چكيده‌
در مطالعه‌ انجام‌ شده‌ راهها و روشهاي‌ كاهش‌ درد در ستون‌ فقرات‌ و كمر بوسيله‌ كاهش‌ فشار به‌ عصب‌ و نخاع‌ در جابجايي‌ها و آسيب‌ ديده‌گيهاي‌ مهره‌ مورد بررسي‌ قرار گرفته‌ است‌. براي‌ رسيدن‌ به‌ اين‌ مقصود البته‌ تحقيقاتي‌ درمورد آسيب‌ ديده‌گيها و بيماريهاي‌ ستون‌ فقرات‌، باري‌ و همان‌هاي‌ وارد شونده‌ به‌ مهره‌ها، انواع‌ تثبيت‌ كننده‌هاي‌ ستون‌ فقرات‌ انجام‌ شده‌ و در ادامه‌ اصول‌ جايگذاري‌ كيج‌ها، انواع‌ مختلف‌ آن‌ و مزيت‌هاي‌ هر يك‌ به‌ تفصيل‌ مورد ارزيابي‌ قرار گرفته‌ است‌.
در گام‌ بعدي‌ به‌ مفاهيم‌ فتق‌ ديسك‌ (Degenerative) ، فيوژن‌ ستون‌ فقرات‌ و اثرات‌ پيوندهاي‌ استخواني‌ (bonegraft) در استحكام‌ استخوان‌ پرداخته‌ شده‌ و تأثيرات‌ آلياژهاي‌ سازنده‌ ايمپلنتها در چگونگي‌ عملكرد آنها مورد بررسي‌ قرار گرفته‌ است‌.

از اهداف‌ ديگر اين‌ تحقيق‌ مي‌توان‌ به‌ روشهاي‌ بهينه‌ سازي‌ كيج‌ها از طريق‌ ايجاد مدل‌ المان‌ محدود براي‌ تعيين‌ رفتار بيومكانيكي‌ ناحيه‌ كمري‌ ستون‌ فقرات‌ اشاره‌ كرد كه‌ در اين‌ خصوص‌ ابتدا تحليل‌ بر تنشهاي‌ وارد بر كيج‌ LT (كيج‌ مخروطي‌) در حالتهاي‌ مختلف‌ standing ، extention ، lateral bending و flextion صورت‌ گرفت‌ و در نهايت‌ در گامي‌ ديگر، مقايسه‌اي‌ نيز بين‌ تنشهاي‌ وارد بر سطوح‌ تكيه‌گاهي‌ روكيج‌ LT و Jaguar انجام‌ پذيرفت‌ كه‌ نتايج‌ بدست‌ آمده‌ از حالتهاي‌ مختلف‌

Standing ، extention ، lateral bending و flextion بر روي‌ سطح‌ تكيه‌گاهي‌ (inferior) كيج‌ LT حاكي‌ از آن‌ بود كه‌ بيشترين‌ تنش‌ Vonmrses به‌ ترتيب‌ مربوط‌ به‌ حالت‌ lateral bending ، externion ، به‌ flextion و كمترين‌ تنش‌ نيز مربوط‌ به‌ حالت‌ standing مي‌باشد. بنابراين‌ افرادي‌ كه‌ از اين‌ نوع‌ كيج‌ استفاده‌ مي‌كنند بايد از حركات‌ جانبي‌ بيش‌ از ۵ درجه‌ و حركات‌ extention (خم‌ شدن‌ به‌ پشت‌) بيش‌ از ۳ درجه‌ كه‌ تنشي‌ بين‌ از حالت‌ flextion ايجاد مي‌كند خودداري‌ كند.

