Abstrak
TUJUAN: Untuk membangun model elemen hingga 3D dari tulang belakang leher dengan anatomi yang rinci dan untuk memverifikasi validitasnya.
Metode: Seorang pria dewasa yang sehat dipindai dengan CT scan lapisan tipis tulang belakang serviks, dan data CT diimpor ke Mimics 10.0 untuk mendapatkan data gambar 3D tulang belakang serviks, kemudian diimpor ke Geomagic, studio 9.0 untuk mendapatkan model geometris tulang belakang serviks, dan akhirnya model elemen hingga tulang belakang serviks dibangun di ANSYS 11.0. Dengan menggunakan kondisi yang sama seperti dalam literatur, rentang gerak setiap segmen model dihitung dan dibandingkan dengan data dari literatur untuk memverifikasi validitas.
HASIL: Model elemen hingga dari tulang belakang leher dengan struktur anatomi yang rinci dikembangkan dan divalidasi untuk validitas.
KESIMPULAN: Model ini memiliki biofidelitas yang baik dan dapat digunakan untuk penelitian lebih lanjut.
Kata kunci: tulang belakang leher; model elemen hingga; Mimics; Geomagic, studio; ANSYS
Dengan meluasnya penggunaan MRI, kemajuan dalam peralatan bedah dan teknik bedah invasif minimal, lesi intravertebral sering kali dapat didiagnosis dan diobati pada tahap awal, dan kelangsungan hidup jangka panjang serta tingkat perbaikan fungsional setelah operasi telah meningkat secara signifikan, sehingga fungsi tulang belakang semakin menjadi perhatian dokter dan pasien. Gangguan struktur posterior yang disebabkan oleh laminektomi dapat mengakibatkan ketidakstabilan atau deformitas tulang belakang pasca operasi, terutama di tulang belakang leher, di mana mobilitas paling besar. Oleh karena itu, sangat penting secara sosial dan ekonomi untuk menyelidiki mekanisme yang mendasari perkembangan ketidakstabilan serviks atau deformitas setelah laminektomi untuk meningkatkan strategi pembedahan dan mencegah perkembangan ketidakstabilan serviks pasca operasi atau deformitas.
Model biomekanik tulang belakang saat ini mencakup model fisik, model in vivo, model ex vivo dan model komputer. Model elemen hingga adalah salah satu jenis model komputer yang tidak hanya memungkinkan pengukuran mobilitas model dalam tiga bidang, tetapi juga memungkinkan akses ke data eksperimental internal yang sulit diperoleh dengan model lain. Model elemen hingga yang sama dapat digunakan untuk beberapa pengujian, digunakan berulang kali, sehingga sangat mengurangi biaya eksperimen. Di antara metode pemodelan elemen hingga saat ini, pemodelan gambar mengekstrak data kontur batas dari data gambar tomografi geometris yang diperoleh dengan CT dan MRI dan kemudian menyelesaikan pemodelan geometris, yang memiliki jumlah data yang besar, akurasi pemodelan yang tinggi dan biaya yang relatif rendah, dan merupakan metode yang umum digunakan untuk pemodelan saat ini. Untuk membuat model elemen hingga tulang belakang serviks lebih banyak digunakan dalam studi berbagai laminektomi, makalah ini bertujuan untuk membangun model elemen hingga tulang belakang serviks dengan geometri yang akurat, deskripsi anatomi yang komprehensif, dan biofidelitas yang tinggi dengan menggunakan gambar CT untuk menyediakan alat untuk menginterpretasikan perubahan biomekanik setelah laminektomi serviks.
1. Bahan dan metode
1.1, Lingkungan pemodelan
CPU: AMD, Athlon, 7750, dual-core, unit pemrosesan pusat 2.70G; memori: 4G; kartu grafis: ATI, Radeom, HD, 4670, memori video 512m; sistem operasi: Windows, XP/Profesional; monitor: 22 parit rumah memungkinkan sol anggur hanya berayun 500G.
1.2 Pengumpulan data sampel
Untuk membuat model yang dikembangkan dapat digeneralisasikan, data yang dipilih untuk makalah ini diperoleh dari sukarelawan pria dewasa yang sehat (usia 22 tahun, tinggi badan 1,75m, berat badan 65kg) yang mendekati ukuran tubuh persentil ke-50 dari populasi nasional. Sistem tomografi terkomputasi GE, LightSpeed, VCT digunakan untuk memindai tulang belakang servikal para relawan untuk mendapatkan koordinat vertebra servikal. Vertebra servikal dipindai dari tulang oksipital ke tulang belakang toraks pada 120 Kv, 280 mA, ketebalan lapisan 1 mm dan jarak lapisan 1 mm. Gambar tomografi disimpan dalam format DICOM pada CD-ROM.
