet, kiváltképp ször a szélein kezdődik, legutoljára a közepén, fi atal korban, gyenge életkori degenerációs stá- így a széleken a feszültségek nagyobbak. Hir- diumban. Míg a porckorong deformáció ké pes- telen degenerációnál nincs anyagi változás, sége az életkori degenerációs folyamat végére ezért a feszültségek egyenletesek. 85–87%-kal csökkent2, a hirtelen dege neráció során 200–300%-kal növekedett a fi a taloknál, és kisebb mértékben, de növekedett az időseb- Míg fi atal korban a hirtelen degeneráció a beknél is. Míg a porckorong kihasasodása 30– külső annulus megterhelésével jár, idősebb 70%-kal csökkent az életkori degeneráció során, korban a hirtelen degeneráció során a belső a hirtelen degenerációnál 100–250%-kal nőtt annulus is viseli a terheket. Ennek oka, hogy a fi ataloknál, és 60%-kal az idősebbeknél. az idősebb korban már szilárdabb nucleus 127 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
belső támaszt nyújt az annulusnak, és így a anizotrop szerepe van húzás esetén, nem ját- kihajlását megakadályozza, ami a teherbírása szik domináns szerepet a porckorong nyomó- megmaradásával jár. merevségében.
Az életkori degenerációs folyamattal ellentét- Az életkori degenerációhoz hasonlóan a hir- ben, amelynek során a porckorong függőleges telen degeneráció is a fi atal, alig degenerált nyomási merevsége és teherbírása a folyamat szegmentumokat veszélyezteti leginkább. Ezt során növekszik, a hirtelen degenerációs folya- a korosztályt ugyanis a hirtelen degenerációnál matban szignifi kánsan lecsökken, ami szeg- fellépő radikális merevségcsökkenés éppen mentális instabilitáshoz és sérüléshez, fájda- akkor éri, amikor a porckorngok merevsége az lomhoz vezethet. Kurutz és Oroszváry2,38 életkori degenerációs skálán a legkisebb2,38. ugyanezen numerikus modell alapján kimu- Számos publikációban leszögezték, hogy fi atal tatta, hogy a gyenge életkori degenerációs foko- korban a gyenge degeneráció instabilitáshoz zathoz tartozó leggyengébb merevséghez viszo- vezet, míg idősebb korban az előrehaladott nyítva a porckorong merevsége 580%-kal nő a degeneráció a stabilitási esélyt javítja, mivel a folyamat végére. Ugyanakkor a hirtelen dege- gyengén degenerált szegmentumnak a legki-
4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0008 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR nerációs folyamatban a porckorng merevsége a sebb az ellenállása1,8,9,14,15,38. Valóban, a fi atal, fi ataloknál 60–80%-kal, az időseknél 60%-kal gyengén degenerált porckorongnál a hirtelen csökken, a degeneráció típusától és kísérő degenerációs merevségcsökkenés mintegy jelenségeitől függően (2. táblázat). 2100 N/mm szintről indul, és hirtelen lecsök- ken mintegy 75–80%-kal 400–500 N/mm Az életkori degenerációs folyamatokhoz hason- szintre. Ugyanakkor idősebb korban a merev- lóan a hirtelen degenerációs folyamatokat is ségcsökkenés magasabb szintről, 3600 N/mm- a nucleus állapota befolyásolja leginkább. ről indul, és mintegy 60%-kal, 1440 N/mm-re A porckorong merevségváltozásban is a leg- csökken. A fi atalabb korban nagyobb deformá- fontosabb faktor a nucleus merevsége. Akár ció-képesség is abban az irányban hat, hogy a életkori, akár hirtelen degenerációs folyamatról hirtelen degenerációnál keletkező nagy alak- van szó, a legélénkebb merevségváltozást a változások ebben a korban a legveszélyesebbek nucleus mutatja, élénken változik a belső a lumbális szakaszon fellépő sérülések és fáj- annulus merevsége is, míg a külső annulus dalom szempontjából. merevségében általában csekélyebb a változás. Kimondhatjuk tehát, hogy a porckorong Számításainkkal igazoltuk a fi atal felnőtt kor- „merevségérzékenysége” a nucleus közepétől osztály veszélyeztetettségét a lumbális porc- kifelé radiálisan csökken. Életkori degeneráció korongbántalom szempontjából. Valóban, a végére a nucleus merevsége 1100%-kal, a külső magyar balneológusok és hidroterapeuták és belső annulus merevsége 350–600%-kal tapasztalata szerint47 a porckorongbántalom növekedett (Kurutz és Oroszváry2,38). Hirte- miatt kezelt betegek legnagyobb százaléka len degenerációnál a nucleus merevségcsökke- a 40–55 éves korosztályból kerül ki. Ez a kor- nése fi atalon 90%, idősebben 60–70%; a belső osztály nemcsak az életkori, hanem a hirtelen annulusé fi atalon 70–90%, idősebben 70%; a degeneráció szempontjából is a legsérüléke- külső annulusé fi atalon 20–60%, idősebben nyebb. A végeselemes modell és szimuláció 30%, a degenerációtól és kísérő jelenségeitől alapján ennek mechanikai összetevőit és okait függően (2. táblázat). Valóban, Iatridis és mun- mutattuk ki, segítve ezzel a degenerációs folya- katársai 43 bizonyították, hogy a szálas és réte- matok minél jobb megértését és a kezelési ges szerkezetű annulus, amelynek domináns módok hatékonyabbá tételét. 128 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
IRODALOM
1. Adams MA, Bogduk N, Burton K, Dolan P. 2002. Mechanical behaviours of the nucleus pulposus The Biomechanics of Back Pain. Churchill Liv- of the human intervertebral disc. Spine, 21(10): ingstone, Edinburgh, London, New York, 1174–1184. Oxford, 238 p. 11. Iatridis JC, Setton LA, Wedenbaum M, Mow VC. 2. Kurutz M, Oroszváry L. 2010. Lumbális gerinc- 1997. Alterations in the mechanical behavior of szegmentumok degenerációjának numerikus the human lumbar nucleus pulposus with szimulációja: I. Az életkorral járó degeneráció. degeneration and aging. Journal of Orthopaedic A IV. Magyar Biomechanikai Konferencia kiad- Research, 15(2):318–322. ványa, Pécs, 2010. május 8–9. 12. Natarajan RN, Williams JR, Andersson GB. 2006. 3. Ferguson SJ, Steffen T. 2003. Biomechanics of Modeling changes in intervertebral disc mechan- the aging spine, Eur. Spine J. 12(Suppl 2):S97– ics with degeneration. Journal of Bone and Joint S103. Surgery Am. 88(4), Suppl. 2:36–40.
4. McNally DS, Adams MA. 1992. Internal interver- 13. Polikeit A, Nolte LP, Ferguson SJ. 2004. Simu- tebral disc mechanics as revealed by stress pro- lated infl uence of osteoporosis and disc degen- – A-0008 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR fi lometry. Spine, 17, 66–73. eration on the load transfer in a lumbar func- tional spinal unit. Journal of Biomechanics, 37, 5. Adams MA, McNally DS, Dolan P. 1996. Stress 1061–1069. distributions inside intervertebral discs. The effects of age and degeneration. J. Bone Joint 14. Tang XJ, Chen QX, Liu YS, Li FC. 2008. Analy- Surg. Br. 78(6):965–972. sis of lumbar disc degeneration using three- dimensional nonlinear fi nite element method, 6. Natarajan RN, Williams JR, Andersson GB. 2004. (Article in Chinese), Zhonghua Yi Xue Za Zhi, Recent advances in analytical modelling of lum- 88(23):1634–1638. bar disc degeneration. Spine, 29, 2733–2741. 15. Schmidt H, Kettler A, Rohlmann A, Claes L, 7. Little JP, Adam CJ, Evans JH, Pettet GJ, Pearcy Wilke HJ. 2007. The risk of disc prolapses with MJ. 2007. Nonlinear fi nite element analysis of complex loading in different degrees of disc anular lesions in the L4/5 intervertebral disc. degeneration – a fi nite element analysis. Clini- Journal of Biomechanics, 40, 2744–2751. cal Biomechanics, 22(9):988–998.
