Loading...

Design of a Novel Loading Mechanism for in Vitro Spine Testing

Sharif, Mohammad Reza | 2012

2534 Viewed
  1. Type of Document: M.Sc. Thesis
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 44461 (08)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Mechanical Engineering
  6. Advisor(s): Parnianpour, Mohamad; Narimani, Roya
  7. Abstract:
  8. In this project, we use a novel mechanism to control the lumbar rotational profile and also the disc pressure of L3/L4 and L4/L5. Spine, as one of the most important parts of human musculoskeletal system, helps human beings to walk on two feet without much energy consumption. Any problem in this part may cause moving disorders or pain. To heal severe spine disorders, many different methods like surgery and implantation are adopted. To be sure of proper functionality in the human body, these methods should be tested clinically in advance. Cadaver spine testing in vitro, is accepted as a gold standard to evaluate new methods. One of the main challenges facing spine in vitro tests is how to reconstruct in the lab, the complex loading pattern in one’s body. Pure moment is the most important method of spine loading in vitro. But because of its disadvantages, i.e. incorrect intradiscal pressure, intervertebral rotation and instability, revising this method has been considered for at least the last 15 years. A follower load – a load which follows the spine curvature in order to remain perpendicular on all vertebrae - method has been proposed as a modification to solve for some of its problems, i.e. instability. However, even in follower load method the intervertebral rotation and intradiscal pressure are not similar to what happens in one’s body. So any method which can provide us true intervertebral rotation and intradiscal pressure has a great contribution to in vitro tests. In this project we develop almost conceptually a cable mechanism to help us control intervertebral rotations and intradiscal pressures of L3/L4 and L4/L5 to match measured data in vivo. Accordingly a simplified model of lumbar (L1/S1) has been constructed using MSC.Adams. Solving for inverse kinematics and equilibrium equations of the mechanism, the model is fed feed-forward control commands using Matlab. Simulation results were used to evaluate the suggested mechanism. Many different loading configurations were considered in this project whose results are reported. Also a modification for follower load method has been proposed. Our results show the capability of the suggested mechanism to control not only the intervertebral rotations, but also the intradiscal pressures, however, using a follower load beside this mechanism, helps to reduce cable forces
  9. Keywords:
  10. Lumbar Spine Portion ; Load Simulation ; Follower Load ; Cable Mechanism ; Physiologic Loading

