Hungarian Society of Biomechanics: E-Journals / Magyar Biomechanikai Társaság
Not a member yet
292 research outputs found
Sort by
Numerical simulation of lumbar spine segments degenerations: I. Degenerations by age
No full textA numerikus szimuláció olyan jelenségek és folyamatok követésére is alkalmas, amelyek kísérleti úton nem vizsgálhatók. Ilyenek például a gerinc öregedéssel járó degenerációs folyamatai. A jelen dolgozatban az emberi lumbálisgerinc-szegmentumok nyomóteherből eredő, öregedéssel járó károsodási folyamatainak a végeselemes szimulációját mutatjuk be 3D végeselem-modellek alapján. A korral járó degenerációs folyamatot a szegmentumot alkotó egyes szervek anyagi tulajdonságainak változásával modellezzük. A kidolgozott végeselem-modelleket húzásra és nyomásra egyaránt úgy validáltuk, hogy a számítási eredményeinket összehasonlítottuk a saját és a szakirodalomból rendelkezésre álló kísérleti mérési adatokkal. Öt degenerációs fokozatot dolgoztunk ki a teljesen egészségestől a teljesen degeneráltig. A degenerációs folyamat két legfontosabb tényezőjének, a porckorong nucleusában lévő hidrosztatikus nyomásnak és a nucleus keményedésének a hatását külön-külön vizsgáltuk az öregedési folyamat során, és azt tapasztaltuk, hogy a degenerációs folyamat kezdeti szakaszában a hidrosztatikus nyomás megszűnésének van domináns hatása, míg a későbbiekben a nucleus keményedése a döntő. Ez azt mutatta, hogy a nyomómerevség az alig degenerált fiatal szegmentumnál a legkisebb, vagyis az instabilitás kockázata ekkor a legnagyobb, és a stabilitás esélye a további öregedéssel és degenerációval megnő. Kimutattuk, hogy a szegmentum merevségében a nucleusnak van domináns szerepe. Ahhoz, hogy a nucleus folyadékszerű, kezdeti egészséges állapotát pontosan modellezni tudjuk, a rugalmassági modulusát 1 MPa értéknél kisebbre, célszerűen 0,1 MPa értékre kell felvenni. A lumbális gerinc degenerációs folyamatainak végeselemes szimulációja segít megérteni e folyamatok kialakulását és lefutását, annak okait, de segít a lumbális porckorongproblémák konzervatív kezelési eljárásainak tökéletesítésben is. DOI: 10.17489/biohun/2010/1/15Numerical simulation is an effective tool for analyzing phenomena that cannot be clarifi ed by experimental methods, like spinal degeneration processes. 3D fi nite element simulation of agerelated degeneration processes of lumbar functional spinal units was investigated in axial compression. Aging degeneration was modeled by the material properties of the components of the segment, validated both for compression and tension, by comparing the numerical results with experimental data. Five grades of aging degeneration were distinguished from the healthy to fully degenerated case. By systematic numerical analysis of the separated effect of the mechanical comsziponents of aging degeneration it was proved that at the beginning phase of aging process the effect of loss of hydrostatic stress state had a dominant effect, while in further aging the hardening of nucleus dominates, leading to the largest deformability and the smallest compressive stiffness, consequently, to the risk of segmental instability at mildly degenerated case, while stiffness and stability increased with further aging. In the numerical modeling of hydrostatic state of a healthy nucleus, smaller than 1 MPa Young’s modulus of nucleus must be considered to cut down the nuclear stress divergence below 10%. For healthy nucleus, E=0.1 MPa seems to be acceptable. FE simulations of degeneration processes of lumbar segments may help clinicians to understand the initiation and progression of disc degeneration and to treat lumbar discopathy problems even more effectively
Investigation and application of pneumatic artificial muscles
Get PDFThe movement of pneumatic artifi cial muscle (PAM) is soft that similar to the human muscle therefore it can be used as the actuator for rehabilitation devices and prostheses. In this paper a Fluid Muscle manufactured by Festo is tested, and some experimental results, rehabilitation devices and prostheses are shown. Our goal is to construct an intelligent prosthetic arm using PAMs. DOI: 10.17489/biohun/2010/1/2
Aktív koronáriasztentek bevonatainak összehasonlítása gyógyszerfelvevő és -leadó képességük alapján