8. Rohlmann A, Zander T, Schmidt H, Wilke HJ, 16. Schmidt H, Heuer F, Wilke HJ. 2009. Depen- Bergmenn G. 2006a. Analysis of the infl uence of dency of disc degeneration on shear and tensile disc degeneration on the mechanical behaviour strains between annular fi ber layers for complex of a lumbar motion segment using the fi nite ele- loads. Med. Eng. Physics, 31(6), 642–649. ment method. Journal of Biomechanics, 39, 2484–2490. 17. Shirazi-Adl SA, Shrivastava SC, Ahmed AM. 1984. Stress analysis of the lumbar disc-body 9. Schmidt H, Heuer F, Simon U, Kettler A, Rohl- unit in compression. A three-dimensional non- mann A, Claes L, Wilke HJ. 2006. Application of linear fi nite element study. Spine, 9(2):120–34. a new calibration method for a three-dimen- sional fi nite element model of a human lumbar 18. Goel VK, Monroe BT, Gilbertson LG, Brinck- annulus fi brosus. Clinical Biomechanics, 21, mann P. 1995. Interlaminar shear stresses and 337–344. laminae separation in the disc. Finite element analysis of the L3-L4 motion segment subjected 10. Iatridis JC, Wedenbaum M, Setton LA, Mow VC. to axial compressive loads. Spine, 20(6):689– 1996. Is the nucleus pulposus a solid or a fl uid? 698. 129 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
19. Cheung JTM, Zhang M, Chow DHK. 2003. Bio- L5-S1 intervertebral disc in compression: a non- mechanical responses of the intervertebral joints linear fi nite element study. Journal of Biomedi- to static and vibrational loading: a fi nite element cal Engineering, 13(2):139–151. study. Clinical Biomechnaics, 18, 790–799. 29. Fagan MJ, Julian S, Siddall DJ, Mohsen AM. 20. Denoziere G, Ku DN. 2006. Biomechanical com- 2002b. Patient specifi c spine models. Part 1: parison between fusion of two vertebrae and fi nite element analysis of the lumbar interverte- implantation of an artifi cial intervertebral disc. bral disc – a material sensitivity study, Proceed- Journal of Biomechanics, 39, 766–775. ings of the Institution of Mechanical Engineers. Part H: 216(5):299–314. 21. Rohlmann A, Bauer L, Zander T, Bergmann G, Wilke HJ. 2006b. Determination of trunk mus- 30. Lavaste F, Skalli W, Robin S, Roy-Camille R, cle forces for fl exion and extension by using a Mazel C. 1992. Three-dimensional geometrical validated fi nite element model of the lumbar and mechanical modelling of lumbar spine. J. of spine and measured in vivo data. Journal of Bio- Biomechanics, 25(10):1153–1164. mechanics, 39, 981–989. 31. Zander T, Rohlmann A, Bergmann G. 2004. 22. Noailly J, Wilke HJ, Planell JA, Lacroix D. 2007. Infl uence of ligament stiffness on the mechani-
4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0008 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR How does the geometry affect the internal bio- cal behaviour of a functional spinal unit. Jour- mechanics of a lumbar spine bi-segment fi nite nal of Biomechanics, 37, 1107–1111. element model? Consequences on the valida- tion process. Journal of Biomechanics, 40, 32. Noailly J, Lacroix D, Planell JA. 2005, Finite ele- 2414–2425. ment study of a novel intervertebral disc substi- tute. Spine, 30(20):2257–2264. 23. Williams JR, Natarajan RN, Andersson GBJ. 2007. Inclusion of regional poroelastic material 33. Kim YE, Goel VK, Weinstein JN, Lim TH. 1991. properties better predicts biomechanical behav- Effect of disc degeneration at one level on the iour of lumbar discs subjected to dynamic load- adjacent level in axial mode. Spine, 16, 331– ing. Journal of Biomechanics, 40, 1981–1987. 335.
24. Shirazi-Adl A, Ahmed AM, Shrivastava SC. 1986. 34. Kurowski P, Kubo A. 1986. The relationship of A fi nite element study of a lumbar motion seg- degeneration of the intervertebral disc to ment subjected to pure sagittal plane moments. mechanical loading conditions on lumbar verte- Journal of Biomechanics, 19(4), 331–350. brae. Spine, 11, 726–731.
25. Spilker RL, Jakobs DM, Schultz AB. 1986. Mate- 35. Nachemson AL. 1981. Disc pressure measure- rial constants for a fi nite element model of the ments. Spine, 6(1):93–97. intervertebral disc with a fi bre composite annu- lus. J. of Biomechanical Engineering, 108, 1–11. 36. Sato K, Kikuchi S, Yonezawa T. 1999. In vivo intradiscal pressure measurement in healthy 26. Shirazi-Adl A. 1989a. On the fi bre composite individuals and in patients with ongoing back material models of the annulus – comparison of problems. Spine, 24(23):2468–2474. predicted stresses. Journal of Biomechanics, 22, 357–365. 37. Acaroglu ER, Iatridis JC, Setton LA, Foster RJ, Mow VC, Weidenbaum M. 1995. Degeneration 27. Shirazi-Adl A. 1989b. Strain in fi bers of a lumbar and aging affect the tensile behaviour of human disc. Analysis of the role of lifting in producing lumbar anulus fi brosus. Spine, 20(24):2690– disc prolapse. Spine, 14(1):96–103. 2701.
28. Rao AA, Dumas GA. 1991. Infl uence of material 38. Kurutz M, Oroszváry L. 2010. Finite element properties on the mechanical behaviour of the analysis of weightbath hydrotraction treatment
130 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
of degenerated lumbar spine segments in elas- affects the anisotropic and nonlinear behaviours tic phase. Journal of Biomechanics, 43(3):433– of human anulus fi brosus in compression. Jour- 441. nal of Biomechanics, 31(6):535–544.
