بررسي پاسخ وابسته به زمان ديسك‌هاي بين مهره‌اي سالم و دژنره‌شده‌ي ناحيه‌ي گردني با استفاده از مدل پوروويسكوالاستيك و داده‌هاي تست تجربي ريلكسيشن

Assessing Time-Dependent Response of Intact and Degenerated Cervical Intervertebral Discs by Employing a Poroviscoelastic Model based on Experimental Relaxation Data

در ستون فقرات، ديسك‌هاي بين مهره­اي نقش انعطاف­پذيري، انتقال بار و استهلاك انرژي در ضربات ناشي از بارگذاري را بر عهده دارند. افزايش سن و اعمال بارگذاري­هاي نامناسب منجر به انحطاط (دژنره شدن) ديسك­هاي بين مهره­اي مي­شود. بررسي پارامترهاي بيومكانيكي ديسك سالم و دژنره‌شده در سطوح مختلف جهت كشف مكانيزم­هاي مربوط به دژنره شدن ديسك و يافتن راه‌كارهاي درماني موثر از اهميت بالايي برخوردار است. در اين پژوهش، يك ديسك بين مهره­اي ناحيه‌ي گردني ستون فقرات به همراه دو مهره‌ي مجاور آن (C5 و C6) با استفاده از روش مقطع­نگاري رايانه­اي (سي­تي اسكن) به يك مدل سه‌بعدي دقيق تبديل شده است. براي تعريف دقيق خواص بيومكانيكي ديسك و مهره‌ها از دو مدل پوروويسكوالاستيك و پوروالاستيك استفاده شده است. در اين دو مدل، ساختار ديسك و مهره به صورت متخلخل در نظر گرفته شده و هم‌چنين خواص ماتريس جامد ديسك و مهره و جريان سيال (آب) درون آن‌ها به عنوان يك عامل اساسي در عمل‌كرد ستون مهره­ها نيز مد نظر قرار داده شده است. خاصيت ويسكوالاستيك فاز جامد ديسك با استفاده از تست آزمايشگاهي ريلكسيشن (آسودگي از تنش) روي نمونه‌ي ديسك گوسفندي و برازش داده­هاي تنش بر حسب زمان، به مدل عمومي ماكسول دوشاخه­اي استخراج گرديده است. پاسخ­هاي وابسته به زمان ديسك بين مهره‌اي سالم و ديسك­هاي دژنره‌شده در سه سطح مختلف (خفيف، متوسط و شديد) در بارگذاري ريلكسيشن، با استفاده از روش المان محدود مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج نشان مي­دهند كه در فرايند ريلكسيشن، با افزايش ميزان دژنره شدن ديسك، سرعت جريان سيال درون آن كاهش يافته و اين امر منجر به كاهش انعطاف­پذيري ديسك تحت بارگذاري مي­گردد. هم‌چنين با بررسي نتايج مشاهده مي­شود كه تنش ريلكسيشن ديسك­ دژنره‌شده‌ي سطح 3 (شديد) نسبت به ديسك بين مهره­­اي سالم تا حدود 16% افزايش يافته است. بررسي ميزان بيرون­زدگي ديسك­هاي دژنره‌شده و ديسك سالم تحت بارگذاري، نشان مي­دهد كه با افزايش ميزان دژنره شدن ديسك، ميزان بيرون­زدگي آن نيز افزايش مي‌يابد.

Intervertebral disc (IVD) provides flexibility and shock absorption for the spine in the load transmission procedure. Disc degeneration may occur as a result of aging and inappropriate types of loading. Assessing biomechanical parameters of intact IVD in comparison to the degenerated disc with different grades of degeneration can facilitate the detection procedure and planning for suitable therapeutic treatment. In the present study, a real three-dimensional model of cercival IVD ( - with adjacent vertebrae is constructed by using computed tomography (CT-scan) images. In order to accurately define mechanical properties, the disc and the vertebrae are modelled as poroviscoelastic and poroelastic materials, respectively. A porous medium approach is adopted to consider the considerable water content of both media alongside the solid matrix. For the solid phase of the IVD, the related viscoelastic parameters are extracted from an experimental test on a sheep lumbar intervertebral disc and stress vs. time data are fitted to the generalized Maxwell model with two Maxwell arms. By employing the finite element method, time-dependent response of the intact IVD and three different levels of the degenerated IVD (mild, moderate and severe) are studied in a relaxation test. Results indicate that during relaxation procedure, intradiscal fluid velocity decreases as a result of disc degeneration. This may oppositely affect the flexibility of IVD in the load bearing. It is also observed that stress relaxation of the severe degenerated IVD almost increases up to 16% relative to the intact IVD. Assessing the amount of disc bulging under load application shows enhancement for the degenerated disc compared to the intact disc.