1.3. Proses pemodelan
Gambar CT dalam format DICOM diimpor langsung ke dalam perangkat lunak Mimics (nomor versi: 10.0, Materialise, Belgia) dan data telah diproses sebelumnya. Setelah mengklarifikasi orientasi gambar dalam ruang tiga dimensi, perangkat lunak secara otomatis membentuk kurva kontur jaringan tulang pada setiap tingkat. Data garis kontur dari tulang belakang leher diekstraksi dalam perangkat lunak Mimics dengan menggunakan nilai skala abu-abu. Dengan menggunakan rentang ambang batas tulang CT default perangkat lunak 226-3071, setelah memilih tulang di area yang diperlukan untuk pemodelan, perangkat lunak Mimics secara otomatis memperluas area yang terhubung dalam rentang nilai abu-abu sesuai dengan nilai abu-abu area yang dipilih, sementara secara otomatis menghapus area yang tidak terhubung dalam rentang nilai abu-abu ini. Gambar yang tidak diinginkan kemudian dihapus dan gambar yang tersisa diedit dan dikoreksi dengan cara tertentu dan disimpan sebagai file stl. File stl ini diimpor ke Geomagic, perangkat lunak studio (, versi 9.0, Geomagic, USA) dan mengingat kompleksitas struktur tulang belakang leher dan persyaratan untuk akurasi geometris tulang belakang leher dalam penelitian ini, metode sisi titik digunakan untuk pemodelan terbalik, dibagi menjadi beberapa wilayah sesuai dengan variasi kelengkungan setiap bagian tubuh vertebral, dan data point cloud dari setiap wilayah dipasang untuk menghasilkan Model geometris tulang belakang servikal dihasilkan. Model solid yang dihasilkan kemudian ditransformasikan ke dalam model solid 3D menggunakan algoritma penghalusan dan fungsi konversi format. Model solid yang dihasilkan disimpan sebagai file format iges, yang dibaca oleh perangkat lunak ANSYS (versi 11.0, ANSYS Inc., USA) untuk mendapatkan solid dari vertebra serviks. Dengan menggunakan garis-garis yang terbagi pada permukaan padat untuk membentuk permukaan segmentasi, vertebra serviks dibagi menjadi badan vertebra, sendi-sendi kecil, laminae, proses spinosus, pedikel dan proses transversal. Dengan menggunakan fungsi extrude, padatan endplates dihasilkan dengan menggunakan permukaan atas dan bawah dari dua vertebra servikal yang berdekatan yang telah dibagi. Pembuatan permukaan kemudian dilakukan dengan menggunakan kedua endplates dari ruang vertebra yang sama, dan garis ditarik di antara kedua permukaan sebelum menghasilkan wajah, menghasilkan permukaan tertutup, yang digunakan untuk menghasilkan nukleus pulposus dan cincin fibrosa sesuai skala. Metode yang sama digunakan untuk menghasilkan ligamen longitudinal anterior dan posterior pada permukaan anterior dan posterior badan vertebra. Hal ini menghasilkan model padat tulang belakang servikal.
Struktur yang berbeda perlu disimulasikan dengan menggunakan tipe unit yang berbeda dengan parameter material terutama mengacu pada referensi yang dipublikasikan [1-4]. Ketebalan rata-rata cangkang tulang kortikal ditetapkan menjadi 0,3 mm, ketebalan ligamentum longitudinal anterior menjadi 1,5 mm dan ketebalan ligamentum longitudinal posterior menjadi 2,3 mm, sedangkan sendi kecil didefinisikan sebagai kontak tatap muka tanpa gesekan. Untuk menghemat waktu analisis komputasi, bahan isotropik digunakan untuk memperkirakan tulang serviks. Model ini kemudian disatukan menggunakan tetrahedral meshing untuk menghasilkan model elemen hingga tulang belakang leher penuh.