39. Dolan P, Adams MA. 2001. Recent advances in 44. Heuer F, Schmidt H, Wilke HJ. 2008a. The rela- lumbar spinal mechanics and their signifi cance tion between intervertebral disc bulging and for l. Clinical Biomechanics, 16, Suppl.(1):S8– annular fi ber associated strains for simple and S16. complex loading. Journal of Biomechanics, 41(2008):1086–1094. 40. Adams MA, Dolan P. 2005. Spine biomechanics. Journal of Biomechanics, 38(10):1972–1983. 45. Heuer F, Schmidt H, Wilke HJ. 2008b. Stepwise reduction of functional spinal structures in- 41. Kurutz M. 2006. Age-sensitivity of time-related crease disc bulge and surface strains. Journal of in vivo deformability of human lumbar motion Biomechanics, 41(2008):1953–1960. segments and discs in pure centric tension. Jour- nal of Biomechanics, 39(1):147–157. 46. Li H, Wang Z. 2006. Intervertebral disc biome- chanical analysis using the fi nite element mod- 42. Kurutz M, Bene É, Lovas A. 2003. In vivo deform- ell-ing based on medical images, Computerized
ability of human lumbar spine segments in pure Medical Imaging and Graphics, 30, 363–370. – A-0008 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR centric tension, measured during traction bath therapy. Acta of Bioengineering and Biome- 47. Bender T, Karagülle Z, Bálint GP, Gutenbrunner chanics, 5(1):67–92. C, Bálint PV, Sukenik S. 2005. Hydro-therapy, balneotherapy, and spa treatment in pain man- 43. Iatridis JC, Setton LA, Foster RJ, Rawlins BA, agement. Rheumatology International, 25(3): Weidenbaum M, Mow VC. 1998. Degeneration 220–224.
A szerzők köszönik az OTKA K-075018 projektbeli támogatását, továbbá Kutrik Attila végeselemes modellezésben nyújtott segítségét.
Kurutzné Kovács Márta Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Budapest H–1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3.
131 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
MICROSTRUCTURAL SIMULATIONS OF THE BONE SURROUNDING DENTAL IMPLANTS BY MEANS OF A STOCHASTICALLY GENERATED FRAME MODEL Éva Lakatos, Imre Bojtár Department of Structural Mechanics, Budapest University of Technology and Economics [email protected]
Abstract The biomechanical behaviour of a dental implant plays an important role in its functional lon- gevity inside the bone. Occlusal forces affect the bone surrounding an oral implant. To avoid fracture and bone resorption – by achieving the most even stress distribution in the bone – implants should be applied that transfer occlusal forces to the bone within physiologic limits with geometry capable to enhance bone formation. The following study deals with the trabecular bone substance especially surrounding dental implants considering the microscopic conformation of – A-0022 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR the bone. The dental surgical use of a formerly developed stochastically generated frame model of the trabecular bone is introduced, which is created by interlinking a stochastically generated set of nodes in a certain domain, according to a previously defi ned linking-rule. The fi nite element model possesses the geometrical and mechanical microstructural properties – obtained from lit- erature – of the trabecular bone substance of an average man from the edentulous mandibular region. The fi nite element beam model was submitted to compression, shear and torsion tests, and the macro-structural elastic properties were computed from the result data obtained by means of fi nite element analysis. The thus received frame model was combined with the fi nite element model of the cortical bone layer in the mandible (lower jaw bone) and a dental implant, where the incompleteness of the bone-implant interface was taken into account.
Keywords: dental implants; trabecular bone; fi nite element analysis; bone mechanics
1. Introduction load – of the cortical and cancellous bone sur- rounding dental implants, since being appli- Application of dental implants is currently cable in vivo. These numerical experiments the most general and physiologically the most have their importance in making the implan- favourable procedure for tooth replacement tation the possibly most secure, reliable and in dental surgery. Implants can have either effi cient, and the lifetime of the implant the advantageous or destructive effect on the sur- longest conceivable, by fi nding the most favo- rounding bone, depending on several physio- urable thread formation, surface, material, etc. logical, material and mechanical factors. The In fi nite element analysis of the bone several most general method for estimating the bio- assumptions need to be made, that infl uence mechanical behaviour of the bone is fi nite ele- the accuracy of the results. Recently, in most of ment analysis, which has become indispens- the reported works the geometry of the implant able in determining the mechanical behaviour can be modelled accurately, the assumptions – stress and strain distributions under a certain are made in the aspect of the bone and bone- 143 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
implant interface – where optimal osseointe- sis – on the mechanical properties of the bone. gration is assumed, which is acceptable after In the majority of cases the models are from the bone healing period only at some parts the vertebral or the femoral bone substance of the implant surface – and the boundary and not from the mandible or maxilla and conditions. Materials are mostly treated as include no implants in or cortical layer around continuum, with material properties usually the examined trabecular bone. The use of CT- set homogenous and linear with elastic mate- imaging means a serious restriction in the rial properties characterized by two material everyday applicability of the afore-mentioned constants: Young’s modulus and Poisson’s bone models applying either volume- or beam- ratio. This assumption approaches the behav- elements. In micro-computed tomography iour of the metal alloys quite well, the proper- imaging cadaveric samples are examined. In ties of the bone are still intensively investi- conventional CT-imaging or in Cone Beam gated. Computed Tomography (CBCT) or Dental Volume Tomography (DVT) scanners, which The macromechanical properties of the bone are the latest generations of CT imaging in are infl uenced by its microstructure. For this dentistry the – often otherwise healthy – pati- 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0022 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR reason, microstructural information needs to ents are exposed to radiation exposure. On the be included in the analysis to predict individ- contrary densitometry is accompanied by neg- ual mechanical bone properties1. Microstruc- ligible radiation dose. Furthermore these kinds tural modelling of trabecular bone has become of examinations are patient specifi c and only an extensively investigated fi eld of biome- suitable for describing the small, previously chanical researches nowadays. The most com- scanned fragment of the bone. In the initial monly used tool for characterizing the com- phase of the researches the objective was to plex architecture and material properties of create a program that generates a stochastic bony organs is the conversion of micro-com- beam structure, which has the format iden tical puted tomography images into micro-FE with the input data of program system ANSYS models2. The micro-computed tomography and has parameters, which are revisable accor- images (3D high resolution images) can be ding to the bone that is simulated (in the aspect transformed into fi nite element models by of density, porosity, elastic properties etc.). means of different methods. The 3D recon- A fi nite element bone model was produced, struction can be directly transformed into an which – on the microstructural level – posses- equally shaped micro fi nite element model by ses the properties of the trabecular bone sub- simply converting all voxels to equally sized stance of an average man from the edentulous 8-node brick elements (identical hexahedral mandibular region, such as the geometry (ave- elements). This results in fi nite element mod- rage length and diameter) and the material els with a very large number of elements, attributes of a single trabecula or the porosity which means the need of high computational (or density) of the bone substance. capacity and time3. Representing each trabec- ula with just one beam element reduces com- The received fi nite element frame model was putational time and leads to the reduction submitted to compression, shear and torsion in computational efforts as well4. These meth- tests, and the macro-structural elastic proper- ods have been developed for simulating the ties were computed. The results were com- mechanical behaviour of several types of bones pared with the mechanical properties of the of the human skeleton, usually for simulating real bone tissue – drawn from literature – and the effect of bone diseases – such as osteoporo- the parameters of the model were set accord- 144 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám ing to them5. In the following study the fi nite and has to be selected to be convenient to the element model of the trabecular bone is com- aims of the planned investigations. In the pres- bined with the models of the cortical layer ent case the desired number of nodes was set of the mandible and of a screw type dental in a 5 mm×5 mm×5 mm sized cubical shaped implant. domain, which represents the identical sized bone substance. The stability of the model is provided by the appropriate number of link- 2. Methods and results ings between the nodes and by the rigidity of the connections. Each node was connected 2.1. Modelling the bone with a beam to the closest at least three nodes, but considering the geometry of the trabecular In building the fi nite element models of biol- bone of the human mandible this number had ogical systems assumptions need to be made. to be set from 5 to 7. To achieve the required In most reported studies – where the bone approximately 70% porosity (percentage value around dental implants is