Study Design: Biomechanical study. Purpose: To investigate the relative stiffness of a new posterior pelvic fixation for unstable vertical fractures of the sacrum. Overview of Literature: The reported operative fixation techniques for vertical sacral fractures include iliosacral screw, sacral bar fixations, transiliac plating, and local plate osteosynthesis. Clinical as well as biomechanical studies have demonstrated that these conventional techniques are insufficient to stabilize the vertically unstable sacral fractures. Methods: To simulate a vertically unstable fractured sacrum, 12 synthetic pelvic models were prepared. In each model, a 5-mm gap was created through the left transforaminal zone (Denis zone II). The pubic symphysis was completely separated and then stabilized using a 3.5-mm reconstruction plate. Four each of the unstable pelvic models were then fixed with two iliosacral screws, a tension band plate, or a transiliac fixation plus one iliosacral screw. The left hemipelvis of these specimens was docked to a rigid base plate and loaded on an S1 endplate by using the Zwick Roell z010 material testing machine. Then, the vertical displacement and coronal tilt of the right hemipelves and the applied force were measured. Results: The transiliac fixation plus one iliosacral screw constructions could withstand a force at 5 mm of vertical displacement greater than the two iliosacral screw constructions (p=0.012) and the tension band plate constructions (p=0.003). The tension band plate constructions could withstand a force at $5^{\circ}$ of coronal tilt less than the two iliosacral screw constructions (p=0.027) and the transiliac fixation plus one iliosacral screw constructions (p=0.049). Conclusions: This study proposes the use of transiliac fixation in addition to an iliosacral screw to stabilize vertically unstable sacral fractures. Our biomechanical data demonstrated the superiority of adding transiliac fixation to withstand vertical displacement forces.
Kim, Ki-Tack;Lee, Sang-Hun;Suk, Kyung-Soo;Lee, Jung-Hee;Jeong, Bi-O
Journal of Korean Neurosurgical Society
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v.47
no.6
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pp.446-453
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2010
Objective : The purpose of this study was to analyze the biomechanical effects of three different constrained types of an artificial disc on the implanted and adjacent segments in the lumbar spine using a finite element model (FEM). Methods : The created intact model was validated by comparing the flexion-extension response without pre-load with the corresponding results obtained from the published experimental studies. The validated intact lumbar model was tested after implantation of three artificial discs at L4-5. Each implanted model was subjected to a combination of 400 N follower load and 5 Nm of flexion/extension moments. ABAQUS$^{TM}$ version 6.5 (ABAQUS Inc., Providence, RI, USA) and FEMAP version 8.20 (Electronic Data Systems Corp., Plano, TX, USA) were used for meshing and analysis of geometry of the intact and implanted models. Results : Under the flexion load, the intersegmental rotation angles of all the implanted models were similar to that of the intact model, but under the extension load, the values were greater than that of the intact model. The facet contact loads of three implanted models were greater than the loads observed with the intact model. Conclusion : Under the flexion load, three types of the implanted model at the L4-5 level showed the intersegmental rotation angle similar to the one measured with the intact model. Under the extension load, all of the artificial disc implanted models demonstrated an increased extension rotational angle at the operated level (L4-5), resulting in an increase under the facet contact load when compared with the adjacent segments. The increased facet load may lead to facet degeneration.
PURPOSE. Zirconia has exceptional biocompatibility and good mechanical properties in clinical situations. However, finite element analysis (FEA) studies on the biomechanical stability of two-piece zirconia implant systems are limited. Therefore, the aim of this study was to compare the biomechanical properties of the two-piece zirconia and titanium implants using FEA. MATERIALS AND METHODS. Two groups of finite element (FE) models, the zirconia (Zircon) and titanium (Titan) models, were generated for the exam. Oblique (175 N) and vertical (175 N) loads were applied to the FE model generated for FEA simulation, and the stress levels and distributions were investigated. RESULTS. In oblique loading, von Mises stress values were the highest in the abutment of the Zircon model. The von Mises stress values of the Titan model for the abutment screw and implant fixture were slightly higher than those of the Zircon model. Minimum principal stress in the cortical bone was higher in the Titan model than Zircon model under oblique and vertical loading. Under both vertical and oblique loads, stress concentrations in the implant components and bone occurred in the same area. Because the material itself has high stiffness and elastic modulus, the Zircon model exhibited a higher von Mises stress value in the abutments than the Titan model, but at a level lower than the fracture strength of the material. CONCLUSION. Owing to the good esthetics and stress controllability of the Zircon model, it can be considered for clinical use.
Recently, during the multi-level fusion with pedicle screws, interspinous spacer are sometimes substituted for the most superior level of the fusion in an attempt to reduce the number of fusion level and likelihood of degeneration process at the adjacent level. In this study, a finite element (FE) study was performed to assess biomechanical efficacies of the interspinous spacer combined with posterior lumbar fusion with a previously-validated 3-dimensional FE model of the intact lumbar spine (L1-S1). The post-operative models were made by modifying the intact model to simulate the implantation of interspinous spacer and pedicle screws at the L3-4 and L4-5. Four different configurations of the post-op model were considered: (1) a normal spinal model; (2) Type 1, one-level fusion using posterior pedicle screws at the L4-5; (3) Type 2, two-level (L3-5) fusion; (4) Type 3, Type 1 plus Coflex$^{TM}$ at the L3-4. hybrid protocol (intact: 10 Nm) with a compressive follower load of 400N were used to flex, extend, axially rotate and laterally bend the FE model. As compared to the intact model, Type 2 showed the greatest increase in Range of motion (ROM) at the adjacent level (L2-3), followed Type 3, and Type 1 depending on the loading type. At L3-4, ROM of Type 2 was reduced by 34~56% regardless of loading mode, as compared to decrease of 55% in Type 3 only in extension. In case of normal bone strength model (Type 3_Normal), PVMS at the process and the pedicle remained less than 20% of their yield strengths regardless of loading, except in extension (about 35%). However, for the osteoporotic model (Type 3_Osteoporotic), it reached up to 56% in extension indicating increased susceptibility to fracture. This study suggested that substitution of the superior level fusion with the interspinous spacer in multi-level fusion may be able to offer similar biomechanical outcome and stability while reducing likelihood of adjacent level degeneration.