Validasi model adalah bagian kunci dari perbaikan berkelanjutan dari model elemen hingga sampai pada titik di mana model tersebut akhirnya dapat diterapkan [5]. Dengan menggunakan metode pembebanan dan kondisi batas yang sama dengan Ng [3], torsi murni 1. dan 5 Nm dibebankan pada permukaan atas vertebra C2 menurut aturan spiral tangan kanan sepanjang arah koordinat 1,2,3 untuk menghasilkan torsi yang sesuai pada bidang sagital, koronal dan aksial, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, untuk mensimulasikan pembebanan pada fleksi dan ekstensi anterior-posterior, pembengkokan lateral kiri dan kanan, dan rotasi aksial kiri dan kanan. Respons model dibandingkan dengan hasil eksperimen dari literatur [3,,6-11] untuk memverifikasi validitas model di bawah kondisi batas pembebanan yang sama.
2. Hasil
Model tulang belakang servikal terdiri dari enam vertebra servikal, lima diskus intervertebralis dan ligamen yang sesuai dan kapsul sendi. Badan vertebra, proses transversal, pedikel, tuberositas, pedikel dan proses spinosus dari tulang belakang servikal, dan endplate, nukleus pulposus dan annulus fibrosus dari diskus intervertebralis dimodelkan secara terpisah. Model ini akurat secara geometris, dengan deskripsi anatomi yang komprehensif dan tingkat kesetiaan biologis yang tinggi. Keseluruhan model tulang belakang servikal terdiri dari 344932 unit padat, 9190 unit cangkang/kawat dan total 434590 node.
Validasi model menggunakan mobilitas intersegmental tulang belakang servikal (sudut rotasi segmental, °) sebagai indikator, dan validitas model ini di bawah pembebanan fleksi-ekstensi, tekukan lateral, dan rotasi diverifikasi dengan menggunakan hasil in vivo, ex vivo, dan studi elemen hingga oleh para ahli lainnya (lihat Tabel 2 hingga 4). Dari hasil perbandingan, dapat dilihat bahwa rentang gerak intersegmental dari model ini di bawah setiap mode beban secara umum sesuai dengan tren data literatur yang dipublikasikan.
3. Diskusi
Tulang belakang servikal manusia adalah struktur kompleks dengan tiga fungsi biomekanik dasar: fungsi motorik, fungsi penahan beban dan fungsi pelindung. Sistem stabilisasi tulang belakang servikal terdiri dari tiga komponen: sistem pasif (tulang belakang, cakram intervertebralis, dan ligamen), sistem aktif (otot dan tendon yang mengelilingi tulang belakang servikal) dan sistem saraf [12]. Tulang belakang servikal adalah sistem gaya terpadu yang terdiri dari vertebra, cakram intervertebralis, dan otot serta ligamen di sekitarnya, yang sangat sulit untuk dianalisis secara mekanis.
Untuk memahami perubahan mobilitas, tekanan internal, dll. dari tulang belakang leher, penelitian ini memutuskan untuk menggunakan metode elemen hingga untuk membangun model biomekanik tulang belakang leher. Penelitian ini mengikuti elemen-elemen pemodelan elemen hingga tulang belakang leher seperti yang diusulkan oleh Yoganandan [13]: profil anatomi (fitur geometris), sifat material, kondisi batas dan beban, dan validasi model, sehingga model yang dibangun secara akurat mewakili entitas yang dimodelkan. Hasil pemodelan menunjukkan bahwa model ini memiliki geometri yang akurat, deskripsi anatomi yang komprehensif, dan biofidelitas yang tinggi, dan dapat digunakan untuk mempelajari kelengkungan tulang belakang leher dan mobilitas di bawah berbagai kondisi laminektomi, menyediakan alat untuk menginterpretasikan perubahan biomekanik setelah laminektomi serviks.
3.1. Fitur geometris model elemen hingga tulang belakang servikal
Model dua dimensi tulang belakang servikal yang dikembangkan oleh Saito dkk. pada tahun 1991 terlalu sederhana dalam hal geometri vertebra dan sendi internal, menghasilkan hasil yang tidak realistis dalam hal distribusi beban dan distribusi tekanan [14]. model elemen hingga tiga dimensi C0-T1 (termasuk tubuh vertebra, diskus, dan struktur posterior serta ligamen) yang dikembangkan oleh Kleinberger dkk. (1991). karena kurangnya struktur anatomi penting seperti proses artikular, yang mengarah pada keterbatasan tertentu dan hasil aplikasi yang tidak memuaskan [15]. Sebaliknya, kemudian Voo dkk. menggunakan, data CT dan perangkat lunak model FE I-DEAS untuk merekonstruksi model tiga dimensi tulang belakang servikal [16]. Model ini memberikan geometri permukaan yang akurat dari tulang belakang servikal, termasuk permukaan artikular dan posisi relatifnya di antara vertebra servikal, yang jauh lebih unggul daripada model Kleinberger dan Saito et al.