Get PDFCoronary stents are the most important materials in our day’s cardiology. The rate of restenosis can be decreased by the usage of drug eluting stents compared to bare metal stents. The aim of this work was to optimize polymer coatings for medical applications and the examination of drug absorbing and releasing properties of these coatings. The examined medical grade polymers were Chronofl ex®, Carbothane® and Tecothane®. Control groups were bare metal stent models (316 LVM type austenitic stainless steel tube slices). The three medical grade polyurethane granules were applied onto the stent surface. In this paper different techniques were used to cover the samples by polyurethanes then topcoated with heparin. The heparin was injected into the coatings by soaking. The polyurethane coating is an appropriate passive coating. It is expedient to add pharmaceutical agent as a topcoating to prevent the infl ammatory reactions and to obtain otherpharmaceutical effects. All of the applied polyurethanes were able to bind the heparin, but in different ways depending on their properties. The most bound heparin was found at the three-layer Chronofl ex® coating, by 48-hour soaking. Tecothane® coating bound the least heparin, but this coating had the longest elution time. Based on these results it can be concluded that the applied coatings were swelling and it is possible to set an optimum recovery time and concentration of the solution where the maximum amount of heparin can be dissolved in the coatings.Az aktív, gyógyszer-hatóanyagot kibocsátó sztentek folyamatosan bővülő családjának fejlődése jellemzi az elmúlt évek orvoslását. Az orvoslás eredményei igazolták az aktív és passzív sztentek használatának létjogosultságát. Egy jelenleg már használt passzív sztentnek, a gyártóval együttműködve, aktív bevonattal való ellátása a kitűzött célunk. A bevonatnak kétféle célja is van, egyrészt a sztent biokompatibilitását fokozza, másrészt mint aktív bevonat, a sztent felhasználásának körét bővítse.Kísérleteink során a megfelelően előkészített, sztentek felületével megegyező felületű lapkákra felvitt PUR bevonatok (Carbothane®, Tecothane®, ChronoFlex®) gyógyszermegkötő és időben elhúzódó -leadási képességeit vizsgáltuk.A PUR bevonatok jól használhatóak a sztentek bevonására, és gyógyszert is képesek tárolni. A PUR bevonatok alaptulajdonságaik szerint – mint hidrofi l vagy hidrofób – több vagy kevesebb hatóanyagot tudtak megkötni a felületükön és a mélyebb rétegeikben. A több rétegben felvitt bevonatok nagyobb mennyiségű hatóanyagot tudtak megkötni, mint az egyrétegű bevonatok. A leadási görbék alapján értelmezhető egy, a PUR bevonatok felületről és az anyag belsejéből leadott hatóanyag mennyiség, ez a PUR alaptulajdonságától függően változó az idő függvényében. A legtöbb hatóanyagot a hidrofil tulajdonságú ChronoFlex® bevonat tudta felvenni, míg a legkevesebbet a hidrofób Tecothane®.A PUR bevonatok megfelelő kiválasztásával a felhasználási területük bővíthető, kombinálásukkal szélesíthető az indikációs területük. Az eredmények alapján a többrétegű bevonatok előnyösebb gyógyszermegkötő képessége látszik az egyrétegűvel szemben, és ezzel bizonyítható a híg oldatok használatának javaslatát a bevonási eljárásban a töménnyel szemben. A kapott eredmények alapján tervezhető a bevonatok gyógyszermegkötő kapacitása, és a bevonatok szendvicsszerkezetű elrendezésével az időbeli leadás szabályozható lehet. A hidrofil PUR bevonatok nagyobb hatóanyag-felvétele az anyag duzzadásával magyarázható, és ez alapján tervezhető a bevonat által bejuttatható hatóanyag mennyisége. DOI: 10.17489/biohun/2010/1/2
Virtual rehabilitation – a focus on movement function
Get PDFFor a long time virtual reality had been an exciting concept commonly associated with sciencefiction rather than science but with the accelerated development of technology now we have anaccessible tool which is used in a multitude of applications. Rehabilitation is one of the fieldswhere physical or intellectual interaction of the patient with a reactive environment can lead tohealth benefits and so the concept of “virtual rehabilitation” enjoys a lot of attention. The complementaryexpertise of health professionals, biomechanists, engineers and computer scientistsworking together in virtual rehabilitation allows us to formalise research questions related tomovement function and the answers can help individuals coping with their impairments in adaily living context. This article describes our initial steps on a long and exciting journey. DOI: 10.17489/biohun/2009/2/0
An easy to use device for lubricity examination
Get PDFThe stability of surgical metals implanted into patients is affected by human extracellular fluidthat can enter between different components of the implant system. However data are missingon the lubricity properties of different human fluids/tissues. In our article we would like to presentan easy and inexpensive device to perform and standardize implant lubricity measurements. DOI: 10.17489/biohun/2009/2/0
Numerical simulation of lumbar spine segments degenerations: II. Degenerations that suddenly happen
