چکیده
در مطالعه انجام شده راهها و روشهای کاهش درد در ستون فقرات و کمر بوسیله کاهش فشار به عصب و نخاع در جابجایی‌ها و آسیب دیده‌گیهای مهره مورد بررسی قرار گرفته است. برای رسیدن به این مقصود البته تحقیقاتی درمورد آسیب دیده‌گیها و بیماریهای ستون فقرات، باری و همان‌های وارد شونده به مهره‌ها، انواع تثبیت کننده‌های ستون فقرات انجام شده و در ادامه اصول جایگذاری کیج‌ها، انواع مختلف آن و مزیت‌های هر یک به تفصیل مورد ارزیابی قرار گرفته است.
در گام بعدی به مفاهیم فتق دیسک (Degenerative) ، فیوژن ستون فقرات و اثرات پیوندهای استخوانی (bonegraft) در استحکام استخوان پرداخته شده و تأثیرات آلیاژهای سازنده ایمپلنتها در چگونگی عملکرد آنها مورد بررسی قرار گرفته است.
از اهداف دیگر این تحقیق می‌توان به روشهای بهینه سازی کیج‌ها از طریق ایجاد مدل المان محدود برای تعیین رفتار بیومکانیکی ناحیه کمری ستون فقرات اشاره کرد که در این خصوص ابتدا تحلیل بر تنشهای وارد بر کیج LT (کیج مخروطی) در حالتهای مختلف standing ، extention ، lateral bending و flextion صورت گرفت و در نهایت در گامی دیگر، مقایسه‌ای نیز بین تنشهای وارد بر سطوح تکیه‌گاهی روکیج LT و Jaguar انجام پذیرفت که نتایج بدست آمده از حالتهای مختلف Standing ، extention ، lateral bending و flextion بر روی سطح تکیه‌گاهی (inferior) کیج LT حاکی از آن بود که بیشترین تنش Vonmrses به ترتیب مربوط به حالت lateral bending ، externion ، به flextion و کمترین تنش نیز مربوط به حالت standing می‌باشد. بنابراین افرادی که از این نوع کیج استفاده می‌کنند باید از حرکات جانبی بیش از 5 درجه و حرکات extention (خم شدن به پشت) بیش از 3 درجه که تنشی بین از حالت flextion ایجاد می‌کند خودداری کند.
همچنین مقایسه‌ای که بین کیج LT و کیج Jaguar انجام گرفت نشان داد که کیج Jaguar در حالت Standing یعنی بدون همان کمترین تنش را دارا می‌باشد. اما زمانیکه حالت flextion را در ستون فقرات داریم کیج مکعب مستطیل (Jaguar cage) بیشترین نقاط ضعف را بدلیل بالابودن تنش در نقاط خاص مانند گوشه‌ها و نقاط تمرکز تنش از خود نشان می‌دهد. بنابراین پیشنهاد می‌گردد که کیج Jaguar با توجه به قابلیت بالای stress shielding برای افراد سالخورده یا افرادی که به دلایل خاص از اورتزهای kinght tylor و دیگر تثبیت کننده‌ها استفاده می‌کنند و کیج LT نیز برای ورزشکاران و افراد جوانتر که نیاز به تحرک بیشتری مخصوصاً در حالت flextion دارند استفاده گردد.
مقدمه
ستون فقرات محور تنه و اسکلت انسان را تشکیل می‌دهد و با توجه به بیماریهای مختلف این بخش از بدن و گستردگی آن تعیین راهها و روشهای کاهش درد در ستون فقرات و کمر یکی از اهداف محققان، مهندسان و جامعه پزشکی می‌باشد. یکی از اشکالات بسیار شایع در این خصوص مشکلات بوجود آمده در دیسک بین مهره‌ای و بیماریهای فتق دیسک می‌باشد.
