Development of a biomechanical spine model for dynamic analysis

Abstract

The vertebral column is a complex structure that has a variety of functions in human body stability. This stability can be affected by a myriad of pathologies, from which the degenerative disc diseases group is one of the most relevant, since it is related to low back pain, a symptom that affects the majority of the population at some point of their lives. This six-month master degree dissertation aims at developing an useful computational tool for the dynamic analysis of the lumbar spine in response to traumatic and degenerative events. To accomplish this goal, a two-dimensional lumbar spine model (from vertebra L1 to S1) was developed, composed by a set of rigid bodies, constrained by nonlinear viscoelastic elements as ligaments, linear viscoelastic bushing elements as intervertebral discs and contacts between facet joints and spinous processes, following the hertzian contact theory augmented with a dissipative term. The developed methodologies were individually analyzed in order to validate their implementation in the context of multibody dynamics. The application of the produced model to different test scenarios was considered, namely the test of the physiologic limits of the relative motion of the vertebrae, the influence of the existence of pathologies and the effect of the application of an external load. The computational methodologies developed in this work unfold under the objectives of the European Commission’s Seventh Framework Programme project NPmimetic (Project ID: 246351), in the research area NMP-2009-2.3-1 - Biomimetic gels and polymers for tissue repair.

A coluna vertebral é uma estrutura complexa que possui diversas funções no que respeita à estabilidade do corpo humano. Esta estabilidade pode ser afetada por uma miríade de patologias, das quais o grupo das doenças degenerativas do disco intervertebral é um dos relevantes, uma vez que está relacionado com a dor lombar, um sintoma que afeta a grande maioria da população numa determinada fase da sua vida. Esta dissertação de mestrado desenvolvida em seis meses tem como objetivo desenvolver uma ferramenta computacional útil para a análise dinâmica da coluna lombar em resposta a eventos de ordem traumática e degenerativa. De modo a alcançar este objetivo, foi desenvolvido um modelo bidimensional da coluna lumbosacral (da vértebra L1 até à S1) constituído por corpos rígidos, constrangidos por elementos viscoelásticos não-lineares como ligamentos, juntas viscoelásticas lineares como discos intervertebrais e contactos entre facetas articulares e apófises espinhosas, seguindo a teoria de contacto de Hertz acrescida de um termo dissipativo. As metodologias desenvolvidas foram analisadas individualmente de modo a validar a sua implementação no contexto da dinâmica de sistemas multicorpo. Foi considerada a aplicação do modelo produzido a diferentes cenários, tais como o teste dos limites fisiológicos do movimento relativo das vértebras, a influência da existência de patologia e o efeito da aplicação de uma carga externa. As metodologias computacionais desenvolvidas neste trabalho vão de encontro aos objetivos do projeto NPmimetic (ID do projeto: 246351) do Seventh Framework Programme (FP7) da Comissão Europeia, na área de investigação NMP-2009-2.3-1 - Géis e polímeros biomiméticos para reconstrução de tecidos.