Untuk membuat fitur geometris dari model yang dibangun akurat dan kredibel, penelitian ini melakukan pemindaian CT lapisan tipis dari vertebra serviks sukarelawan, dan kemudian membaca fitur geometris kerangka model ini langsung dari data CT scan lapisan tipis (ketebalan lapisan 1 mm) (format DICOM) oleh perangkat lunak spesialis MIMICS, mengekstraksi permukaan luar vertebra setelah pemrosesan gambar di MIMICS, dan mengonversi data ke dalam perangkat lunak rekayasa balik. Geomagic dapat membaca data dalam format stl. File stl diproses dengan menggunakan Geomagic, dan mesh segitiga dibagi menjadi permukaan, dengan hati-hati untuk menyimpan permukaan dalam format iges yang dapat dibaca oleh perangkat lunak FEA. Pemodelan geometris langsung berdasarkan CT tipis dan data format DICOM dapat secara akurat merefleksikan kontur anatomi kerangka. Selain itu, model geometris yang diciptakan oleh MIMICS juga menyimpan informasi mengenai densitas di dalam tulang, sehingga memfasilitasi definisi sifat material yang berbeda, tergantung pada densitasnya.
Informasi geometris jaringan lunak seperti ligamen, endplates, nukleus pulposus dan cincin fibrosa tidak dapat diperoleh secara akurat pada gambar CT asli dan umumnya memerlukan kombinasi studi anatomi dan bagian serial tipis beku kadaver untuk menentukan titik awal dan akhir ligamen, panjang, pita lebar dan luas penampang melintang serta luas dan ketebalan endplates, nukleus pulposus dan cincin fibrosa [13,,17,,18]. Informasi tentang bagian beku kadaver tidak tersedia untuk penelitian ini dan informasi geometri jaringan lunak diperoleh dari studi anatomi.
3.3, Sifat material model elemen hingga tulang belakang servikal
Model yang dikembangkan dalam pemodelan elemen hingga pada akhirnya digunakan dalam studi untuk mensimulasikan respons biomekanik organisme, dan oleh karena itu, kesetiaan biologis model juga penting. Hal ini terutama terkait dengan material model dan oleh karena itu definisi material juga merupakan bagian penting dari pembuatan model elemen hingga. Karena penelitian tulang belakang serviks yang terlambat dimulai dan kelangkaan data tentang bahan terkait tulang belakang serviks, definisi material model awal relatif sederhana, misalnya vertebra hanya didefinisikan sebagai bahan kaku, cakram intervertebralis didefinisikan sebagai bahan elastis, ligamen terbuat dari bahan elastis linier, dll. Bahan-bahan yang digunakan dalam seluruh model relatif homogen, yang jauh dari bahan kompleks dan beragam dari tulang belakang serviks yang sebenarnya [15 ]. Pada saat yang sama, karena kesamaan komposisi dan struktur antara tulang belakang lumbar dan serviks serta banyaknya literatur, beberapa peneliti telah mulai menggunakan parameter material tulang belakang lumbar alih-alih tulang belakang serviks. Namun, karena peran biomekanik tulang belakang leher dan lumbar dalam struktur tubuh berbeda, sifat materialnya secara alami berbeda dan substitusi material yang sederhana dapat menyebabkan hasil model yang tidak akurat atau bahkan terdistorsi. kumaresan dkk. menyarankan bahwa sifat material jaringan lunak memiliki pengaruh yang lebih besar pada respons internal dan eksternal tulang belakang leher dibandingkan dengan struktur jaringan keras [19]. ng et al. menemukan bahwa Ng dkk. menemukan bahwa sifat material cincin fibrosa intervertebralis, tulang kanselus dan tulang kortikal memiliki efek signifikan pada biomekanik tulang belakang leher [20].