فتق دیسک در ستون فقرات عارضه ایست که بصورت گسترده در جوامع مختلف وجود دارد. راههای مختلفی برای درمان آن پیشنهاد و اجرا شده است که این روش‌ها روز به روز کامل‌تر شده و پیشرفت خودشان را در درمان این بیماری نشان می‌دهند. برای درمان ضایعات فتق دیسک وسایل و تجهیزات خاصی ابداع و ساخته شده است که یکی از این وسایل کیج (Cage) می‌باشد. کیج وسیله‌ایست که برای درمان فتق دیسک در ستون فقرات در نواحی مختلف آن بکار می‌رود. به طور کلی کیج‌ها وسایلی هستند که جوش خوردن استخوان را در ستون فقرات بویژه در بیماریهای تخریب و فتق دیسک (Degenerative) تسریع می‌بخشد.
کیج‌ها انواع مختلفی دارند که هر روز شاهد پیشرفت در نوع طراحی، جنس و نوع جاگذاری آن هستیم.
مروری بر آناتومی
ستون فقرات محور تنه و اسکلت آدمی را تشکیل می‌دهد. اندامهای فوقانی و تحتانی بترتیب توسط کمربند شانه‌ای و کمربند لگنی بر ستون فقرات تکیه کرده و به آت متصل می‌شوند. ستون فقرات از استخوان مجزایی بنام مهره که در یک ستون روی هم چیده شده‌اند، تشکیل شده است. هر مهره دارای یک بدنه استوانه‌ای است که در تحمل وزن سهیم است و یک قوس استخوانی (Spinous process, lamina) که نخاع را حمایت می‌کند و به صورت پوششی برای آن است. قوس استخوانی توسط دو استوانه کوچک (pedicle) به بدنه متصل شده است. کانال دایره‌ای بین بدنه، قوس و pedicle ها نخاع را احاطه می‌کند و کانال ستون فقرات نام دارد. بین بدنه کیج‌ها را با عمل‌های جراحی در بین مهره‌ها قرار می‌دهند که در این جراحی ضمن نصب کیج عمل فیوژن (fusion) نیز انجام می‌پذیرد. در عمل فیوژن یا همجوشی معمولاً از استخوان خود شخصی برای پیوند استخوان استفاده می‌شود.
با توجه به اینکه امکان بیرون آوردن کیج از بدن بیمار وجود دارد بنابراین باید مراحل در طراحی و ساخت آن با دقت فراوان انجام پذیرد. تاکنون مطالعات چندی به منظور بررسی اثر عوامل مختلف بر میزان تنشهای وارده به کیج‌های ستون فقرات انجام گرفته که برخی از آنها روی بدن انسان در بعضی روی نمونه‌های اجساد و برخی دیگر روی موشهای مصنوعی انجام شده‌اند، با توجه به مشکلاتی که گریبان‌گیر شیوه‌های تجربی است مدلسازی المان محدود نیز به عنوان یکی از روشهای مطالعه مورد توجه قرار گرفته است.
در این بررسی قصد بر آن است که ضمن ارائه تاریخچه‌ای از بوجود آمدن و ابداع کیج‌ها و Spacer های ستون فقرات به بیان چگونگی نیوژن ستون فقران و روشهای جراحی آن پرداخته شود. در این خصوص مقایسه‌ای بین و کیج LT در کیج مخروطی وکیج Jaguar مستطیلی با استفاده از روشهای FEM و نرم‌افزار Ansys انجام گرفته که نتایج آن در فصل آخر بیان شده است.
