Análise biomecânica dos mecanismos de estresse e degeneração do disco intervertebral lombar: um estudo baseado em modelagem 3D e método dos elementos finitos
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Data
2025-04-25
Autores
Schmitz, João Pedro
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Editor
Resumo
O estudo teve como objetivo principal analisar os mecanismos de estresse do disco intervertebral humano, especificamente na região lombar (L4-L5-S1), utilizando modelagem 3D obtida através de exames de imagens (ressonância magnética) e o Método dos Elementos Finitos (MEF) para análise, e compreender como diferentes combinações de cargas e movimentos como flexão, extensão, flexão lateral e torção, afetam as estruturas do disco intervertebral, especialmente o anel fibroso (AF) e o núcleo pulposo (NP), além disso, diferentes configurações de volume e posicionamento do NP de modelos saudáveis e degenerados (abaulados) foram comparados para avaliar o impacto da degeneração na biomecânica do disco. Obtendo as propriedades mecânicas dos modelos através de otimização direta, onde M1 (modelo saudável) e M1-A (abaulado) teve uma redução no modulo de elasticidade para o NP, e para o AF. Os modelos M2 e M2-A o modulo de elasticidade (E) do NP reduziu, já o AF recebeu um aumento. Além das propriedades e geometria do DIV os resultados mostraram que os modelos degenerados apresentaram maiores deslocamentos verticais, horizontais e tensões, especialmente durante a flexão e flexão lateral. A pressão equivalente (Von Mises) no núcleo pulposo também aumentou significativamente em modelos degenerados em M1-A e em M2-A durante a extensão, destacando a importância do posicionamento e volume do NP na distribuição de cargas. A simulação com sobrecarga em postura incorreta durante a flexão revelou deslocamentos significativas no disco L4-L5 e altas tensões no disco L5-S1. O estudo concluiu que a degeneração do disco intervertebral aumenta os deslocamentos e tensões, especialmente em movimentos de flexão, flexão lateral e torção, o volume e localização do núcleo pulposo influenciam diretamente na resistência do disco intervertebral e a adição de cargas durante as movimentações incorretas aceleram a degeneração DIV.
Abstract
The main objective of this study was to analyze the stress mechanisms of the human intervertebral disc, specifically in the lumbar region (L4-L5-S1), using 3D modeling obtained through imaging exams (magnetic resonance imaging) and the Finite Element Method (FEM) for analysis. The study aimed to understand how different combinations of loads and movements—such as flexion, extension, lateral flexion, and torsion—affect the intervertebral disc structures, particularly the annulus fibrosus (AF) and nucleus pulposus (NP). Additionally, different volume configurations and NP positioning in healthy and degenerated (bulging) models were compared to assess the impact of degeneration on disc biomechanics.The mechanical properties of the models were obtained through direct optimization, where M1 (healthy model) and M1-A (bulging) showed a reduction in the elastic modulus for both the NP and AF. In models M2 and M2-A, the NP’s elastic modulus (EEE) decreased, while the AF’s modulus increased. Beyond the properties and geometry of the intervertebral disc (IVD), the results showed that degenerated models exhibited greater vertical and horizontal displacements and higher stress levels, especially during flexion and lateral flexion.The equivalent pressure (Von Mises stress) in the nucleus pulposus also increased significantly in degenerated models M1-A and M2-A during extension, highlighting the importance of NP positioning and volume in load distribution. The simulation of overload in an incorrect posture during flexion revealed significant displacements in the L4-L5 disc and high stress in the L5-S1 disc.The study concluded that intervertebral disc degeneration increases displacements and stress, particularly during flexion, lateral flexion, and torsion movements. The volume and location of the nucleus pulposus directly influence the resistance of the intervertebral disc, and the addition of loads during improper movements accelerates IVD degeneration.
Descrição
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal da Integração Latino-Americana, como parte integrante dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.
Palavras-chave
disco intervertebral, coluna lombar, estresse (Fisiologia), modelagem