همچنين‌ مقايسه‌اي‌ كه‌ بين‌ كيج‌ LT و كيج‌ Jaguar انجام‌ گرفت‌ نشان‌ داد كه‌ كيج‌ Jaguar در حالت‌ Standing يعني‌ بدون‌ همان‌ كمترين‌ تنش‌ را دارا مي‌باشد. اما زمانيكه‌ حالت‌ flextion را در ستون‌ فقرات‌ داريم‌ كيج‌ مكعب‌ مستطيل‌ (Jaguar cage) بيشترين‌ نقاط‌ ضعف‌ را بدليل‌ بالابودن‌ تنش‌ در نقاط‌ خاص‌ مانند گوشه‌ها و نقاط‌ تمركز تنش‌ از خود نشان‌ مي‌دهد. بنابراين‌ پيشنهاد مي‌گردد كه‌ كيج‌ Jaguar با توجه‌ به‌ قابليت‌ بالاي‌ stress shielding براي‌ افراد سالخورده‌ يا افرادي‌ كه‌ به‌ دلايل‌ خاص‌ از اورتزهاي‌ kinght tylor و ديگر تثبيت‌ كننده‌ها استفاده‌ مي‌كنند و كيج‌ LT نيز براي‌ ورزشكاران‌ و افراد جوانتر كه‌ نياز به‌ تحرك‌ بيشتري‌ مخصوصاً در حالت‌ flextion دارند استفاده‌ گردد.

مقدمه‌
ستون‌ فقرات‌ محور تنه‌ و اسكلت‌ انسان‌ را تشكيل‌ مي‌دهد و با توجه‌ به‌ بيماريهاي‌ مختلف‌ اين‌ بخش‌ از بدن‌ و گستردگي‌ آن‌ تعيين‌ راهها و روشهاي‌ كاهش‌ درد در ستون‌ فقرات‌ و كمر يكي‌ از اهداف‌ محققان‌، مهندسان‌ و جامعه‌ پزشكي‌ مي‌باشد. يكي‌ از اشكالات‌ بسيار شايع‌ در اين‌ خصوص‌ مشكلات‌ بوجود آمده‌ در ديسك‌ بين‌ مهره‌اي‌ و بيماريهاي‌ فتق‌ ديسك‌ مي‌باشد.

فتق‌ ديسك‌ در ستون‌ فقرات‌ عارضه‌ ايست‌ كه‌ بصورت‌ گسترده‌ در جوامع‌ مختلف‌ وجود دارد. راههاي‌ مختلفي‌ براي‌ درمان‌ آن‌ پيشنهاد و اجرا شده‌ است‌ كه‌ اين‌ روش‌ها روز به‌ روز كامل‌تر شده‌ و پيشرفت‌ خودشان‌ را در درمان‌ اين‌ بيماري‌ نشان‌ مي‌دهند. براي‌ درمان‌ ضايعات‌ فتق‌ ديسك‌ وسايل‌ و تجهيزات‌ خاصي‌ ابداع‌ و ساخته‌ شده‌ است‌ كه‌ يكي‌ از اين‌ وسايل‌ كيج‌ (Cage) مي‌باشد. كيج‌ وسيله‌ايست‌ كه‌ براي‌ درمان‌ فتق‌ ديسك‌ در ستون‌ فقرات‌ در نواحي‌ مختلف‌ آن‌ بكار مي‌رود.

به‌ طور كلي‌ كيج‌ها وسايلي‌ هستند كه‌ جوش‌ خوردن‌ استخوان‌ را در ستون‌ فقرات‌ بويژه‌ در بيماريهاي‌ تخريب‌ و فتق‌ ديسك‌ (Degenerative) تسريع‌ مي‌بخشد.
كيج‌ها انواع‌ مختلفي‌ دارند كه‌ هر روز شاهد پيشرفت‌ در نوع‌ طراحي‌، جنس‌ و نوع‌ جاگذاري‌ آن‌ هستيم‌.

مروري‌ بر آناتومي‌
ستون‌ فقرات‌ محور تنه‌ و اسكلت‌ آدمي‌ را تشكيل‌ مي‌دهد. اندام‌هاي‌ فوقاني‌ و تحتاني‌ بترتيب‌ توسط‌ كمربند شانه‌اي‌ و كمربند لگني‌ بر ستون‌ فقرات‌ تكيه‌ كرده‌ و به‌ آت‌ متصل‌ مي‌شوند. ستون‌ فقرات‌ از استخوان‌ مجزايي‌ بنام‌ مهره‌ كه‌ در يك‌ ستون‌ روي‌ هم‌ چيده‌ شده‌اند، تشكيل‌ شده‌ است‌. هر مهره‌ داراي‌ يك‌ بدنة‌ استوانه‌اي‌ است‌ كه‌ در تحمل‌ وزن‌ سهيم‌ است‌ و يك‌ قوس‌ استخواني‌ (Spinous process, lamina) كه‌ نخاع‌ را حمايت‌ مي‌كند و به‌ صورت‌ پوششي‌ براي‌ آن‌

