Loading...

A Detailed Finite Element Model of the Lumbar Spine under Muscle Forces

Asadi, Hamed | 2015

851 Viewed
  1. Type of Document: M.Sc. Thesis
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 48189 (08)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Mechanical Engineering
  6. Advisor(s): Arjmand, Navid
  7. Abstract:
  8. Etiological studies proves the fact that Low Back Pain (LBP) is one of the most expensive and prevalent desease all over the world. This fact illustrates the reqiurment of the special effort in ordet to reducing the pain due to this problem. Finite element modeling of human spine is one the suitable methods to simulate the behavior of human spine in different loading conditions. These conditions could be different daily occupational tasks. There is two general viewpoint toward finite element modeling of human spine. The fisrt method focuses on the detailed geometry and mechanical properties of spine, while the other complexities such as detailed muscle forces are overlooked. The latter focuses on the detailed loading in different occupational tasks while the geometry of lumbar spine is considered too simple. For instance, different motion segments are considered as three dimentional beams with nonlinear mechanical properties. By considering this two general methods, generating a model with an exhaustive geomrtry and a detailed muscle forces could be a novel model. The main purpose of this project is simulating a detailed finite element model of human spine by considering detailed muscle forces. Firstly, the passive model of human spine with comlex geometry and mechanical properties is generated in ABAQUS software. After simulating the passive model, the detailed muscle forces are assigned to the model. The results had a great matching with previous simulations in literature and reported experimental data. After simulating the passive model, distinct occupational tasks are studied by considering the detailed muscle. The results prove the fact that there is a great correlation between intervertebral rotations, muscle forces in each level, contacts’ forces and intradiscal pressure in each level. Generally, intradiscal pressure will decrease in the conditions were the contact forces are increased. Additionally, the equivalent muscle forces in the upper surface of each motion segment, plays an important role in the amount of intradiscal pressure.
  9. Keywords:
  10. Biomechanical Models ; Musculoskeletal Modeling ; Finite Element Modeling ; Lumbar Spine Portion