examined by means of voids volume of bone material in proportion of fi nite element analysis – the macroscopic to the volume of the whole cube) – according geometry of the bone is modelled and the to literary data6,7,8,9 – the number of the nodes – A-0022 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR assumption is made, that the materials are and the applied linkings were changed, with homogeneous and linear and that they have the length and diameter kept on the values elastic material behaviour. In most models achieved from microscopic images. In the thus simulating the mechanical behaviour of bone received fi nite element model each trabecula surrounding dental implants the cortical and was represented by one beam element. From trabecular bone substances are treated as con- the assortment of program system ANSYS the tinuums – except for some early works, where so-called BEAM188 element was applied, sometimes only the compact bone is taken into which is a three dimensional linear fi nite account and the cancellous substance is neg- strain beam based on Timoshenko beam the- lected – with no local failures, discontinuities, ory, in which shear deformation effects are cracks or inhomogeneities. included10. The consideration of the shear deformations are justifi ed because of the In case of the present study the porous struc- beams being slightly stubby and possessing ture of the trabecular bone was taken into porous contexture. account by using its previously published microstructural model, while the solid, com- The material properties of the trabeculae, and pact material of the cortical bone was consid- the macrostructural properties of the trabecu- ered as a homogeneous, linearly elastic con- lar and the cortical bone were set according to tinuum. the data achieved from the literature. Several techniques can be found for determining the The fi nite element beam model of the cancel- Young’s modulus of the single trabeculae6,11: lous bone (Figure 1) was created by interlink- direct mechanical testing of a single trabecula ing a stochastically generated set of nodes in a in tension (Ryan and Williams, 1989), 3-point certain domain (Representative Volume Ele- bending (Kuhn et al., 1987 and Choi et al., ment), according to a previously defi ned link- 1990) or buckling (Townsend et al., 1975 and ing-rule5. The extent of the Representative Runkle and Pugh, 1975); ultrasonic wave pro- Volume is characteristic of the mechanical pagation and scanning acoustic microscopy in properties of the modelled material volume trabecular bone specimens (Ashman and Rho, 145 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
198812; Turner et al., 199913; and Nomura et the present research of ours – examine the al, 200714); fi nite element analysis (Pugh et al., mechanical behaviour of these or of the bone 1973; Williams and Lewis, 1982; Mente and surrounding them, considering various geom- Lewis, 1987; van Rietbergen et al., 1995 and etry, thread formation, length and diameter. Kabel et al., 199915) and nanoidentation (Rho Material properties of dental implants can et al., 199716; Zysset et al., 199917). The macro be approached quite accurately – since being structural Young’s modulus value of cancel- metal alloys – as homogeneous and linear with lous bone was estimated by means of three dif- elastic material behaviour characterized by ferent methods: using Hodgkinson and Cur- two material constants, Young’s modulus and rey’s (1992) empirical equations relating mod- Poisson’s ratio. Nowadays the application of ulus and density6, by the means of fi nite ele- metallic materials in dental implantology is ment analysis15 or compression tests18,19. limited to commercially pure titanium and its (Ti-6Al-4V) alloy20. The fi nite element model of the cortical bone (Figure 1) was meshed with tetrahedral vol- In this stage of the research a method was ume elements because of the complex geo- developed for describing the geometry of the 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0022 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR metry at the surface where the bone meets screw type implants by means of mathematical the implant. functions and several modifi able or revisable parameters to make the procedure of fi nite ele- ment modelling faster and easier. The param- 2.2. Modelling the implant eters, which can be altered according to the sizes and shapes of the implants chosen by the Dental implants are artifi cial tooth root rep- dental surgeon, are the following: the length of lacements. They are implanted in the jaw the implant, the inner and outer diameter of bones during small surgical operations to hold the implant, the thread formation and thread the prosthesis and to fasten it to the bone. In pitch, all of which can change along the length dental surgery the most commonly used imp- according to a function or differ in certain seg- lant types are the screw type endosteal – that ments and the shape of the implant apex. In are imbedded in the bone – implants, for this Figure 2. the models of two different dental reason the most of the related studies – so do implant types can be seen.
Figure 1. Finite element models of the trabecular (left) and the cortical (right) bone 146 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
Figure 2. Finite element models of two different screw type dental implants
Since especially the behaviour of the bone is in lant, which cannot be assumed during the the centre of our interest, and since being tita- healing period and arguable after the complete – A-0022 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR nium alloy the material of the implants was healing, because of the presence of an interme- assumed to be much stiffer than the bone, and diary layer between the two materials, which only the surface of the screw was taken into can be connected to the implant surface in dif- account and meshed with triangular shell ele- ferent degrees. The degree of the osseointegra- ments with high stiffness value. tion can be characterized by the BIC (bone- implant contact) value, which means the per- centage of the implant area connected to the 2.3. Modelling the bone-implant interface bone and the area of the whole implant sur- face21. At the bone-implant interface most of the fi nite element models assume optimal osseo- The imperfection of the osseointegration integration, which means, that the bone is per- could be taken into account by modelling the fectly bonded to the whole surface of the imp- aforementioned intermediary layer as a mem-
Figure 3. Finite element mesh of intermediary membrane between the bone and the implant with the fi nite element mesh of the implant 147 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
brane covering different percents of the sur f ace which came up when the beams were cut, was of the implant (30% at the apex, 60% in the the appearance of too short elements, and middle, where it meets the trabecular bone, beams that were not connected to any other and 90% at the upper region of the implant, beams. These elements had to be found and where the mambrane meets the cortical bone) erased. by using an additional layer also meshed with triangular shell elements (Figure 3). The ele- ments forming the cortical and trabecular bone 3. Conclusions are attached to these elements instead of the implant. In this study a numerical modelling method of the trabecular bone microstructure was intro- duced, which was developed for the examina- 2.4. Compiling the model tion of the mandibular or maxillar cancellous bone especially around dental implants in the While compiling the complex fi nite element framework of a former research. The mechan- model from the aforementioned four parts ical behaviour of biological materials – such as 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0022 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR (implant, trabecular bone, cortical bone, inter- cancellous bone – are most commonly exam- mediary layer) especially while intersecting ined by the means of direct mechanical testing the beams with the volume or shell elements or fi nite element analysis, the latter of which is we faced several diffi culties. The problem of the in vivo applicable method in humans. In connecting the different element types had to the aspect of oral implantation in the upper- be solved. The beams cut by the surfaces of the and lower-jawbones the fi nite element models implant or the cortical bone had to be connect - reported so far consider the trabecular bone ed to the nodes of the surface mesh (Figure 4), substance as a continuum. The fact, that mic- so an algorithm had to be developed, which rostructural properties have remarkable effect changes the end points of the cut beams from on the overall behaviour of the bone, indicates the original connection points to the closest the need of micromechanical simulations. The nodes of the surfaces. The second problem, most commonly used method for modelling
Figure 4. The combined fi nite element model of the implant and cortical bone (left) and the connection of the beams to the intermediary membrane (right), the original beam (red) changed to a properly connecting one (green) 148 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám the cancellous bone’s microstructure is the ment. The received model was combined conversion of CT images into fi nite element with the fi nite element models of the mandib- meshes using either volume or beam elements, ular cortical bone and the dental implant. the latter of which overcomes the diffi culties The incomplete contact between the cancel- resulting from the high computational time lous or cortical bone and the implant was taken and effort demand. The application of CT into account by using an intermediary layer imaging can be avoided by creating a stochas- between the two surfaces, which covers the tically generated, porosity (or density) depen- implant according to the value of the bone- dent fi nite element frame model, in which implant contact area and connects it to the each trabecula is simulated by one beam ele- bone.
