DYNAMICZNY MODEL ODCINKA LĘDŹWIOWEGO KRĘGOSŁUPA

Kamil JOSZKO, Marek GZIK, Wojciech WOLAŃSKI, Bożena GZIK-ZROSKA ,
atedra Biomechatroniki, Politechnika Śląska, Zabrze
Jerzy PIENIĄŻEK, Oddział Neurochirurgii i Neurotraumatologii, Wojewódzki Szpital
Specjalistyczny nr 4, Bytom
DYNAMICZNY MODEL ODCINKA LĘDŹWIOWEGO KRĘGOSŁUPA
CZŁOWIEKA W PRZYPADKU TYLNEJ STABILIZACJI.
THE DYNAMIC MODEL OF THE HUMAN LUMBAR SPINE IN
THE CASE OF POSTERIOR STABILIZATION
Słowa kluczowe: Biomechanika, modelowanie struktur kręgosłupa.
1. WSTĘP
Pomimo wielu badań poświęconych przyczynom schorzeń kręgosłupa, wiedza
o przyczynach oraz skutkach kręgozmyku jest niepełna. Urazy odcinka lędźwiowego, takie jak
złamania łuków kręgu, ze-rwanie więzadeł, prowadzą bardzo często do utraty stabilności
kręgosłupa, co w konsekwencji może być przyczyną powstania translacji w segmentach
ruchowych. Kręgozmyk polega na przemieszczeniu kolumny górnych kręgów względem
kręgu niższego. Problem ten dotyczy odcinka lędźwiowego w większości przypadków,
występuje na poziomie L5-S1, rzadziej na poziomie L4-L5 i L3-L4. Najczęściej występujące
rodzaje kręgozmyku: wrodzony (niedorozwój łuków i stawów kręgu), cieśni (defekt dotyczy
części międzywyrostkowej łuku tzw. węziny), zwyrodnieniowy (dotyczy zwyrodnienia krążka
międzykręgowego z towarzyszącymi zmianami w stawach międzywyrostkowych, nie dochodzi
do złamania łuku kręgu, przemieszczeniu ulega cały kręg), urazowy (złamanie w obrębie
wyrostków stawowych lub nasady łuków), patologiczny (powstaje na skutek zmian wtórnych
towarzyszących chorobom). Występujące dolegliwości najczęściej są związane z drażnieniem i
później uszkodzeniem układu nerwowego lub patologią struktur stawu kręgowego [1,2].
Schorzenia kręgosłupa to aktualny oraz pogłębiający się problem szczególnie w związku z
rozwojem cywilizacyjnym oraz starzejącym się społeczeństwem. Skuteczność metod leczenia
pozostaje w ścisłym związku z wiedzą na temat zjawisk biomechanicznych zachodzących
w kręgosłupie w warunkach fizjologicznych oraz po ingerencji medycznej. Dotyczy to
w szczególności metod chirurgicznego leczenia wad kręgosłupa związanych ze zmianami
pourazowymi oraz zwyrodnieniami. Badania modelowe układu ruchu człowieka są jedną
z rozwijających się dynamicznie dziedzin biomechaniki. Umożliwiają lepsze poznanie
parametrów kinematycznych i dynamicznych, a także określenie warunków powstania urazów
i różnego rodzaju patologii [3,4].
W niniejszym opracowaniu przedstawiono badania kręgosłupa lędźwiowego prowadzone
z wykorzystaniem metody Multibody. Do sformułowania modelu oraz analizy dynamicznej
wykorzystano oprogramowanie MADYMO, które posiada biblioteki danych
antropometrycznych ciała człowieka, które znacznie upraszczają proces modelowania.
Opracowany model odzwierciedla geometrię kręgów, ponadto uwzględnia dyski, stawy
XI Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej
s. 48
międzykręgowe oraz aparat więzadłowy. Model został zweryfikowany w oparciu o dane
literaturowe zakresów ruchomości oraz sztywności kręgosłupa lędźwiowego.
2. OPRACOWANIE MODELU NUMERYCZNEGO
2.1. Model kręgu
Do analizy zachowania się kręgów lędźwiowych w sytuacjach analogicznych do
codziennego fizjologicznego funkcjonowania przyjęto modele kręgów w postaci brył
sztywnych o sześciu stopniach swobody, który położenie uzależnione jest od więzadeł,
krążków międzykręgowych oraz powierzchni stawowych. Geometria poszczególnych kręgów
została opracowana w oparciu o badania tomografii komputerowej wykonywanej rutynowo
w praktyce medycznej. Dzięki wykorzystaniu specjalistycznego oprogramowania MIMICS do
obróbki i modyfikacji plików w postaci skanów TK lub MRI, obrazów, plików STL, plików
CAD i innych. Budowę modeli numerycznych poszczególnych kręgów rozpoczęto od importu
zdjęć tomografii komputerowej do oprogramowania MIMICS, gdzie przygotowano ich
geometrię wraz z kością krzyżową (rys. 1).
Rys. 1. Model kręgu w oprogramowaniu Madymo
PODZIĘKOWANIA
Praca naukowa finansowana ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w
ramach projektu badawczego nr. NN518284840.
LITERATURA
[1] Tejszerska D., Świtoński E., Gzik M.: Biomechanika narządu ruchu człowieka. Wyd.1.
Instytut Technologii Eksploatacji - PIB, Radom, 2011
[2] Rohlmann A., Neller S., Claes L., Bergmann G., Wilke H.: Influence of a follower load on
intradiscal pressure and intersegmental rotation of the lumbar spine. Spine 26, s. 557–561.
[3] Gzik M.: Analysis of neck muscles influence on cervical spine loading conditions during
daily activity, world congress medical physics and biomedical engineering, Ifmbe
proceedings, Springer, vol. 25, s. 121-124, Munich, 2009
[4] Gzik M., Wolański W., Tejszerska D.: Experimental determination of cervical spine
mechanical properties, Acta of bioengineering and biomechanics, s. 1-8, Wrocław, 2008