است‌. قوس‌ استخواني‌ توسط‌ دو استوانه‌ كوچك‌ (pedicle) به‌ بدنه‌ متصل‌ شده‌ است‌. كانال‌ دايره‌اي‌ بين‌ بدنه‌، قوس‌ و pedicle ها نخاع‌ را احاطه‌ مي‌كند و كانال‌ ستون‌ فقرات‌ نام‌ دارد. بين‌ بدنة‌ كيج‌ها را با عمل‌هاي‌ جراحي‌ در بين‌ مهره‌ها قرار مي‌دهند كه‌ در اين‌ جراحي‌ ضمن‌ نصب‌ كيج‌ عمل‌ فيوژن‌ (fusion) نيز انجام‌ مي‌پذيرد. در عمل‌ فيوژن‌ يا همجوشي‌ معمولاً از استخوان‌ خود شخصي‌ براي‌ پيوند استخوان‌ استفاده‌ مي‌شود.

با توجه‌ به‌ اينكه‌ امكان‌ بيرون‌ آوردن‌ كيج‌ از بدن‌ بيمار وجود دارد بنابراين‌ بايد مراحل‌ در طراحي‌ و ساخت‌ آن‌ با دقت‌ فراوان‌ انجام‌ پذيرد. تاكنون‌ مطالعات‌ چندي‌ به‌ منظور بررسي‌ اثر عوامل‌ مختلف‌ بر ميزان‌ تنشهاي‌ وارده‌ به‌ كيج‌هاي‌ ستون‌ فقرات‌ انجام‌ گرفته‌ كه‌ برخي‌ از آنها روي‌ بدن‌ انسان‌ در بعضي‌ روي‌ نمونه‌هاي‌ اجساد و برخي‌ ديگر روي‌ موشهاي‌ مصنوعي‌ انجام‌ شده‌اند، با توجه‌ به‌ مشكلاتي‌ كه‌ گريبان‌گير شيوه‌هاي‌ تجربي‌ است‌ مدلسازي‌ المان‌ محدود نيز به‌ عنوان‌ يكي‌ از روشهاي‌ مطالعه‌ مورد توجه‌ قرار گرفته‌ است‌.

در اين‌ بررسي‌ قصد بر آن‌ است‌ كه‌ ضمن‌ ارائه‌ تاريخچه‌اي‌ از بوجود آمدن‌ و ابداع‌ كيج‌ها و Spacer هاي‌ ستون‌ فقرات‌ به‌ بيان‌ چگونگي‌ نيوژن‌ ستون‌ فقران‌ و روشهاي‌ جراحي‌ آن‌ پرداخته‌ شود. در اين‌ خصوص‌ مقايسه‌اي‌ بين‌ و كيج‌ LT در كيج‌ مخروطي‌ وكيج‌ Jaguar مستطيلي‌ با استفاده‌ از روشهاي‌ FEM و نرم‌افزار Ansys انجام‌ گرفته‌ كه‌ نتايج‌ آن‌ در فصل‌ آخر بيان‌ شده‌ است‌.

آناتومي‌ ستون‌ فقرات‌
ستون‌ مهره‌ (Spine) يكي‌ از پيچيده‌ترين‌ قسمتهاي‌ اسكلت‌ بدن‌ مي‌باشد. اين‌ ستون‌، اسكلت‌ محوري‌ بدن‌ را تشكيل‌ داده‌ و از طريق‌ آن‌ وزن‌ تنه‌، سر و گردن‌ و اندامها به‌ مفاصل‌ لگن‌ و اندامهاي‌ تحتاني‌ منتقل‌ مي‌شوند. ستون‌ مهره‌ از قاعدة‌ جمجمه‌ شروع‌ و تا ناحية‌ لگن‌ ادامه‌ دارد. تعدادمهره‌ها در ستون‌ فقرات‌ ۳۳ عدد مي‌باشد ولي‌ بعلت‌ جوش‌ خوردن‌ مهره‌هاي‌ خاجي‌ و دنبالچه‌، در يك‌ فرد بالغ‌ ستون‌ فقرات‌ از ۲۶ قطعه‌ تشكيل‌ مي‌شود. ستون‌ فقرات‌ از نيم‌ رخ‌ داراي‌ چهار انحنا