 Digital Object List

 Bookmark

  • 1 فصل اول مقدمه مقدمه
  • 1 فصل اول مقدمه مقدمه
    • 1.1 اهمیت و کاربرد موضوع
    • 1.2 اهداف پژوهش
    • 1.3 ساختار گزارش
  • 2 فصل دوم مفاهیم پایه مفاهیم پایه
    • 2.1 آناتومی ستون مهره‏ها
      • 2.1.1 آناتومی مهره‏ها
      • 2.1.2 آناتومی دیسک
        • 2.1.2.1 خواص مکانیکی دیسک
      • 2.1.3 مشخصات فیزیکی لیگامنت‏ها
    • 2.2 بیومکانیک عضله‏ها ستون فقرات
      • 2.2.1 عضله‏ها عمومی کمری
      • 2.2.2 عضله‏ها محلی کمری
      • 2.2.3 عضله‏ها شکمی
    • 2.3 مدل‏سازی المان محدود
    • 2.4 مدل‏سازی المان محدود ستون مهره‏ها
      • 2.4.1 مدل‏سازی ستون‏مهره‏ها به صورت غیرفعال
      • 2.4.2 مدل‏سازی اسکلتی عضلانی ستون‏مهره‏ها
    • 2.5 اعتبارسنجی مدل‏های المان محدود ستون مهره‏ها
      • 2.5.1 اعتبارسنجی کد
      • 2.5.2 صحت‏سنجی مدل
      • 2.5.3 اعتبارسنجی مدل
      • 2.5.4 بررسی حساسیت
  • 3 فصل سوم مرور ادبیات موضوعی مرور ادبیات موضوعی
    • 3.1 مدل‏های المان محدود ستون‏مهره‏ها
      • 3.1.1 مدل‏سازی المان محدود ستون مهره‏ها
      • 3.1.2 مدل‌سازی المان محدود پارامتریک ستون‏مهره‌ها
    • 3.2 مدل‏های اسکلتی عضلانی
      • 3.2.1 مدل‌های تک عضله‌ای
      • 3.2.2 مدل‌های چند عضله‌ای
        • 3.2.2.1 روش‌های بهینه‌سازی
        • 3.2.2.2 مدل‏های بیومکانیکی بر پایه ای‏ام‏جی
      • 3.2.3 مدل‌های المان محدود
    • 3.3 مطالعات آزمایشگاهی
      • 3.3.1 مطالعات آزمایشگاهی روی جسد
      • 3.3.2 مطالعات آزمایشگاهی روی انسان زنده
      • 3.3.3 مشخصات مکانیکی بافت‏ها
    • 3.4 نتیجه‏گیری
  • 4 فصل چهارم روش شبیه‏سازی روش شبیه‏سازی
    • 4.1 ‏مدل‏سازی بخش‏های مختلف ستون مهره‏ها
      • 4.1.1 مقدمه
      • 4.1.2 ویژگی‏های مواد استفاده شده
      • 4.1.3 مدل‏سازی لیگامنت‏ها
      • 4.1.4 مدل‏سازی مهره‏ها
      • 4.1.5 مدل‏سازی دیسک‏ها
        • 4.1.5.1 مدل‏سازی ماده زمینه دیسک
        • 4.1.5.2 مدل‏سازی صفحات انتهایی دیسک‏ها
        • 4.1.5.3 مدل‏سازی لایه‏های کولاژن
      • 4.1.6 مدل‏سازی هسته دیسک
      • 4.1.7 مدل‏سازی زواید مفصلی
    • 4.2 شبیه‏سازی ستون‏مهره‏ها به صورت غیرفعال
      • 4.2.1 مقدمه
      • 4.2.2 شرایط مرزی و بارگذاری
      • 4.2.3 مطالعات مورد بررسی
    • 4.3 شبیه‏سازی ستون‏مهره‏ها با در نظر گرفتن نیروهای عضله‏ها
      • 4.3.1 مقدمه
      • 4.3.2 اضافه نمودن جزء حرکتی T12-L1
        • 4.3.2.1 صحت‏سنجی مدل T12-S1
        • 4.3.2.2 مقایسه مدل غیرفعال T12-S1 با حالت غیرفعال مدل اسکلتی عضلانی
      • 4.3.3 شرایط مرزی و بارگذاری
        • 4.3.3.1 در نظر گرفتن نیروی وزن بالاتنه
      • 4.3.4 فعالیت‏های مورد بررسی
  • 5 فصل پنجم نتایج شبیه‏سازی و صحت‏سنجی نتایج شبیه‏سازی و صحت‏سنجی
    • 5.1 ‏نتایج شبیه‏سازی ستون‏مهره‏ها به صورت غیرفعال
      • 5.1.1 مقدمه
      • 5.1.2 خم شدن به جلو
      • 5.1.3 خم شدن به عقب
      • 5.1.4 چرخش محوری
      • 5.1.5 خم شدن به طرفین
      • 5.1.6 مقایسه نیروی زواید مفصلی
      • 5.1.7 تغییرات حجم و فشار داخلی هسته دیسک‏ها
      • 5.1.8 مقایسه محدوده حرکتی مدل با سایر مطالعات آزمایشگاهی ارائه شده
      • 5.1.9 شبیه‏سازی غیرفعال مدل T12-S1
      • 5.1.10 مقایسه مدل T12-S1 و مدل اسکلتی عضلانی در حالت غیرفعال
    • 5.2 شبیه‏سازی ستون‏مهره‏ها با در نظر گرفتن نیروهای عضله‏ها
      • 5.2.1 مقدمه
      • 5.2.2 ایستادن بدون گرفتن بار در دست
      • 5.2.3 ایستادن همراه با گرفتن بار در دست در فاصله نزدیک
      • 5.2.4 ایستادن همراه با گرفتن بار در دست در فاصله دور
  • 6 فصل ششم بحث و نتیجه‏گیری بحث و نتیجه‏گیری
    • 6.1 ‏مقدمه
    • 6.2 تحلیل نتایج مربوط به شبیه‏سازی مدل غیرفعال
      • 6.2.1 محدوده حرکتی
      • 6.2.2 نیروی زواید مفصلی
      • 6.2.3 فشار داخل هسته دیسک
    • 6.3 تحلیل نتایج مدل ستون مهره‏ها با در نظر گرفتن نیروهای عضله‏ها
      • 6.3.1 مقایسه مدل‏های غیرفعال المان محدود دقیق و مدل اسکلتی عضلانی
      • 6.3.2 نتایج مدل دارای نیروهای عضله‏ها در فعالیت‏های فیزیکی مختلف
    • 6.4 جمع‏بندی
    • 6.5 محدودیت‏های پژوهش انجام گرفته
    • 6.6 پیشنهاد پژوهشی
  • 7 منابع و مراجع
...see more