No full textA lumbális gerinc degenerációja nemcsak az életkor előrehaladásával léphet fel, hanem hirtelen mechanikai hatásokra is, például túlterhelésre vagy rossz mozdulatra is bekövetkezhet. 3D végeselemes szimuláció segítségével vizsgáljuk a centrikusan nyomott lumbálisgerinc-szegmentum túlterhelésből származó, hirtelen bekövetkező degenerációs folyamatait. Mivel hirtelen degeneráció bármely életkorban bekövetkezhet, fi gyelembe kell venni a gerinc aktuális életkori degenerációs állapotát is. Az életkori degenerációhoz hasonlóan a hirtelen degenerációt is a szegmentum anyagállandóival modelleztük. Figyelembe vettük a hirtelen lecsökkenő hidrosztatikus nyomást a nucleusban, az annulus felrepedését, szálszakadását, a véglemez és a szivacsos csigolyacsont károsodását. Megkülönböztettük a fiatal, életkorilag gyengén károsodott szegmentumok, és az idős, előrehaladott életkori degenerációval rendelkező szegmentumok hirtelen degenerációját. Az életkori degenerációval ellentétben, ahol a porckorong merevsége 5-6-szorosára is megnőhet a degenerációs folyamat végére, a hirtelen károsodásnál a merevség 60–80%-kal csökken, ami a szegmentum instabilitásához vezet, különösen fi atal korban, életkorilag gyengén károsodott szegmentumnál, mivel ott a hirtelen merevségcsökkenés a legalacsonyabb szintről indul. Fiatalabb korban a hirtelen degeneráció mintegy 2100 N/mm életkori merevségi szintről 75–80%-kal, mintegy 400–500 N/mm szintre csökken; míg idősebb korban mintegy 3600 N/mm életkori merevségről 60–65%-kal, mintegy 1300 N/mm merevségi szintre csökken. Következés képpen, az életkori károsodáshoz hasonlóan a hirtelen károsodás is a fiatal felnőtt korosztályt sújtja leginkább. Az életkori károsodással ellentétben, ahol a porckorong alakváltozási képessége, összenyomódása, kihasasodása a degenerációs folyamat végére mintegy 30–85%-kal csökken, a hirtelen károsodásnál ez szignifi kánsan megnő mintegy 2-3-szorosára, amely a szegmentum instabilitásához és fájdalomhoz vezet, ugyancsak leginkább fiatal felnőtt korban. DOI: 10.17489/biohun/2010/1/14Lumbar degeneration can be caused by aging and by other environmental effects like sudden mechanical overload. 3D fi nite element simulation of accidental degeneration processes of lumbar functional spinal units is presented for axial compression overload. Since sudden accidental degeneration can happen at any state of long-term age-related degeneration, consequently, it was modeled by considering the actual grade of aging degeneration of segments. Accidental degeneration was modeled by the material properties of components of segments and by overloading. Systematic analysis of the effect of several components of accidental degeneration was investigated: the sudden loss of fl uid like characteristics of nucleus; the buckling, tears or fi ber break ofannulus; endplate damage or cancellous bone collapse. In contrast to the age-related degeneration where the stiffness of discs increased by 500–600% during the aging process, in accidental degeneration processes the stiffness of discs decreased by 60–80%, leading to segmental instabilityand injury. Accidental degeneration may be more dangerous in young age since in this case the sudden stiffness loss starts at a smaller stiffness level, namely, lightly degenerated young discs have the smallest stiffness reported by many studies. Accidental degeneration in young age in this study started equally at 2100 N/mm stiffness that suddenly decreased by 75–80% to 400–500 N/mm; while in old age it started at about 3600 N/mm and decreased by 60–65% to 1300 N/mm.These effects explain that low back pain problems insult so frequently the young adults. The most important factor both in age-related and accidental change of disc stiffness is the stiffness change of nucleus. In contrast to the age-related degeneration where the disc deformability and bulging decrease during aging by 30–85%, in accidental degeneration processes they increase signifi cantly by 200–300% that may lead to segmental instability and injury again
Finite element simulation of the effects of weight bath treatment