Carter dkk. menyimpulkan bahwa hubungan fungsi empiris antara kekuatan tekan dan densitas tulang berlaku baik untuk tulang kanselus maupun kortikal [21]. Mereka menyimpulkan bahwa tulang kortikal dan kanselus memiliki komposisi, sifat material mikroskopis yang serupa, dan merupakan struktur material berpori dua fase padat dan cair (dua fase, berpori, material); perbedaan antara tulang kanselus dan kortikal didasarkan pada porositas tulang (bone, porosity), dan perbedaan ini agak sewenang-wenang; sifat material anisotropi tulang sebagian disebabkan oleh geometri dan orientasi pori-pori dalam tulang. Simulasi tulang kortikal saat ini biasanya menggunakan sel cangkang atau sel padat dengan modulus Young yang ditetapkan pada 12.000 Mpa [14, 22]. Tulang Cancellous disimulasikan menggunakan sel padat dengan modulus Young 100-450 Mpa [14,, 23]. Dalam penelitian ini, unit cangkang dan padat digunakan untuk tulang kortikal dan kanselus dengan modulus Young masing-masing 12.000 Mpa dan 450 Mpa, dan unit padat digunakan untuk struktur posterior dengan modulus Young 3500 Mpa seperti yang dilaporkan dalam literatur [22]. Rentang pembebanan dalam studi ini semuanya berada dalam kisaran fisiologis dan oleh karena itu metode yang digunakan sebagian besar layak.
Untuk sendi eminensia artikular, beberapa literatur menggunakan simulasi terpisah dari tulang rawan artikular dan cairan sinovial [22]; ada juga simulasi yang menggunakan elemen kontak tatap muka. Karena sendi dienkapsulasi oleh kapsul sendi, keberadaan membran sinovial dan cairan sinovial memungkinkan terjadinya gesekan yang sangat sedikit di antara permukaan sendi, maka sendi eminensia artikular disimulasikan sebagai model kontak tatap muka dalam model penelitian ini, dengan kedua kontak tatap muka dari sendi didefinisikan sebagai sifat tanpa gesekan.
Karena karakteristik biokinetik dari model tulang belakang servikal lebih rentan terhadap variasi sifat-sifat bahan jaringan lunak daripada tulang struktural yang lebih keras, maka penting untuk menentukan sifat-sifat bahan dari berbagai jaringan lunak. Ligamen terdiri dari serat elastis dan kolagen dan melekat di antara vertebra yang berdekatan. Karena ligamen adalah jaringan fibrosa, maka ligamen hanya bisa dikenai beban tegangan dalam kondisi pembebanan. Oleh karena itu, ligamen-ligamen tulang belakang servikal seperti ligamentum flavum, ligamen interspinous dan ligamen supraspinous dimodelkan dengan menggunakan material linear dengan hanya sifat tensional [19]. Dalam penelitian ini, ligamen dimodelkan dalam unit linier hanya tegangan dengan modulus Young 10 MPa untuk ligamentum flavum, 5 MPa untuk ligamen interspinous dan supraspinous dan 20 MPa untuk kapsul sendi, sedangkan ligamen longitudinal anterior dan posterior dimodelkan dalam unit padat dengan modulus Young 15 MPa untuk ligamen longitudinal anterior dan posterior karena keterikatannya yang erat dengan permukaan anterior dan posterior tubuh vertebral. Modulus Young adalah 500-600, Mpa [14, 19]. Dalam studi ini, modulus Young unit padat dari endplate diposisikan pada 500 Mpa, dan unit padat dari nukleus pulposus dan cincin fibrosa disimulasikan dengan modulus Young 3,4 Mpa [19].
Dalam makalah ini, parameter material tulang belakang servikal yang ada diskalakan dengan tepat dalam skala dan fungsi untuk memastikan bahwa sifat material sesuai dengan respons biomekaniknya dalam kondisi pembebanan, dengan mempertimbangkan data eksperimental yang tersedia pada material tulang belakang servikal, dan untuk mengimbangi kurangnya plak dalam parameter material tulang belakang servikal dan untuk memberikan keseragaman antara parameter material. Namun demikian, karena data eksperimental yang digunakan untuk mendefinisikan sifat-sifat material model tidak diukur dari padatan yang sesuai satu-ke-satu dengan sifat-sifat morfologinya, hal ini dapat mengakibatkan inkonsistensi antara bentuk geometris dan sifat-sifat material. Oleh karena itu, parameter material dari model yang dikembangkan dalam makalah ini masih perlu disempurnakan dalam studi di masa mendatang.