آناتومی ستون فقرات
ستون مهره (Spine) یکی از پیچیده‌ترین قسمتهای اسکلت بدن می‌باشد. این ستون، اسکلت محوری بدن را تشکیل داده و از طریق آن وزن تنه، سر و گردن و اندامها به مفاصل لگن و اندامهای تحتانی منتقل می‌شوند. ستون مهره از قاعده جمجمه شروع و تا ناحیه لگن ادامه دارد. تعدادمهره‌ها در ستون فقرات 33 عدد می‌باشد ولی بعلت جوش خوردن مهره‌های خاجی و دنبالچه، در یک فرد بالغ ستون فقرات از 26 قطعه تشکیل می‌شود. ستون فقرات از نیم رخ دارای چهار انحنا است که شامل دو انحناء اولیه و دو انحناء ثانویه می‌باشد. انحناهای مختلف ستون فقرات باعث توزیع مناسب نیرو گردیده و از اعمال فشار نامناسب بر ستون مهره و لگن جلوگیری می‌کند. در بعضی از افراد ممکن است به دلایل پاتولوژیک و یا تکامل غیر طبیعی مهره‌ها، قوسهای غیرطبیعی در ستون فقرات ایجاد شود، که در این صورت باید با عمل جراحی و با استفاده از ایمپلانتهای مهره‌ای این قوسها را تصحیح نمود.
تقسیم‌بندی منطقه‌ای ستون مهره‌ها:
1- مهره‌های گردنی (Cervical Vertebral) به تعداد 7 مهر
2- مهره‌های سینه‌ای (Thoracic Vertebral) به تعداد 12 مهره
3- مهره‌های کمری (Lumbar Vertebral) به تعداد 5 مهره
4- مهره‌های ساکروم یا خاجی (Sacral Vertebral) به تعداد 5 عدد که بهم جوش خورده و در بالغین یک عدد است.
5- مهره دنبالچه (Coccyx) : یک عدد بوده که از جوش خوردن چهار مهره ابتدایی و تکامل نیافته ایجاد می‌شود.
ساختمان مهره‌های ستون فقرات
هر مهره از دو بخش اصلی تشکیل می‌شود:
1- تنه مهره
2- قوس مهره
- تنه مهره به شکل استوانه‌ای است که دارای شش سطح می‌باشد. سطح فوقانی و تحتانی هر مهره از طریق دیسک بین مهره‌ای با مهره‌های مجاور مفصل می‌شود (مفصل کاذب غضروفی). در ضخامت جسم مهره‌ها بافت اسفنجی وجود دارد. هندسه تنه مهره‌ها در تحمل وزن اهمیت دارد.
- قوس مهره‌ای، از زوائدی تشکیل می‌شود که نقش اصلی آنها محافظت از نخاع و حرکت در ستون مهره می‌باشد.
ویژگیهای قوس مهره‌ای:
هر قوس مهره در ایام جنینی از دو نیم قوس راست و چپ تشکیل شده که هر نیم قوس شامل 1- لامینا (Lamian) 2- پدیکول می‌باشد.
از بهم رسیدن لامیناهای راست و چپ در عقب، زائده خلفی بنام زائده خاری ایجاد می‌شود.
از محل تلاقی زائده لامینا و زائده پدیکول سه زائده خارج می‌شوند که عبارتند از:
1- زائده عرضی که در جهت عرضی امتداد داشته و این زائده زوج می‌باشد.
2- زائده مفصلی فوقانی دو زائده است که به سمت بالا امتداد دارد.
جهت رویه مفصلی آن به عقب است. در زمان حیات رویه مفصلی با غضروف پوشیده شده است.
3- زائده مفصلی تحتانی: 2 زائده است و رو به پایین امتداد دارد. جهت رویه مفصلی آن به جلو است.
- بریدگی مهره تحتانی در بالای هر پدیکول این بریدگی کم عمق وجود دارد.
سوراخ بین مهره‌ای بریدگی‌های فوِ در هر طرف وقتی که مهره‌ها به واسطه دیسکهای بین مهره‌ای روی هم قرار می‌گیرند تشکیل سوراخ بین مهره‌ای را می‌دهند از این سوراخها طناب نخاعی عبور می‌کند.