REFERENCES 1. Stauber M and Müller R. Volumetric spatial 8. Hogskinson R, Njehz CF, Whitehead MA and decomposition of trabecular bone into rods and Langton CM. The non-linear relationship bet- plates – a new method for local bone morphom- ween BUA and porosity in cancellous bone. etry. Bone, 2006;38:475–484. Phis. Med. Biol., 1996;40:2411–2420. – A-0022 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR
2. Hellmich C, Kober C and Erdmann B. Microme- 9. Moon HS, Won YY, Kim KD, Ruprecht A, Kim chanics-Based Conversion of CT Data into Ani- HJ, Kook HK and Chung MK. The three- sotropic Elasticity Tensors, Applied to FE Simu- dimensional microstructure of the trabecular lations of a Mandible. Annals of Biomedical bone in the mandible. Surg. Radiol. Anat., 2004; Engineering. 2008;36(1):108–122. 26;466–473.
3. Rudnyi EB, Van Rietbergen B and Korvik JG. 10. ANSYS 11.0 User’s Manual Effi cient harmonic simulation of a trabecular bone fi nite element model by the means of model 11. Rho JY, Kuhn-Spearing L and Zioupos P. reduction, Proceedings of 12th Workshop „The Mecha nical properties and the hierarchical Finite Element Method in Biomedical Engin e e r ing, struc ture of bone. Medical Engineering & Biomechanics and Related Fields”. University of Physics, 1998;20:92–102. Ulm, July 2005., Proceedings of the 12th FEM Workshop, 61–68. 12. Ashman RB and Rho JY. Elastic modulus of trabecular bone material. Journal of Biome- 4. Van Lenthe GH, Stauber M and Müller R. Speci- chanics, 1988;21(3):177–181. men-specifi c beam models for fast and accurate prediction of human trabecular bone mechanical 13. Turner CH, Rho JY, Takano Y, Tsui TY and properties. Bone, 2006;39:1182–1189. Pharr GM. The elastic properties of trabecular and cortical bone tissues are similar: results 5. Lakatos É, Bojtár I. Stochastically generated fi nite from two microscopic measurement techni- element beam model for dental research. Period- ques. Journal of Biomechanics, 1999;32:437– ica Polytechnica Ser Civ Eng 2009;53(1):3–8. 441.
6. Gibson LJ and Ashby MF. Cellular solids – Struc- 14. Nomura T, Katz JL, Powers MP and Saito C. ture and properties. University Press, Cambridge, A micromechanical elastic property study second ed., 1997. of trabecular bone in the human mandible. J. Mater. Sci.: Mater. Med. 2007;18:629–633. 7. Renders GAP, Mulder L, Van Ruijven LJ and Van Eijden TMGJ. Porosity of human mandibular 15. Kabel J, Van Rietbergen B, Dalstra M, Odgaard A condylar bone. J. Anat., 2007;210(3):239–248. and Huiskes R. The role of an effective isotropic 149 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
tissue modulus in the elastic properties of can- lar bone. Journal of Materials Science: Materials cellous bone. Journal of Biomechanics, 1999; in Medicine, 1998;9:263–267. 32:673–680. 19. O’Mahony AM, Williams JL, Katz JO and 16. Rho JY, Tsui TY and Pharr GM. Elastic proper- Spencer P. Anisotropic elastic properties of can- ties of human cortical and trabecular lamellar cellous bone from a human edentulous mandi- bone measured by nanoindentation. Biomateri- ble. Clinical Oral Implants Research, 2000; als, 1997;18(20):1325–1330. 11(5):415–421.
17. Zysset PK, Guo XE, Hoffl er CE, Moore KE and 20. Divinyi T. Dental implantology (in Hunga rian Goldstein SA. Elastic modulus and hardness of – Fogászati implantológia). Springer Hungarica cortical and trabecular bone lamellae measured Kiadó Kft., 1998. by nanoindentation in the human femur. Jour- nal of Biomechanics, 1999;32:1005–1012. 21. Misch CE. Contemporary Implant Dentistry, Mosby Inc., 3rd ed., 2007. 18. Kang Q, An YH and Friedman RF. Mechanical properties and bone densities of canine trabecu- 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0022 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR
We thank Prof. Tamás Divinyi and Dr. Attila Szűcs from the Faculty of Dentistry, Semmelweis University, Budapest for providing the medical background for the research.
Éva Lakatos Department of Structural Mechanics, Budapest University of Technology and Economics H–1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3.
150 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
MESOPOROUS SILICA-CALCIUM PHOSPHATE COMPOSITES FOR EXPERIMENTAL BONE SUBSTITUTION István Lázár1, Sándor Manó2, Zoltán Jónás2, László Kiss2, István Fábián1, Zoltán Csernátony2 1 University of Debrecen, Department of Inorganic and Analytical Chemistry 2 University of Debrecen, Department of Orthopaedic Surgery lazar@delfi n.unideb.hu
Introduction sue17 and contribute to materials transport. Most recently ordered structure silicas like Artifi cial materials of controled strength, MCM-41 are under investigation in combina- chemical composition and pore structure have tion with polilactic acid or other biopolym ers gained signifi cant attention in the medical as new, high porosity bone substitutes5. practice in the last two decades. Synthetic – A-0052 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR materials used for bone substitution are of Sol-gel technology opened the way to the syn- either inorganic or organic origin. Inorganic thesis of mesoporous silicas that can be used as materials like tricalcium phosphate1,2 and extremely high porosity matrix and excellent hydroxylapatite 3 are preferred nowadays, but drug delivery materials. In combination with other materials such as ceramics and bio- calcium ions containing inorganic materials ceramics4, bioglass5,6, metals with bioactive they may represent the third generation of ceramic surface coating7,8 or calcium sulfate9,10 bone substituent bioceramics18. Based upon are also in active duty. Organic substances, ie. our earlier experiences in aerogel synthesis polylactic acid5, PMMA11, collagen or chito- and supercritical drying technology we have san12,13 are also widely used, most frequently decided to synthesize potentially bioresorbable in combination with one or more of the before- composite materials containing calcium phos- mentioned inorganic fi llers. phate powder and mesoporous silica of con- trolled pore size. Most recently the role of silica in living organisms has been revised and now is con- sidered essential for the development of bone Methods tissues14. Silica containing calcium phosphate have shown osteoinductivity in human osteo- Materials blast cultures in vitro15 and preparations with Tetramethoxysilane (TMOS, 98%) was purc- various silica and calcium phosphate composi- hased from Fluka, microgranular cellu l o se tions are under clinical studies16. from Sigma, methanol (purum), acetone (pu- rum) and ammonia solution (analytical grade, Pore size distribution of bones and artifi cial 25%) from Acidum-2 Kft. (Debrecen, Hun - bone substitute materials are of critical impor- gary), tricalcium phosphate (Ph Eur) from a tance. Natural pores in the 100–1000 μm local phar macy. Triple deionized, membrane region are required for bone tissue ingrowth, and carbon fi ltered water was prepared with a while smaller pores in the 10–100 μm range water station, which was constructed of a high conduct only the unmineralized fi brous tis- capacity double ion exchange battery con- 151 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
nected to a high purity MilliQ instrument. depending on the actual temperature and the Carbon dioxide cylinders were purchased length of ultrasound treatment. The longer from Linde. was the sonication, the shorter was the setting time. (Note that changing of the molar ratios Methods and instrumentation or particle size of the solid components may Plastic molds (approx. 70 mm tall) were lead to too short or too long setting times or to machined from a regular pvc waterwork pipe sedimentation of tricalcium phosphate. Some of 28/32 mm id/od. The inner walls of the experimentation might be necessary to fi nd molds were covered with thin tefl on foil. The the optimal conditions.) bottom of the molds were sealed with multiple layers of parafi lm. Supercritical carbon dioxide Preparation of X1-700 and X1-900 xerogels drying was performed in a custom made 1.5 L Cellulose-tricalcium phosphate alcogel mono- volume stainless steel SCO2 dryer at 70–80 °C. liths were pushed out of the molds with a Heating and sintering of the samples was car- machined plunger and placed into a Petri dish ried out in a 14 L volume WiseTherm rectan- lined with fi ve layers of round fi lter paper. To gular furnace, the temperature accuracy was avoid cracking and ensure uniform drying the 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0052 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR better than –1/+3 °C at 1150 °C. monoliths were surrounded and covered nearly airtight with cylinders made of several layers of Compresive stress of the samples were deter- regular fi lter paper and let to stand and dry mined with a INSTRON 8874 Servohydraulic under a hood for several days. In this period Biaxial Material Testing Machine. Thermo- signifi cant linear shrinking occured, but cracks gravimetric and thermoanalytical measure- did not appear. The resulted gels were dried in ment was carried out with a MOM Derivato- an oven at 100–110 °C for at least one day, graph-C instrument in the 100–1200 °C range. then heated in a furnace at 700 °C for 5 hours Scanning electron microscopic images were to burn out cellulose and reach the fi nal struc- recoreded on a Hitachi S-4300 CFE instru- ture and dimensions (shrinking from 28.0 mm ment. od. to 14.5 mm od. occured). Those xerogels were still fairly fragile and sensitive pieces, Cellulose-tricalcium phosphate alcogel which could be broken easily by bare hands To a vigorously stirred solution of 21.00 mL (Sample X1-700). (21.48 g, 0.1411 mol) of tetramethoxy silane (TMOS), 154 mL (121 g, 3.80 mol) of metha- A X1-700 xerogel monolith was sintered at nol (MeOH), 14,0 mL (14.0 g, 0.77 mol) of 900 °C for 12–24 hours to reach the required water was added 7.00 g of microgranular cel- mechanical strength. It shrinked further to a lulose and 7.00 g of very fi nely powdered tri- fi nal diameter of 10.5 mm, and its strength calcium phosphate. The mixture was sonicated increased so much that it could not be broken in a common laboratory ultrasonic bath for 1- by bare hands any more (Sample X1-900). 