3.4. Validasi model elemen hingga tulang belakang servikal
Apakah model dapat mencerminkan respons biomekanis dari objek yang akan dimodelkan perlu diverifikasi, suatu proses yang mirip dengan verifikasi persamaan dalam matematika. Model hanya dapat digunakan untuk penelitian lebih lanjut jika divalidasi dan dijustifikasi; jika tidak divalidasi, maka semua analisis eksperimental yang diturunkan dari model tersebut akan menjadi tidak akurat atau bahkan salah [13, 24]. Validasi model biasanya melibatkan penerapan beban tertentu pada model, merekam respons model terhadap beban yang diterapkan, dan membandingkan data respons dengan data eksperimen dalam kondisi yang sama atau serupa untuk melihat apakah keduanya cocok, dan dengan demikian menentukan apakah model tersebut mewakili situasi nyata yang dimodelkan. Sebenarnya, model elemen hingga harus dihitung dengan menggunakan kondisi batas dan beban yang persis sama dengan studi uji jenazah, dan kemudian hasilnya harus dibandingkan untuk memverifikasi bahwa model tersebut masuk akal, dan harus diverifikasi dengan menggunakan sebanyak mungkin metode pembebanan yang berbeda untuk memastikan validitasnya.
Mengingat keterbatasan studi dan waktu yang tersedia, studi ini tidak dilakukan bersamaan dengan eksperimen kadaver, tetapi hanya didasarkan pada data dari literatur. Dalam makalah ini, model dibebani pada bidang sagital, koronal dan horizontal dengan beban 1,5Nm untuk menghasilkan momen pada bidang sagital, koronal dan aksial yang sesuai untuk mensimulasikan fleksi dan ekstensi anterior-posterior, tekukan lateral dan rotasi di kedua arah sesuai dengan aturan spiral tangan kanan. Respons model dibandingkan dengan data hasil eksperimen literatur (data dari literatur untuk model elemen hingga dan model ex vivo dalam merespons beban yang diterapkan) dan data respons dari model ini cocok dengan data dalam literatur dan model dianggap valid. Hal ini menunjukkan bahwa studi lebih lanjut mengenai tulang belakang servikal dapat dilakukan dengan menggunakan model ini.
Namun demikian, hasil validasi model menunjukkan bahwa terdapat beberapa penyimpangan antara data yang diperoleh dari model yang dikembangkan dalam makalah ini dengan data yang diperoleh peneliti lain. Alasan yang mungkin untuk penyimpangan adalah: (1) peralatan dan metode eksperimen yang berbeda; (2) sumber data yang berbeda yang digunakan dalam eksperimen, seperti usia, jenis kelamin, etnis, morfologi, dll., mungkin berdampak pada hasil; (3) karena struktur dan sifat material tulang belakang leher sangat kompleks, beberapa penyederhanaan model elemen hingga tidak dapat dihindari; (4) para peneliti model elemen hingga telah membuat beberapa perubahan pada metode penyederhanaan, pemilihan sifat material, kualitas meshing, dan kualitas solusi. (4) Perbedaan dalam metode penyederhanaan model, pilihan properti material, kualitas meshing, pilihan metode solusi dan sebagainya, juga dapat menyebabkan perbedaan dalam hasil.
3.5. Kontrol parameter lain untuk pembentukan model elemen hingga tulang belakang servikal
Sejauh ini, kecuali sejumlah kecil model elemen hingga tulang belakang leher penuh yang didirikan di Cina untuk tipe tubuh Cina, sebagian besar data model dikumpulkan sesuai dengan tipe tubuh manusia persentil ke-50 di Eropa dan Amerika Serikat, sementara perbedaan antara Cina dan tipe tubuh Eropa dan Amerika relatif besar, dalam makalah ini, data dipindai dan dikumpulkan sesuai dengan persyaratan tipe tubuh persentil ke-50 Cina. Menurut GB, 10000-88, ukuran tubuh persentil ke-50 orang Tionghoa adalah tinggi 168cm dan berat 59kg, yang ditetapkan pada tahun 1988, sebelum pengukuran ukuran tubuh orang dewasa nasional berskala besar kedua selesai. Dalam dua dekade terakhir, kualitas fisik orang Tionghoa telah meningkat secara signifikan, dan untuk membuat data yang dipilih sedekat mungkin dengan ukuran tubuh persentil ke-50 orang Tionghoa saat ini, rata-rata persentil ke-50 orang Tionghoa dan data tubuh persentil ke-50 orang asing digunakan sebagai dasar untuk pemilihan data ini. Hal ini memungkinkan model tulang belakang leher penuh yang dikembangkan dalam makalah ini untuk lebih akurat mencerminkan bentuk tubuh orang Cina.