است‌ كه‌ شامل‌ دو انحناء اوليه‌ و دو انحناء ثانويه‌ مي‌باشد. انحناهاي‌ مختلف‌ ستون‌ فقرات‌ باعث‌ توزيع‌ مناسب‌ نيرو گرديده‌ و از اعمال‌ فشار نامناسب‌ بر ستون‌ مهره‌ و لگن‌ جلوگيري‌ مي‌كند. در بعضي‌ از افراد ممكن‌ است‌ به‌ دلايل‌ پاتولوژيك‌ و يا تكامل‌ غير طبيعي‌ مهره‌ها، قوسهاي‌ غيرطبيعي‌ در ستون‌ فقرات‌ ايجاد شود، كه‌ در اين‌ صورت‌ بايد با عمل‌ جراحي‌ و با استفاده‌ از ايمپلانتهاي‌ مهره‌اي‌ اين‌ قوسها را تصحيح‌ نمود.

تقسيم‌بندي‌ منطقه‌اي‌ ستون‌ مهره‌ها:
۱- مهره‌هاي‌ گردني‌ (Cervical Vertebral) به‌ تعداد ۷ مهر
۲- مهره‌هاي‌ سينه‌اي‌ (Thoracic Vertebral) به‌ تعداد ۱۲ مهره‌
۳- مهره‌هاي‌ كمري‌ (Lumbar Vertebral) به‌ تعداد ۵ مهره‌

۴- مهره‌هاي‌ ساكروم‌ يا خاجي‌ (Sacral Vertebral) به‌ تعداد ۵ عدد كه‌ بهم‌ جوش‌ خورده‌ و در بالغين‌ يك‌ عدد است‌.
۵- مهره‌ دنبالچه‌ (Coccyx) : يك‌ عدد بوده‌ كه‌ از جوش‌ خوردن‌ چهار مهره‌ ابتدايي‌ و تكامل‌ نيافته‌ ايجاد مي‌شود.

ساختمان‌ مهره‌هاي‌ ستون‌ فقرات‌
هر مهره‌ از دو بخش‌ اصلي‌ تشكيل‌ مي‌شود:
۱- تنه‌ مهره‌
۲- قوس‌ مهره‌
– تنة‌ مهره‌ به‌ شكل‌ استوانه‌اي‌ است‌ كه‌ داراي‌ شش‌ سطح‌ مي‌باشد. سطح‌ فوقاني‌ و تحتاني‌ هر مهره‌ از طريق‌ ديسك‌ بين‌ مهره‌اي‌ با مهره‌هاي‌ مجاور مفصل‌ مي‌شود (مفصل‌ كاذب‌ غضروفي‌). در ضخامت‌ جسم‌ مهره‌ها بافت‌ اسفنجي‌ وجود دارد. هندسه‌ تنه‌ مهره‌ها در تحمل‌ وزن‌ اهميت‌ دارد.
– قوس‌ مهره‌اي‌، از زوائدي‌ تشكيل‌ مي‌شود كه‌ نقش‌ اصلي‌ آنها محافظت‌ از نخاع‌ و حركت‌ در ستون‌ مهره‌ مي‌باشد.

ويژگيهاي‌ قوس‌ مهره‌اي‌:
هر قوس‌ مهره‌ در ايام‌ جنيني‌ از دو نيم‌ قوس‌ راست‌ و چپ‌ تشكيل‌ شده‌ كه‌ هر نيم‌ قوس‌ شامل‌ ۱- لامينا (Lamian) 2- پديكول‌ مي‌باشد.
از بهم‌ رسيدن‌ لاميناهاي‌ راست‌ و چپ‌ در عقب‌، زائدة‌ خلفي‌ بنام‌ زائده‌ خاري‌ ايجاد مي‌شود.
از محل‌ تلاقي‌ زائده‌ لامينا و زائده‌ پديكول‌ سه‌ زائده‌ خارج‌ مي‌شوند كه‌ عبارتند از:
۱- زائده‌ عرضي‌ كه‌ در جهت‌ عرضي‌ امتداد داشته‌ و اين‌ زائده‌ زوج‌ مي‌باشد.

