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软骨终板退化对颈椎椎间盘物质运输和力学响应的影响

刘景龙 徐鹏 李侨 王丽珍 樊瑜波

应用数学和力学2024,Vol.45Issue(6):763-774,12.
应用数学和力学2024,Vol.45Issue(6):763-774,12.DOI:10.21656/1000-0887.450017

软骨终板退化对颈椎椎间盘物质运输和力学响应的影响

Effects of Cartilage Endplate Degeneration on Metabolic Transport and Biomechanical Responses of Cervical Intervertebral Discs

刘景龙 1徐鹏 1李侨 2王丽珍 3樊瑜波4

作者信息

  • 1. 北京航空航天大学 生物力学与力生物学教育部重点实验室,北京市生物医学工程高精尖创新中心,生物与医学工程学院,北京 100191||杭州市北京航空航天大学国际创新研究院(北京航空航天大学国际创新研究院),杭州 311115
  • 2. 北京航空航天大学 医学科学与工程学院,北京 100191
  • 3. 北京航空航天大学 生物力学与力生物学教育部重点实验室,北京市生物医学工程高精尖创新中心,生物与医学工程学院,北京 100191||杭州市北京航空航天大学国际创新研究院(北京航空航天大学国际创新研究院),杭州 311115||北京航空航天大学 虚拟现实技术与系统全国重点实验室,北京 100191
  • 4. 北京航空航天大学 生物力学与力生物学教育部重点实验室,北京市生物医学工程高精尖创新中心,生物与医学工程学院,北京 100191||北京航空航天大学 医学科学与工程学院,北京 100191||北京航空航天大学 虚拟现实技术与系统全国重点实验室,北京 100191
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摘要

Abstract

The fluid flow in the cartilage endplate(CEP)is the main path of nutrient supply and metabolic waste transport within the intervertebral disc(IVD).The increased stiffness,the decreased permeability and the water content of the degenerated cartilage endplate influence the mechanical responses and material trans-port within the IVD.A porous finite element model for C5-C6 of the cervical spine was established based on the computed tomography(CT)images of an adult.After validation,loads of compression,flexion,extension,ax-ial rotation and lateral bending were applied to this model to calculate the instantaneous responses of the IVD.The calcification and sclerosis in the CEP were simulated with increase of its modulus and decrease of its per-meability and porosity,compared with a healthy case.The results show that,the pore pressures within the CEP and the nucleus pulposus(NP)increase and the fluid velocity decrease in the degenerated CEP.Under flexion,the pore pressure in the NP increase by 50.8%and 88.9%in calcified and sclerotic CEPs compared to the healthy endplate,respectively.The decreases of the permeability and the water content in the degenerated CEP hinder the fluid flow and increase the maximum principal stresses of the NP matrix by 122.2%and 100.0%under compression and axial rotation,respectively.

关键词

软骨终板退化/多孔介质建模/流体多孔压力/数值计算

Key words

cartilage endplate degeneration/porous media modeling/fluid porous pressure/numerical simulation

分类

力学

引用本文复制引用

刘景龙,徐鹏,李侨,王丽珍,樊瑜波..软骨终板退化对颈椎椎间盘物质运输和力学响应的影响[J].应用数学和力学,2024,45(6):763-774,12.

基金项目

国家自然科学基金("叶企孙"科学基金项目)(U2241273) ("叶企孙"科学基金项目)

应用数学和力学

OA北大核心CSTPCD

1000-0887

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