انحنای ستون فقرات
ستون مهره‌ها شامل 4 انحناء است:
1- انحنای ناحیه گردنی
این انحناء دارای تحدب قدامی است که تا دومین مهره سینه‌ای ادامه دارد.
2- انحنای ناحیه سینه‌ای
این انحناء دارای تقعر قدامی است.
3- انحنای ناحیه کمری
این انحناء دارای تحدب قدامی است که از دوازدهمین مهره سینه‌ای شروع می‌شود این انحنای ثانوی در اواخر سال اول که بچه از حالت نشستن وارد حالت ایستادن و راه رفتن می‌شود، در مهره‌های کمری پدید می‌آید انحنای کمری در وضعیت قائم تشدید می‌شود و تنه مهره‌ها را به جدار قدامی شکم نزدیک می‌کند.
4- انحنای خاجی
این انحناء دارای تقعر قدامی است و برای جا دادن احشای لگنی می‌باشد.
خصوصیات مهره‌های کمری
1- فاقد رویه مفصلی برای دنده‌ها هستند.
2- فاقد سوراخ عرضی هستند.
3- تنه مهره درشت‌تر از سایر مهره‌ها است. ارتفاع تنه پنجمین مهره کمری (5 L ) در طرف جلو بیشتر از طرف عقب است. تنه چهارمین مهره کمری با بلندترین نقطه ستیغ خاصره همسطح است.
4- سوراخ مهره سه گوش است. از سوراخ مهره‌های سینه‌ای بزرگتر و از سوراخ مهره‌های گردنی کوچکتر است.
5- زائده خاری افقی، چهارگوش و ضخیم است.
6- روائد عرضی باریک و طویل است. زائده فرعی برجستگی است که در قسمت خلفی ریشه آنها دیده می‌شود. زائده‌های عرضی مهره پنجم کمری حجیم است و به آن رباط خاصره‌ای کمری اتصال می‌یابد.
7- زوائد مفصلی: رویه مفصلی زوائد فوقانی ناودانی و عمودی است در کنار خلفی آنها زائده پستانی وجود دارد. رویه مفصلی زائده‌های تحتانی محدب و استوانه‌ای است و باعث فلکسیون (Flexion) و اندکی اکتانسیون (Extension) می‌شود و حرکت چرخشی را شدیداً محدود می‌کند. زائده مفصلی تحتانی مهره پنجم کمری تخت است و با زائده مفصلی فوقانی اولین مهره ساکروم جفت می‌گردد.
دیسک بین مهره‌ای (Intervertebral Disc) :
دیسکهای بین مهره‌ای بیست تا سی درصد کل ارتفاع ستون فقرات را تشکیل می‌دهد. دیسک بین مهره‌ای از سه قسمت مجزا تشکیل شده است:
1- هسته نرم قسمت یا هسته مرکزی
2- حلقه محیطی یا حلقه فیبری
3- صفحات انتهائی غضروفی
هسته نرم یک ناحیه مرکزی است که شامل یک شبکه ژلاتینی و نیم شفاف از رشته‌های فیبری نرم است. هسته محتوی 7% تا 9% آب می‌باشد که در دوران خردسالی بیشترین مقدار را دارد و با سن کاهش می‌یابد. هسته‌های کمری 30% تا 50% کل سطح مقطع دیسک را تشکیل می‌دهند. اندازه هسته و همچنین ظرفیت تورم در نواحی گردنی و کمری بیشتر است.
- حلقه فیبری یک بخش از دیسک بین مهره‌ای است که بتدریج از مرکز به بیرون می‌توان آن را بطور مجزا تشخیص داد. حلقه فیبری مرز خارجی دیسک را تشکیل می‌دهد این ساختار شامل بافت فیبری در باندهای تیغه‌ای متمرکز می‌باشد. فایبرها در یک وضعیت مارپیچ (حلزونی) قرار دارند. پیچش این فایبرها در یک باند هم جهت است اما در هر دو باند مجاور جهت آنها مخالف یکدیگر است.