 Digital Object List

 Bookmark

  • طراحی نظری مکانیزم اعمال نیرو بر ستون فقرات در تست‌های in vitro
    • گواهی صحت و اصالت پایان‌نامه
    • تقدیر و تشکر
  • چکیده
  • فهرست
    • فهرست جداول
    • فهرست اشکال
  • 1. مقدمه
    • 1-1. پیش‌زمینه و اهمیت موضوع
    • 1-2. اهداف پژوهشی
    • 1-3. ساختار گزارش
  • 2. مفاهیم پایه
    • 2-1. آناتومی ستون مهره
      • 2-1-1. مهره
      • 2-1-2. دیسک بین مهره‌ای
      • 2-1-3. لیگامان‌ها
      • 2-1-4. ماهیچه‌ها
    • 2-2. مکانیک ستون مهره
      • 2-2-1. سینماتیک ستون فقرات
        • 2-2-1-1. درجات آزادی
        • 2-2-1-2. توصیف دوران مهرهها نسبت به هم
        • 2-2-1-3. محور آنی دوران
        • 2-2-1-4. محور مارپیچی دوران
      • 2-2-2. پایداری ستون فقرات
        • 2-2-2-1. سامانه غیرفعال
        • 2-2-2-2. سامانه فعال
        • 2-2-2-3. سامانه کنترل و هدایت عصبی
    • 2-3. تست‌های in vitro
      • 2-3-1. هدف از تست‌های in vitro
      • 2-3-2. تجهیزات تست in vitro
        • 2-3-2-1. دستگاه شبیهساز بار روی ستون فقرات
        • 2-3-2-2. سیستم اندازه‌گیری حرکت
        • 2-3-2-3. سایر ادوات اندازه‌گیری
      • 2-3-3. نمونه‌ها
        • 2-3-3-1. نمونه جدا شده از جسد انسان
        • 2-3-3-2. معاینه نمونه‌ها
        • 2-3-3-3. نمونه‌های جدا شده از جسد سایر حیوانات
        • 2-3-3-4. اصول تعامل با نمونهها
          • اصول ایمنی
          • اصول نگاه‌داری
          • آماده‌سازی
        • 2-3-3-5. طول نمونه‌ها
        • 2-3-3-6. ایجاد نقص
      • 2-3-4. شرایط آزمایش
        • 2-3-4-1. مدت آزمایش
        • 2-3-4-2. دمای آزمایش
        • 2-3-4-3. شرایط رطوبت
        • 2-3-4-4. نرخ بارگذاری
      • 2-3-5. طراحی آزمایش
        • 2-3-5-1. تعیین پروتکل بارگذاری
        • 2-3-5-2. توصیههایی برای طراحی پروتکل
          • آزمایش نمونه‌های سالم (دست نخورده)
          • آزمایش نمونه‌ها بعد از ایجاد جراحت
          • ترتیب آزمایش ایمپلنتها
          • تعداد نمونه‌ها
      • 2-3-6. انجام آزمایش
        • 2-3-6-1. آزمایش مقدماتی
        • 2-3-6-2. نصب نمونهها روی دستگاه
        • 2-3-6-3. پیش بارگذاری روی نمونهها
        • 2-3-6-4. بارگذاری روی نمونهها
        • 2-3-6-5. تعریف پروتکل
        • 2-3-6-6. کالیبراسیون
      • 2-3-7. آنالیز داده‌ها
        • 2-3-7-1. حرکت نسبی مهرهها
        • 2-3-7-2. پارامترهای بیومکانیکی
        • 2-3-7-3. بررسی آماری
        • 2-3-7-4. ارائه نتایج
      • 2-3-8. تنظیم گزارش
  • 3. مروری بر ادبیات
    • 3-1. مقدمه
    • 3-2. پروتکل‌های بارگذاری از نظر ترکیب نیرویی
      • 3-2-1. ممان خالص
      • 3-2-2. ممان خالص + نماینده نیروی ماهیچه‌ها
        • 3-2-2-1. در نظر گرفتن اثر ماهیچهها به صورت نیروی ثابت به همراه اعمال ممان از بالا
        • 3-2-2-2. اعمال نیروی ماهیچه به صورت کنترل شده
      • 3-2-3. ممان خالص + نیروی دنباله‌رو
        • 3-2-3-1. بررسی اثر نیروی دنبالهرو بر ستون فقرات
        • 3-2-3-2. بررسی نحوه اعمال نیروی دنبالهرو
      • 3-2-4. سایر روش‌ها
      • 3-2-5. مقایسه روش‌ها