Anderson dkk. menyarankan bahwa keakuratan studi elemen hingga bergantung pada tiga faktor kunci: pembuktian, pengujian sensitivitas dan validasi [25]. Pembuktian melibatkan penilaian keakuratan nilai, dan dalam penggunaan sejumlah besar perangkat lunak saat ini, pembuktian terutama merupakan efek dari meshing. Sensitivitas model merupakan langkah kunci dalam membangun model yang valid dan terutama terkait dengan definisi parameter input seperti bahan model. Validasi model kemudian melibatkan perbandingan data eksperimental di bawah kondisi yang sama atau serupa dengan data model untuk mengkonfirmasi bahwa hasil model cocok dengan situasi nyata yang dimodelkan [22, 26].
Sementara definisi sifat material dan validasi model telah dibahas sebelumnya, faktor konfirmasi, yaitu meshing, sangat penting untuk studi elemen hingga. Vander, Sloten dan Vander, Perre telah menunjukkan bahwa kualitas mesh yang buruk dapat menyebabkan penyimpangan 7-100% dalam hasil perhitungan tegangan [27]. Oleh karena itu, metode meshing yang masuk akal untuk model yang berbeda untuk mengontrol kualitas sel mesh adalah tugas yang sangat penting dalam proses pemodelan elemen hingga. Saat ini, metode meshing utama adalah meshing tetrahedral otomatis, meshing heksahedral berbasis raster otomatis dan meshing yang dipetakan. Metode tetrahedral meshing digunakan untuk meletakkan titik-titik di area yang dipilih dan kemudian menggabungkannya ke dalam tetrahedron, yang saat ini merupakan salah satu metode yang paling populer untuk solid meshing. Namun, selama triangulasi mesh, sulit untuk mengontrol bentuk sel yang dihasilkan dan akurasi perhitungan mesh relatif rendah. Metode hexahedral meshing berbasis grid otomatis pertama-tama mencakup area target dengan sekumpulan grid disjoint dengan dimensi yang sama atau berbeda, menjaga grid yang jatuh sepenuhnya atau sebagian di dalam area target dan menghapus grid yang jatuh sepenuhnya di luar area target, kemudian menyesuaikan, memotong, dan mendekomposisi ulang grid yang memotong batas objek untuk membuatnya lebih akurat mendekati area target, dan akhirnya melakukan penyesuaian tingkat raster dari grid internal dan batas. Akhirnya, raster internal dan batas dibedah pada level raster untuk mendapatkan mesh elemen hingga dari seluruh area target. Metode ini mengotomatisasi pembuatan mesh dan sangat cepat, tetapi kualitas sel batasnya buruk dan sel yang dihasilkan memiliki ukuran yang sama, sehingga sulit untuk mengontrol kerapatan mesh. Metode meshing yang dipetakan adalah metode pembuatan mesh terstruktur dan tidak terstruktur, yaitu memetakan domain fisik yang akan dibedah ke dalam ruang parameter untuk membentuk wilayah parameter reguler dengan menggunakan fungsi pemetaan yang sesuai, kemudian melakukan diseksi mesh pada wilayah parameter reguler, dan akhirnya memetakan kembali mesh dari domain parameter kembali ke ruang fisik untuk mendapatkan mesh elemen hingga dari domain fisik. Metode ini merupakan algoritma yang sederhana, komputasi yang cepat, kualitas sel yang baik, kepadatan sel yang dapat dikontrol, dan dapat menghasilkan mesh yang terstruktur dan tidak terstruktur. Namun, ketika permukaan padatan 3D adalah permukaan bentuk bebas yang sangat kompleks, akurasi perkiraan metode ini tidak tinggi, partisi manual sulit dan meshing memakan waktu. Akurasi komputasi dari mata jaring heksahedral berbasis raster dan mata jaring yang dipetakan sebanding, dan akurasi komputasi mata jaring tetrahedral buruk [28]. Karena permukaan tulang belakang serviks padat tiga dimensi adalah permukaan bentuk bebas yang relatif kompleks, dan karena penelitian ini terutama berkaitan dengan perubahan mobilitas dan distribusi tegangan model setelah laminektomi, maka metode meshing tetrahedral digunakan dalam makalah ini.
