Bone Remodelling Model Incorporating Both Shape and Internal Structure Changes by Three Different Reconstruction Mechanisms. A Lumbar Spine Case

The paper presents a method of analysis of bone remodelling in the vicinity of implants. The authors aimed at building a model and numerical procedures which may be used as a tool in the prosthesis design process. The model proposed by the authors is based on the theory of adaptive elasticity and the lazy zone concept. It takes into consideration not only changes of the internal structure of the tissue (described by apparent density) but also surface remodelling and changes caused by the effects revealing some features of “creep”. Finite element analysis of a lumbar spinal segment with an artificial intervertebral disc was performed by means of the Ansys system with custom APDL code. The algorithms were in two variants: the so-called site-independent and site-specific. Resultant density distribution and modified shape of the vertebra are compared for both of them. It is shown that this two approaches predict the bone remodelling in different ways. A comparison with available clinical outcomes is also presented and similarities to the numerical results are pointed out.

Artykuł prezentuje metodę analizy przebudowy kości w otoczeniu implantów. Celem pracy było opracowanie modelu i procedur numerycznych mogących służyć jako narzędzie wspomagające projektowanie protez. Zaproponowany przez autorów model opiera się na teorii adaptacyjnej sprężystości i koncepcji strefy martwej. Uwzględnia on nie tylko zmiany struktury wewnętrznej tkanki (opisanej przez gęstość pozorną), ale także przebudowę powierzchniową i zmiany związane z efektami wykazującymi pewne cechy “pełzania”. Przeprowadzona została analiza metodą elementów skończonych segmentu ruchowego kręgosłupa ze sztucznym krążkiem międzykręgowym z wykorzystaniem systemu Ansys i własnego kodu APDL. Algorytmy zbudowano w dwóch wariantach: tzw. niezależnym i zależnym od miejsca. Porównano uzyskane rozkłady gęstości i zmiany kształtu pokazując, że obydwa warianty przebudowę kości przewidują w różny sposób. Zaprezentowano również porównanie wyników numerycznych z badaniami klinicznymi wskazując na ich podobieństwa.