2 minutes to evenly disperese the solids, then stirred vigorously meanwhile 35 mL of ammo- Preparation of A1-SC aerogel nium hydroxyde (25 m/m%, 0.47 mol NH3) Water and alcohol content of the alcogel was added in one portion. The homogenous monoliths were replaced with acetone in the mixture was poured rapidly into the plastic following manner. The alcogels were pushed molds, sealed and let to stand at room tem- out of the plastic molds and soaked fi rst in perature for several days. Setting occured pu re methanol, then in methanol-acetone mix- within a few ten seconds to a few minutes, tures (acetone content was increased gradually 152 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám in 25% steps) and in acetone, for one day in ting occured to make a hexagonally ordered each solvent mixtures. Acetone gels were then template. The molds were then sealed and let transfered into the SCO2 dryer under acetone. to age at room temperature for several days. After sealing the reactor body, acetone was (Note that it is quite diffi cult to catch the right drained and fl ushed with liquid carbon diox- moment for casting to prevent rapid sedimen- ide. Remaining acetone entrapped in the the tation of tricalcium phosphate granules, the- gel bodies was expelled by liquid carbon diox- refore preliminary experimentation is recom- ide and formed an immiscible secondary liq- mended. Moderate increase or decrease of the uid phase in the bottom of the reactor. This volume of ammonium hydroxyde may also was drained in several portions in a 4–12 hours be necessary, as the concentration depends on period of time. The system was considered the brand, the temperature and the age of the acetone-free when dry ice collected from the solution.) fl ushing carbon dioxide gave no liquid residue evaporated on a horizontal steel surface. The Preparation of tricalcium-phosphate temperature was then increased to and kept at aerogels A2-SC approximately 60–70 °C for at least one hour, These samples were prepared by the same then the pressure was released in 3–4 hours supercritical drying method as given for A1- – A-0052 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR through a needle valve and a capillary made SC aerogel. From the templated aerogel the of a 100 mm long 1/16” od. 0.005” id. HPLC bamboo sticks could have been pulled out steel tubing. The aerogel samples were remo- without cracking of the monolith and left rect- ved from the reactor and stored either in a angular channels behind. heated cabinet at 110 °C or in sealed vials (Sample A1-SC). Preparation of A2-1000 aerogel A2-SC aerogel samples were sintered at Preparation of A1-1000 aerogel 1000 °C for 6 hours in a furnace. Aerogel sample A1-SC was sintered in a fur- nace at 1000 °C for 6 hours resulting in a sig- nifi cantly shrinked aerogel monolith. Results and discussion
Tricalcium phosphate alcogel Effect of drying technique on gel structures To a vigorously stirred solution of 12.60 mL The alcogel samples were dried by two differ- (12.89 g, 0.085 mol) of TMOS, 92 mL (73 g, ent ways. The fi rst one was ambient drying at 2.27 mol) of MeOH, 8,4 mL (8.4 g, 0.47 mol) room temperature, followed by heating in a of water was added 7.00 g of very fi nely pow- furnace, which gave higher density, signifi - dered tricalcium phosphate. The mixture canly shrinked xerogels X1-700 and X1-900. was sonicated for a short while to evenly dis- The second one was supercritical carbon diox- perese the solids, then stirred very vigorously ide drying resulted in aerogel samples A1-SC meanwhile 21 mL of ammonium hydroxyde and A2-SC, from which samples A1-1000 and (25 m/m%, 0.28 mol NH3) was added in one A2-1000 were prepared by heating at 1000 °C. portion. The homogenous mixture was vigor- Xerogels showed increased pore sizes and loss ously stirred until the viscosity had increased of mesoporosity compared to the correspond- signifi cantly, then poured rapidly into plastic ing aerogel analogs, which was the conse- molds. Bamboo sticks (soaked in methanol quence of shrinking and deterioration of the before, dimensions: 3 mm×3 mm×70 mm) were aerogel structure due to the presence of capil- inserted into one of the monoliths before set- lary forces in the atmospheric drying phase. 153 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
Figure 1. Optical microscopy images of silica-tricalcium phosphate xerogel monolith X1-900 in 16× and 120× magnifi cation, respectively
Figure 1 shows optical microscopic picture large pores behind in the matrix, the pore of the X1-900 monolith. The grainy structure diameters are in the range of approx. 100– 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0052 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR proved to be characteristic to all calcium-phos- 7000 μm, which belongs to the macropore phate powder containing silica composites. region. A2-1000 shows a normal aerogel struc- ture characterized by evenly distributed meso- Structure of aerogel composites pores in the 10–100 μm range. Chemical composition of the aerogel and xerogel samples were identical for all of the Optical microscopic images show the differ- samples as follows (calculated, expressed as ence between the macrostructures of A1-SC oxi des): SiO2 54.3 %, CaO 24.8 %, P2O5 and A2-SC aerogel composites in Figure 3. 20.9%. Cellulose was used as a disposable In sample A1-SC the optical transparency is template material for the creation of pores in much lower and the gel structure seems to be the submicron and microne range and can be more homogeneous then in A2-SC. The dif- burned out at 500 °C. Figure 2 shows the SEM ference is most likely due to the presence of pictures of A1-1000 and A2-1000 aerogels. It cellulose in A1 alcogel in the setting phase. can be seen quite well that burnt cellulose left Cellulose and calcium phosphate together
Figure 2. SEM pictures of composite aerogel samples A1-1000 and A2-1000. Magnifi cation of the left and right pictures are 4k and 12k, respectively 154 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
Figure 3. Microscopic images of aerogels A1-SC (left) and A2-SC (right) in 120× magnifi cation. Aerogel matrix is transparent and almost completely invisible in the right picture (some blueish tint can be observed between the seeds) provided a much higher number of seeds for it can be seen in Figure 4 the linear shrinking crystal forming, while in the A2 alcogel the was moderate until 700 °C (1073 K) and – A-0052 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR relatively large particles of tricalcium phos- became very signifi cant above 800 °C. The vir- phate were present in much less number tual density of the sample decreased a bit at resulting in formation of large condensed par- low temperature due to desorption of adsor bed ticles, which were embedded in and connected solvents and water, then remained nearly by a nearly transparent silica aerogel matrix. unchanged (0,09 g/cm3) between 500 °C and 600 °C and then increased signifi cantly over Sintering, shrinking 800 °C to reach 0.49 g/cm3 value at 1000 °C. Changes of density and length of the aerogel sample A1-SC on heating was studied and the Extended heating of the sample at 12 h/ results are represented in Figure 4. The sample 1000 °C and then 3h/1050 °C resulted in even was heated for 24 hours at each temperature higher densities of 0.75 g/cm3 and 1.04 g/cm3, given, except for 1000 °C and 1050 °C, which respectively. The sample shrinked to 38% of were kept for 3 and 1 hours, respectively. As the original length by reaching 1050 °C.