With the rapid increase in the number of patients with cardiopulmonary diseases, more cardiopulmonary circulatory assist devices are also needed. These devices can be employed when heart and/or lung function poorly. Due to the critical role they take, these devices have to be designed optimally from both mechanical and biomechanical aspects. This paper presents the CFD results of a baseline model of a centrifugal blood pump for the ECMO condition. The details of flow characteristics of the baseline model together with the performance curves and the modified index of hemolysis(MIH) are investigated. Then, the geometry of baseline impeller and the volute are modified in order to improve the biomechanical performance and reduce the MIH value. The numerical simulations of two cases represent that when impeller radius and prime volume decrease the MIH value also decreases. In addition, the modified geometry shows more uniform pressure distribution inside the volute. The findings provide valuable information for further modification and improvement of centrifugal blood pumps from both mechanical and biomechanical aspects.
Cho, Pyung Goo;Ji, Gyu Yeul;Park, Sang Hyuk;Shin, Dong Ah
Asian Spine Journal
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v.12
no.6
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pp.1092-1099
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2018
Study Design: In-vitro biomechanical investigation. Purpose: To evaluate the biomechanical effects of the degeneration of the biodegradable cervical plates developed for anterior cervical discectomy and fusion (ACDF) on fusion and adjacent levels. Overview of Literature: Biodegradable implants have been recently introduced for cervical spine surgery. However, their effectiveness and safety remains unclear. Methods: A linear three-dimensional finite element (FE) model of the lower cervical spine, comprising the C4-C6 vertebrae was developed using computed tomography images of a 46-year-old woman. The model was validated by comparison with previous reports. Four models of ACDF were analyzed and compared: (1) a titanium plate and bone block (Tita), (2) strong biodegradable plate and bone block (PLA-4G) that represents the early state of the biodegradable plate with full strength, (3) weak biodegradable plate and bone block (PLA-1G) that represents the late state of the biodegradable plate with decreased strength, and (4) stand-alone bone block (Bloc). FE analysis was performed to investigate the relative motion and intervertebral disc stress at the surgical (C5-C6 segment) and adjacent (C4-C5 segment) levels. Results: The Tita and PLA-4G models were superior to the other models in terms of higher segment stiffness, smaller relative motion, and lower bone stress at the surgical level. However, the maximal von Mises stress at the intervertebral disc at the adjacent level was significantly higher in the Tita and PLA-4G models than in the other models. The relative motion at the adjacent level was significantly lower in the PLA-1G and Bloc models than in the other models. Conclusions: The use of biodegradable plates will enhance spinal fusion in the initial stronger period and prevent adjacent segment degeneration in the later, weaker period.
Proceedings of the Korean Operations and Management Science Society Conference
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1992.04b
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pp.358-363
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1992
A two-dimensional static biomechanical model of lower extremity in the seated posture was developed to assess muscular activities of lower extremity required for a variety of foot pedal operations. Muscle forces of the model were predicted using the double linear optimization scheme. For the model validation, three subjects performed the experiments which measured EMG activities of six lower extremity muscles. Predicted muscle forces were compared with the corresponding rectified intergrated EMG amplitudes and it showed reasonable results.
A mathematical model of viscoelasticity on the material property of human pharyngeal tissue utilizing Y.C. Fung's Quasi-linear viscoelastic theory is proposed based on cyclic load, stress relaxation, incremental load, and uniaxial tensile load tests. The material properties are characterized and compared with other biological materials' results. The mathematical model is proposed by combining two characteristic functions determined from the stress relaxation and uniaxial tensile load tests. The reduced stress relaxation function G(t) and elastic response function S(t) are obtained from stress relaxation test and uniaxial tensile load test results respectively. Then the model describing stress-time history of the tissue is implemented utilizing two functions. The proposed model is evaluated and validated by comparing the model's cyclic behaviour with experimental results. The model data could be utilized as an important information for constructing 3-dimensional biomechanical model of human pharynx using FEM(Finite Element Method).
Kim Dong-Ryul;Lee Tae-Soo;Park Jung-Yul;Suh Jung-Gun;Choi Kui-Won;Chae Soo-Won
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.23
no.8
s.185
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pp.185-194
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2006
In this paper, three dimensional finite element analyses have been performed to investigate the biomechanics of vertebroplasty in patient accurate FE models have been constructed from CT images of a PMMA injected vertebra. In order to apply various material properties of the spine(T12), the functional relation between the well known apparent density and HU(Hounsfield unit) from CT image were employed and thus real material properties can be assigned to each element of FE model. The FE analysis showed similar results with the experiments. With this approach accurate analysis of the vertebroplasty and its clinical applications can be expected.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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