Get PDFA súlyfürdő a magyar reumatológia egyik legnagyobb gyakorlati jelentőségű felfedezése. Eredményeként az izmok ellazulnak, a gerinc megnyúlik, a porckorongsérv visszahúzódik, a fájdalom enyhül, a műtét megelőzhető. Ez a konzervatív kezelési mód hazánkban több mint fél évszázada széles körben elterjedt, sikeresen alkalmazzák, azonban külföldön nem ismerik, mivel korábban nem állt rendelkezésre a beavatkozás széles körű biomechanikai elemzése. A közelmúltban a kezelés biomechanikai hátterének elemzése és a keletkező megnyúlások in vivo kísérleti meghatározása, valamint a kezelés hatékonyságának klinikai kísérleti bizonyítása megtörtént. A jelen tanulmányban a kezelés numerikus szimulációjának eredményeit ismertetjük. 3D végeselemes numerikus szimulációval vizsgáljuk a kezelési folyamat mechanikai körülményeit és hatékonyságát. A súlyfürdőkezelés egy tipikus viszkoelasztikus folyamat. A jelen tanulmányban ennek a kezdeti rugalmas szakaszát vizsgáljuk. A számításainkat a lumbális L3–S1 gerincszakasz egy tipikus szegmentumának a végeselemes modellje alapján végezzük, amelynek húzási anyagállandóit a súlyfürdőben végzett in vivo kísérletek alapján állapítottuk meg, nyomási anyagállandóita szakirodalomból vettük át. Számításaink alapján bebizonyítottuk, hogy a 40–45 év közötti korosztály lumbális szegmentumai a legsérülékenyebbek, a további idősödés során a szegmentális stabilitás erősödik. Megállapítottuk, hogy a súlyfürdőkezelés indirekt és direkt nyújtási szakaszból áll. A porckorong bilineárisan viselkedik: az indirekt szakaszban nagyobb a nyújtással szembeni ellenállása, mint a direkt szakaszban. Emiatt, annak ellenére, hogy a direkt nyújtóerő csak mintegy 6%-a az indirekt nyújtóerőnek, a direkt megnyúlások 20–80%-át teszik ki az indirekt megnyúlásoknak a szegmentum életkorától és degenerációs állapotától függően. Ugyanakkor a direkt szakaszban a porckorong feszültségi tehermentesülése csupán 2–8%-ot tesz ki. Következésképpen a többletsúlyokkal vezérelt direkt nyújtóerők elsősorban a porckorong megnyúlásaiért felelősek, előidézve az ideggyökök felszabadítását a kompressziós deformációk alól; ugyanakkor a felhajtóerő miatt lecsökkent testsúlyból és a függesztési testhelyzet miatt megszűnő izomerőkből eredő indirekt nyújtóerő a feszültségi tehermentesülésért felelős. A lumbális szegmentumok kezdeti rugalmas deformációi a súlyfürdőkezelés további viszkózus szakaszában a kúszási folyamat során mintegy megkettőződnek. A kezelés hatékonysága napi gyakoriságú többhetes kúra végére lesz optimális. Klinikai kísérletekkel azt bizonyították, hogy a súlyfürdő jótékony hatása három hónap elteltével is érzékelhető. DOI: 10.17489/biohun/2010/1/16Weightbath hydrotraction treatment is one of the most important discoveries in the Hungarian rheumatology. Due to the treatment muscles relax, the spine stretches, the disc contracts, the pain mitigates, operation may be avoided. The weightbath treatment has been applied in Hungary successfully for more than a half century, however, it is unknown elsewhere because of the lack of experimental clinical and biomechanical analysis and proof of its effi ciency. Recently, Hungarian researchers have investigated the biomechanical and experimental analysis of its stretching and clinical evidences; in this paper the numerical simulation of the treatment is presented. 3D finite element models of human lumbar functional spinal units were used for numerical analysis of weightbath hydrotraction therapy applied for treating degenerative diseases of the lumbar spine. Five grades of age-related degeneration were modeled by material properties. Tensile material parameters of discs were obtained by parameter identifi cation based on in vivo measured elongations of lumbar segments during the regular weightbath treatment. Compressive material constants were obtained from the literature. It has been proved numerically that young adults of 40–45 years have the most deformable and vulnerable discs, while the stability of segments increases with further aging. The reasons were found by analyzing the separated contrasting effects of decreasing incompressibility and increasing hardening of nucleus, yielding non-monotonousfunctions of stresses and deformations in terms of aging and degeneration. The weightbath treatment consists of indirect and direct traction phases. Discs show a bilinear material behaviourwith higher resistance in indirect and smaller in direct traction phase. Consequently, although the direct traction load is only 6% of the indirect one, direct traction deformations are 20–80% of the indirect ones, depending on the grade of degeneration. Moreover, the ratio of direct stress relaxation remains equally about 2–8% only. Consequently, direct traction controlled by extra lead weights infl uences mostly the deformations being responsible for the nerve release; while the stress relaxation is infl uenced mainly by the indirect traction load coming from the removal of the compressive body weight and muscle forces in the water. These initial elastic elongations of the lumbar spine are doubled during the further creep period of the treatment. The optimal efficiency of the treatment develops by the end of a 2-3 weeks long cure of daily treatments. The benefi cial clinical impacts of WHT are still evident even 3 months later
Mesoporous silica-calcium phosphate composites for experimental bone substitution
Get PDFDOI: 10.17489/biohun/2010/1/1