3.6. Kekurangan model elemen hingga yang dibangun dalam studi ini
Meskipun metode elemen hingga secara teoritis dapat diterapkan pada struktur kompleks apa pun, masih banyak masalah yang harus dipecahkan dalam studi biomekanika tulang belakang servikal. Meskipun model tulang belakang servikal yang dikembangkan dalam makalah ini telah divalidasi dengan perbandingan, hal ini tidak berarti bahwa model ini dapat digunakan untuk mempelajari semua masalah yang berkaitan dengan biomekanik tulang belakang servikal. Model ini memiliki kekurangan sebagai berikut: pertama, struktur tulang dan diskus intervertebralis dimodelkan dengan menggunakan bahan linier isotropik. Pada kenyataannya, baik tulang maupun diskus intervertebralis adalah bahan viskoelastik anisotropik. Kedua, model ini hanya mencakup struktur tulang, cakram intervertebral dan ligamen, dan tidak memiliki simulasi otot. Namun demikian, otot adalah sistem aktif yang penting dalam sistem stabilisasi tulang belakang servikal dan memainkan peran yang sangat penting dalam menjaga stabilitas tulang belakang servikal. Ketiga, sendi sinovial dalam penelitian ini hanya dimodelkan dengan elemen kontak, tetapi tidak dengan tulang rawan artikular dan cairan sinovial. Model ini mereduksi ligamen menjadi beberapa unit kawat terpisah, sehingga kontak antara ligamen selama gerakan diabaikan. Keempat, validasi model didasarkan pada eksperimen statis atau kuasi-statis, sedangkan respons model terhadap eksperimen dinamis seperti tabrakan kepala dan gerakan whiplash serviks tidak dibahas. Oleh karena itu, dalam penelitian berikutnya, ada kebutuhan untuk meningkatkan simulasi sendi sinovial dan ligamen, meningkatkan simulasi otot, dan menggunakan lebih banyak data eksperimental untuk memvalidasi model guna meningkatkan keandalan model.
Model elemen hingga mampu merefleksikan sifat mekanis organisme pada saat dan titik tertentu. Namun demikian, organisme itu sendiri adalah jaringan yang aktif dan memiliki proses pertumbuhan, pematangan dan penurunan; beberapa jaringan yang rusak memiliki kemampuan untuk memperbaiki dan membentuk dirinya sendiri. Model elemen hingga yang dikembangkan dalam studi ini masih belum berdaya dalam hal adaptasi biologis. Sifat mekanik tubuh vertebral, ligamen, cakram, dan jaringan lainnya sangat kompleks, sehingga sulit untuk mendapatkan pengukuran yang memadai dan andal, dan data yang diperoleh dari eksperimen ex vivo mungkin berbeda dari situasi fisiologis, sehingga definisi sifat material model elemen hingga tulang belakang leher dalam penelitian ini harus lebih disempurnakan. Anisotropi, inhomogenitas, dan non-linearitas material jaringan tulang belakang servikal membuatnya sulit untuk menentukan hubungan strukturalnya sendiri; sementara pembagian sel, pemilihan node, beban, dan kondisi batas sampai batas tertentu bersifat artifisial, model yang dibangun dalam penelitian ini belum sepenuhnya mencerminkan sifat biomekanik nyata dari tulang belakang servikal manusia. Oleh karena itu, model elemen hingga tulang belakang servikal saat ini memiliki beberapa keterbatasan dan perlu ditingkatkan lebih lanjut dan dibandingkan dengan hasil eksperimen yang lebih banyak untuk verifikasi lebih lanjut.
4. Kesimpulan
Pembentukan model tulang belakang servikal merupakan prasyarat untuk melakukan studi biomekanik tulang belakang servikal. Dalam makalah ini, model elemen hingga dari tulang belakang servikal yang mengandung semua ligamen utama tulang belakang servikal (servikal 2-7,) dikembangkan berdasarkan data gambar CT dari sukarelawan pria dewasa sehat persentil ke-50 di Cina. Model ini menggunakan 8-simpul unit cangkang, 10-simpul unit padat tetrahedral, dan 2-simpul unit garis dengan tegangan hanya untuk tulang kortikal, tulang kanselus, dan ligamen tulang belakang servikal. Validitas model tulang belakang servikal diverifikasi dengan menggunakan data dari model elemen hingga sebelumnya dan eksperimen ex vivo, dan hasilnya menunjukkan bahwa model tersebut memiliki biofidelitas yang baik dan dapat digunakan untuk studi lebih lanjut. Simulasi jaringan lunak seperti otot, simulasi sifat material dan penerapan model yang luas perlu disempurnakan lebih lanjut dalam studi pemodelan elemen hingga tulang belakang leher.