Figure 4. Change of relative density and length of aerogel monolith A1-SC versus the sintering temperature 155 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
Thermogravimetry analysis slow viscous fl ow) in the aerogel and led to Thermic behaviour of sample A1-700 was the formation of large grains in the micron studied by thermogravimetry/differential ther- range. moanalysis technique. 69 mg amount of aero- gel was tested and the change of weight and Mechanical testing inner temperature was recorded as a function Cylindrical specimens of X1-900 and A2-1000 of time. TG-DTG-DTA curves of sample A1- with known geometry were placed in the ser- 700 can be seen in Figure 5. vohydraulic tester between 2 mm thick hard polypropylene plates. Compressive load vs. At the fi rst part of the DTA curve an endo- compressive extension curves (Figure 6) were thermic change can be observed, which is in recorded by using the 10 kN probe and com- accordance with the loss of weight in the TG pressive stress values were calculated. Com- curve. Both end by approx. 240 °C and the pressive stress of aerogel sample A1-900 has phenomenon corresponds to the desorption of also been determined, but its value was very water. From 240 °C to 975 °C no thermic pro- low (0.28 MPa). This weakening of the aero- cess occured in the gel. At 975 °C an exother- gel composite structure was most likely the 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0052 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR mic coalescence of the fi ne silica matrix has consequence of the presence of large pores and star t ed and fi nished by 1150 °C. This process thin walls that were formed on baking out cel- can be attributed in minor part to the con- lulose from the gel. densation of silanol grups and in major part to the reduction of surface (by melting and The calculated compressive stress values of X1-900 and A2-1000 samples were 18.2 MPa and 35.1 MPa, respectively. These values can be considered fairly promising in the point of view of potential bone substitution, as they reached or exceeded the average strength of natural cancellous bones.
Conclusions
Two drying techniques have been developed for the preparation of tricalcium phosphate Figure 5. TG-DTG-DTA curves of sample A1-700 containing high porosity materials based
Figure 6. Compressive load vs. compressive extension curves of X1-900 (left) and A2-1000 (right) samples 156 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám on silica aerogels or xerogels for artifi cial calcium phosphate-silica aerogel composite bone substitution. Xerogel sample X1-900 was prepared by the sol-gel technology and super- mo re simple to make by ambient drying but cri tical drying have the potential to be used showed somewhat less mechanical strength. as an artifi cial bone substitute. In addition, Silica aerogel A2-1000, which contained evenly the characteristic aerogel pore structure offers distributed tricalcium phosphate particles em- an extra possibility to be used not just as bedded and chemically bonded in silica aero- bone substitute but also as a slow release drug gel showed the highest compressive strength carrier, which might be used for simulta - and reached the strength of cancellous bones. ne o us treatment of bone infections or other Based upon our experimental data, this tri- dise a ses.
REFERENCES
1. Kamitakahara M, Ohtsuki C, Oishi M, Ogata S, 7. Liu X, Morra M, Carpi A, Li B. Bioactive cal- Miyazaki T, Tanihara M. Preparation of porous cium silicate ceramics and coatings. Biomedi-
biphasic tricalcium phosphate and its in vivo cine & Pharmacotherapy 2008;62:526–529. – A-0052 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR behavior. Key Engineering Materials 2005;284– 286, 281–284. 8. Meretoja VV, De Ruijter AE, Peltola TO, Jansen JA, Naerhi TO. Osteoblast Differentiation with 2. Li P, Zhang K, Colwell CW Jr. Experimental Titania and Titania-Silica-Coated Titanium Study on the Osteoinduction of Calcium Phos- Fiber Meshes. Tissue Engineering 2005;11:1489– phate Biomaterials In Vivo and the Capability 1497. of Supporting Osteoblast Proliferation In Vitro. Key Engineering Materials 2005;284–286, 293– 9. Gisep A, Rahn B. Calcium-Phosphate – Cal- 296. cium-Sulphate Bone Cements. Structure and Compression Strength after Setting. European 3. Gerber T. Production of highly porous ceramics Cells and Materials 2004;7(Suppl. 2):34–35. for artifi cial bone. DE 19825419, 19991209, 1999. 10. Guo H, Wei J, Liu CS. Development of a degrad- able cement of calcium phosphate and calcium 4. Chevalier J, Gremillard L. Ceramics for medical sulfate composite for bone reconstruction. Bio- applications: A picture for the next 20 years. Jour- medical Materials 2006;1:193–197. nal of the European Ceramic Society 2009;29: 1245–1255. 11. Shinzato S, Kobayashi M, Mousa WF, Kamimura M, Neo M, Kitamura Y, Kokubo T, Nakamura T. 5. Korventausta J, Rosling A, Andersson J, Lind A, Bioactive polymethyl methacrylate-based bone Linden M, Jokinen M, Yli-Urpo A. Bioactive glass cement: comparison of glass beads, apatite- and (S53P4) and mesoporous MCM-41-type SiO2 wollastonite containing glass-ceramic, and hyd- adjusting in vitro bioactivity of porous PDLLA. roxyapatite fi llers on mechanical and biologi c al Key Engineering Materials 2004;254–256, 557– properties. Journal of Biomedical Materials 560. Research 2000;51:258–272.