    • 3-3. پروتکل‌های بارگذاری از نظر روش کنترلی
      • 3-3-1. روش نیرو-کنترل
      • 3-3-2. روش جابجایی-کنترل
      • 3-3-3. روش هیبریدی
        • 3-3-3-1. روش هیبریدی به معنای اول
        • 3-3-3-2. روش هیبریدی به معنای دوم
      • 3-3-4. سایر روش‌ها
    • 3-4. داده‌های اندازه‌گیری شده موجود در ادبیات
    • 3-5. جمع‌بندی
  • 4. ساخت مدل ستون فقرات کمری
    • 4-1. جزئیات مدل در نرم‌افزار Adams
      • 4-1-1. مقدمه
      • 4-1-2. مدلسازی مهره‌ها و دیسک‌ها
      • 4-1-3. مدل‌سازی سختی بافت‌های غیرفعال
        • 4-1-3-1. پیش‌بینی تأثیر نیروی فشاری بر سخت‌شوندگی دیسک
        • 4-1-3-2. بدست آوردن رفتار دیسکها نسبت به فشار در جهات مختلف حرکت
        • 4-1-3-3. درون‌یابی دو-بعدی جهت استخراج داده‌ها در فشار و چرخش مورد نظر
        • 4-1-3-4. مدل‌سازی رابطه فشار-جابجایی در دیسک‌ها
        • 4-1-3-5. مدلسازی حرکت برشی در دیسکها
      • 4-1-4. مدل‌سازی نیروی دنباله‌رو
    • 4-2. صحت‌سنجی
      • 4-2-1. مقایسه خروجی مدل با داده‌های مرجع
  • 5. مکانیزم بارگذاری پیشنهادی و کنترل آن
    • 5-1. بحث در مورد مکانیزم پیشنهادی
    • 5-2. معرفی مکانیزم پیشنهادی
    • 5-3. سینماتیک معکوس
    • 5-4. تعادل شبه استاتیکی
      • 5-4-1. معادلات تعادل
    • 5-5. مدل‌سازی مکانیزم پیشنهادی
      • 5-5-1. مدل‌سازی کابل‌های اعمال نیرو در نرم‌افزار Adams
      • 5-5-2. کنترل کابل‌ها به کمک نرم‌افزار Matlab
        • 5-5-2-1. ورودیها و خروجیهای مدل
        • 5-5-2-2. کنترل مدل به کمک Matlab>Simulink
    • 5-6. نتایج و بررسی عملکرد مکانیزم پیشنهادی
      • 5-6-1. تعقیب پروفیل مکانی بدون توجه به فشار درون دیسک
      • 5-6-2. تعقیب پروفیل مکانی با توجه به فشار درون دیسک اما بدون نیروی دنباله‌رو
      • 5-6-3. تعقیب پروفیل مکانی با توجه به فشار درون دیسک و نیروی دنباله‌رو در سطح L1
      • 5-6-4. تعقیب پروفیل مکانی با توجه به فشار درون دیسک و نیروی دنباله‌رو در سطح L1 و L4
  • 6. دیگر نتایج بررسی مکانیزم
    • 6-1. اثر جراحت بر روی دیسک‌ها بر مقادیر نیرو و ممان مکانیزم
      • 6-1-1. اثر جراحت به صورت کاهش 50 درصدی سختی دیسک L4/L5
      • 6-1-2. اثر تثبیت‌کننده به صورت افزایش 50 درصدی سختی دیسک L4/L5
    • 6-2. شبیه‌سازی حرکات پایه‌ای دوران محوری
    • 6-3. تأثیر آرایش اتصال کابل‌ها به مهره‌ها و زمین
    • 6-4. شبیه‌سازی اثر وزن بر نمونه به کمک مکانیزم پیشنهادی
  • 7. بحث
    • 7-1. بحث بر نتایج
      • 7-1-1. مزایای مکانیزم پیشنهادی
      • 7-1-2. محدودیت‌های مکانیزم‌های پیشنهادی
      • 7-1-3. محدودیت‌های روش تحقیق
    • 7-2. نتیجه‌گیری کلی از پروژه
    • 7-3. ادامه پروژه در آینده
      • 7-3-1. تکمیل مدل و برطرف کردن نواقص آن
      • 7-3-2. طراحی کنترلر مدار-بسته
      • 7-3-3. ساخت مکانیزم پیشنهادی و بررسی آن در عمل
  • منابع و مراجع
  • ضمائم
    • ‌أ. معادلات پیش‌بینی کننده خواص دیسک‌ها
    • ‌ب. نمودار خواص پیش‌بینی شده دیسک‌ها
    • ‌ج. خواص برشی دیسک‌ها
  • Design of a Novel Loading Mechanism for in Vitro Spine Testing
    • Clarification
  • Abstract
...see more