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Biomechanical Response of the Epiphyseal Vertebral Growth Plate under Static and Cyclic Compression: A Finite Element Study

Mojdeh Tireh Dast

Mémoire de maîtrise (2014)

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Citer ce document: Tireh Dast, M. (2014). Biomechanical Response of the Epiphyseal Vertebral Growth Plate under Static and Cyclic Compression: A Finite Element Study (Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal). Tiré de https://publications.polymtl.ca/1600/
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Résumé

RÉSUMÉ La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA), qui implique une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale, affecte 1 à 3% des adolescents, principalement des filles. Les influences mécaniques sur la croissance du rachis jouent un rôle important dans la progression de la courbure chez les patients SIA, notamment pendant les périodes de croissance rapide comme l’adolescence. Les traitements sans fusion du rachis, via la modulation mécanique locale de la croissance osseuse, ont montré des avancées prometteuses pour le traitement précoce des déformations modérées de la colonne vertébrale. Des études in vivo récentes sur les plaques de croissance de rats, utilisant des chargements statiques et dynamiques équivalents au niveau de la contrainte moyenne appliquée, ont montré que les chargements dynamiques étaient aussi efficaces que les chargements statiques en termes de modulation de croissance, mais moins dommageables pour l’intégrité de la plaque de croissance en comparaison aux chargements statiques [1, 2]. Cependant, il a été montré que la combinaison de hautes fréquences et d’amplitudes d’oscillations conduit à des inflammations tissulaires. Comme approche complémentaire à l’approche expérimentale pour investiguer la biomécanique du rachis, la modélisation numérique fournit une plateforme pour approfondir nos connaissances sur les structures du rachis et leurs comportements mécaniques [3]. En utilisant les simulations numériques, un paramètre peut aisément être modifié afin d’investiguer son effet spécifique en maintenant les autres paramètres constants. La modélisation par éléments finis constitue l’une des méthodes numériques couramment utilisées ; elle se base sur une méthode numérique rapide pour des analyses de contraintes et de déformations de problèmes complexes, en évitant les limites et difficultés associées aux études expérimentales. Bien que les modèles poroélastiques aient été développés pour investiguer la réponse dépendante du temps des tissus rachidiens, le comportement biomécanique comparatif de tissus cartilagineux, tels que les plaques de croissance sous chargements statiques vs. dynamiques, n’a pas encore été clairement déterminé [3, 4] et pourrait apporter des connaissances sur la compréhension de l’interaction entre les chargements mécaniques et le métabolisme tissulaire. L’objectif principal de ce projet était d’étudier la réponse biomécanique de la plaque de croissance soumise à des compressions statique et dynamique, en utilisant des modèles par éléments finis. Afin d’atteindre cet objectif, un modèle axisymétrique poroélastique de la plaque----------ABSTRACT Adolescent idiopathic scoliosis (AIS), a 3D deformity of the spine, affects 1-3% of adolescents, mainly females. Mechanical influences on spinal growth play an important role in AIS curve progression, mainly during the rapid growth periods such as adolescence. Fusionless corrective techniques of the spine, by means of local mechanical modulation of bone growth, have shown promising advances in the early treatment of moderate spinal deformities. Recent in vivo studies on rat growth plates using matched static and cyclic loadings in terms of average stress showed that cyclic loads were as efficient as static loads in terms of growth modulation but less detrimental to the growth plate integrity compared to static loads [1, 2]. However, it was shown that the combination of high frequency and oscillation amplitude resulted in infection in the rats. As a complementary approach to investigate spinal biomechanics from experiments, computational modeling provides a platform to extend our knowledge about spinal structures and their mechanical behavior [3]. Using computational modeling, one parameter can be changed easily to investigate its effect while the other parameters are kept constant. Finite element modeling is one of the widely used computational methods; it provides a fast numerical method for stress and strain analysis in complex problems, while avoiding limitations and difficulties associated with experimental studies. Although poroelastic models have been developed to investigate the time-dependent response of the spinal tissues, the comparative biomechanical behavior of cartilaginous tissues such as growth plates under static vs. cyclic loads has yet to be fully understood [3, 4] and could provide insights on understanding of the interaction of mechanical loading and tissue metabolism. The objective of this project was to study the biomechanical response of the growth plate to static and cyclic compressions using finite element models. To achieve this objective, an axisymmetric biphasic model of growth plate was first developed to investigate stress components and deformation within the model for different transversal permeabilities and peripheral pore pressures (part one). Then, a finite element model of a spinal functional unit was used to investigate the same parameters as well as fluid content using a more realistic model (part two). This thesis aimed at verifying the hypothesis that Cyclic and static compressive loads show the same total stress but different pore pressure (stress in fluid phase) and effective stress (stress in solid matrix) within growth plates.

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Département: Institut de génie biomédical
Directeur de mémoire/thèse: Isabelle Villemure, Carl-Éric Aubin et Stefan Parent
Date du dépôt: 01 avr. 2015 15:28
Dernière modification: 24 oct. 2018 16:11
Adresse URL de PolyPublie: https://publications.polymtl.ca/1600/

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