6. Ohtsuki C, Kamitakahara M, Miyazaki T. Bioac- 12. Lee E-J, Shin D-S, Kim H-E, Kim H-W, tive ceramic-based materials with designed reac- Koh Y-H, Jang J-H. Membrane of hybrid chito- tivity for bone tissue regeneration. Journal of the san-silica xerogel for guided bone regeneration. Royal Society Interface 2009;6:S349–S360. Biomaterials 2009;30(5):743–750.
157 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
13. Muzzarelli RAA. Chitins and chitosans for the 16. Bienengraeber V, Gerber T, Trykova T, Kundt G, repair of wounded skin, nerve, cartilage and Henkel K-O. A new high porous silica-sol-gel- bone. Carbohydrate Polymers 2009;76:167–182. ceramics for bone grafting – in-vivo long-time investigations. Materialwissenschaft und Werk- 14. Martin KR. The chemistry of silica and its stofftechnik 2004;35(4):234–239. potential health benefi ts. Journal of Nutrition, Health & Aging 2007;11(2):94–98. 17. Karageorgiou V, Kaplan D. Porosity of 3D bio- material scaffolds and osteogenesis. Biomateri- 15. Phan PV, Grzanna M, Chu J, Polotsky A, als 2005;26:5474–5491. El-ghannam A, Van Heerden D, Hungerford DS, Frondoza CG. The effect of silica-containing 18. Izquierdo-Barba I, Colilla M, Vallet-Regi M. calcium-phosphate particles on human osteo- Nanostructured Mesoporous Silicas for Bone blasts in vitro. Journal of Biomedical Materials Tissue Regeneration. Journal of Nanomaterials Research, Part A 2003;67A(3):1001–1008. 2008, 2008, Article ID 106970.
Financial support from the Hungarian Research Fund (OTKA 76834) is gratefuly acknowledged. 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0052 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR The authors would like to express their thank to Lajos Daróczi (Department of Solid State Physics) and István Papp (Department of Mineralogy and Geology) for their kind help in electron micros- copy and thermogravimetric examinations.
István Lázár University of Debrecen, Department of Inorganic and Analytical Chemistry H–4032 Debrecen, Egyetem tér 1.
158 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
FUSION OF VIDEO AND MOTION DATA: ENGINEERING TASKS AND CLINICAL APPLICABILITY Ferenc Pongrácz NKTH, Budapest [email protected]
Abstract Status of a new project – focusing on technical aspects of fusion of live video and data from optical motion tracking – is summarized. Also, the signifi cance of development in two areas is marked out: (1) in clinical fi eld of endoscopic surgeries as demonstrating and training tool; (2) in biomechanical research for accurate detection of human motion curves.
Keywords: video tracking, motion data fusion, endoscope, movement analysis 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0003 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR Introduction ning with imaging data (CT, MR), the client observers follow in real-time the trajectory of The idea of representing video image and endoscope and identify the critical anatomical captured motion data in a common reference parts. frame is not new1,2,3,6 but, because of many application areas and latest achievements in Another important area of fused (conventio- technology, it’s worth to give attention to re- nal) video and motion data is closely related lated technical and clinical aspects. to biomechanical research. Reconstruction of 3D human movement is diffi cult if predefi ned As an important application, this article gives graphical models are supposed to match bone an introduction of tools for training and dem- movements during gait analysis or study of onstrations in endoscopic surgery. These goals any pathologic motion4,5,9. Correction of geo- can be reached by integrating endoscopic vid- metrical axes or use of constraints in model- eo into surgical navigation environment and ing after experiments makes the interpreta- performing motion tracking of surgical de- tion of motion diagrams almost impossible12. vices and endoscope. In future extension, for Introduction of 3D registered video and fused internet-based training and demonstrations, a motion data from bone sensors helps a lot in special network transfer can be developed for testing kinematical models. The misalign- transmitting live video with surgical planning ment of graphical models can be visualized and motion data. The education of surgical and compared to real anatomy on video screen skills is a common problem in endoscopic sur- using different camera positions. On screen gery7 that supports the proposed project plan8. editing is possible in live and playback modes. Personal communications with head physi- After involving and registering diagnostic vol- cians in local hospitals confi rm that, inexpe- ume (CT, MR volumetric models or planar X- rienced intervention frequently rearranges the Rays) to tracker’s space, the accuracy of kine- anatomical structures during ENT (Ear Nose matical models – during video screen editing – and Throat) surgeries that can cause large ob- can be easily tested even on static diagnostic stacles in acute cases. In case of surgical plan- data. 201 Biomechanica Hungarica III. évfolyam, 1. szám
Methods In case of ideal radial distortion (for many en- doscopes) distortion equations (1, 2) can be Video calibration modifi ed:
Positioning of video frame into 3D navigation ′ (8) 2 3 environment is performed by registration of = 0 + 1 + 2 + 3 camera space to the space of motion tracking where is the radial distance on undistorted
device. This is possible between 3D orthogo- plane and ′ is the estimated distance after dis- nal coordinate spaces; therefore it has to be tortion. In this case the error between the ob- preceded by conversion of visible (usually dis- served (( ) and calculated (( ′) values:
torted) image plane into an undistorted image ) plane. This step is named as calibration pro- (9) 2 cedure which means calculation of transform = ‖ − ‖ between the distorted and undistorted image where P contains the ideal image coordinates: planes. Distortion parameters are given by11:
2 3 ′ 1 1 1 4. MAGYAR BIOMECHANIKAI KONFERENCIA – A-0003 BIOMECHANIKAI KONFERENCIA 4. MAGYAR (1) 1 2 3 (10) 2 2 ⎡ 2 2 2 ⎤ 0 1 2 3 4 5 ⎢ 1 ⎥ ′ = + + + + + (2) = ⎢⋯⋯2 ⋯3 ⋯⎥ −1 −1 −1 2 2 1 0 1 2 3 4 5 ⎢ 2 3 ⎥ = + + + + + where are the coordinates on undistorted ⎣ 1 ⎦ (11)
0 1 2 3 (ideal) image, plane and) are the calculated = [ ] values. Undistorted image plane is a calibra- (4) and (9) can be optimized by statistical tion grid containing large number of markers. methods. Vectors (6, 7) and (11) can be cal- Error function between observed ( ′ ′) and culated by SVD11 (singular value decomposi-
calculated coordinate ( , tion) which accurately estimates video distor- tions for both conventional and endoscopic ′ ′ (3) 2 2 cameras: in=( vector − ) form:+( − ) (12) (4) − 2 2 = ( ) where= ‖ − ‖ are+ ‖the − vectors‖ which are from dis- (13) − torted image , plane. P represents the matrix = ( ) which is set from values of ideal undistorted (14) − image plane (calibration grid): = ( ) Target positions marked out on video image should be also transformed back to the track- 2 2 1 1 1 1 1 1 1 2 2 (5) er’s reference space or diagnostic volume. It’s ⎡ 2 2 2 2 2 2 ⎤ ⎢ 1 ⎥ possible if the inverse of distorting equations = ⎢⋯⋯ ⋯2 ⋯ ⋯2 ⋯⎥ −1 −1 −1 −1 −1 −1 ⎢ 1 2 2 ⎥ (1)(2)(8) are known. This calculation is dif- ⎣ 1 ⎦ fi cult from the results of fi rst, “distorter” step Distortion parameters if both coordinates and only numerically possible. Therefore an- are involved: other approach is proposed. According to it, the (6) inverted parameters are calculated in the same
0 1 2 3 4 5 way as the forward values but with different as- = [ ] (7) signments. The input coordinates or distances