۲- زائده‌ مفصلي‌ فوقاني‌ دو زائده‌ است‌ كه‌ به‌ سمت‌ بالا امتداد دارد.
جهت‌ روية‌ مفصلي‌ آن‌ به‌ عقب‌ است‌. در زمان‌ حيات‌ رويه‌ مفصلي‌ با غضروف‌ پوشيده‌ شده‌ است‌.
۳- زائدة‌ مفصلي‌ تحتاني‌: ۲ زائده‌ است‌ و رو به‌ پايين‌ امتداد دارد. جهت‌ روية‌ مفصلي‌ آن‌ به‌ جلو است‌.
– بريدگي‌ مهره‌ تحتاني‌ در بالاي‌ هر پديكول‌ اين‌ بريدگي‌ كم‌ عمق‌ وجود دارد.
سوراخ‌ بين‌ مهره‌اي‌ بريدگي‌هاي‌ فوِ در هر طرف‌ وقتي‌ كه‌ مهره‌ها به‌ واسطة‌ ديسكهاي‌ بين‌ مهره‌اي‌ روي‌ هم‌ قرار مي‌گيرند تشكيل‌ سوراخ‌ بين‌ مهره‌اي‌ را مي‌دهند از اين‌ سوراخها طناب‌ نخاعي‌ عبور مي‌كند.

انحناي‌ ستون‌ فقرات‌
ستون‌ مهره‌ها شامل‌ ۴ انحناء است‌:
۱- انحناي‌ ناحية‌ گردني‌
اين‌ انحناء داراي‌ تحدب‌ قدامي‌ است‌ كه‌ تا دومين‌ مهرة‌ سينه‌اي‌ ادامه‌ دارد.
۲- انحناي‌ ناحية‌ سينه‌اي‌
اين‌ انحناء داراي‌ تقعر قدامي‌ است‌.
۳- انحناي‌ ناحية‌ كمري‌

اين‌ انحناء داراي‌ تحدب‌ قدامي‌ است‌ كه‌ از دوازدهمين‌ مهرة‌ سينه‌اي‌ شروع‌ مي‌شود اين‌ انحناي‌ ثانوي‌ در اواخر سال‌ اول‌ كه‌ بچه‌ از حالت‌ نشستن‌ وارد حالت‌ ايستادن‌ و راه‌ رفتن‌ مي‌شود، در مهره‌هاي‌ كمري‌ پديد مي‌آيد انحناي‌ كمري‌ در وضعيت‌ قائم‌ تشديد مي‌شود و تنه‌ مهره‌ها را به‌ جدار قدامي‌ شكم‌ نزديك‌ مي‌كند.
۴- انحناي‌ خاجي‌
اين‌ انحناء داراي‌ تقعر قدامي‌ است‌ و براي‌ جا دادن‌ احشاي‌ لگني‌ مي‌باشد.

خصوصيات‌ مهره‌هاي‌ كمري‌
۱- فاقد رويه‌ مفصلي‌ براي‌ دنده‌ها هستند.

۲- فاقد سوراخ‌ عرضي‌ هستند.
۳- تنه‌ مهره‌ درشت‌تر از ساير مهره‌ها است‌. ارتفاع‌ تنه‌ پنجمين‌ مهرة‌ كمري‌ (۵ L ) در طرف‌ جلو بيشتر از طرف‌ عقب‌ است‌. تنه‌ چهارمين‌ مهره‌ كمري‌ با بلندترين‌ نقطه‌ ستيغ‌ خاصره‌ همسطح‌ است‌.
۴- سوراخ‌ مهره‌ سه‌ گوش‌ است‌. از سوراخ‌ مهره‌هاي‌ سينه‌اي‌ بزرگتر و از سوراخ‌ مهره‌هاي‌ گردني‌ كوچكتر است‌.
۵- زائدة‌ خاري‌ افقي‌، چهارگوش‌ و ضخيم‌ است‌.

۶- روائد عرضي‌ باريك‌ و طويل‌ است‌. زائدة‌ فرعي‌ برجستگي‌ است‌ كه‌ در قسمت‌ خلفي‌ ريشة‌ آنها ديده‌ مي‌شود. زائده‌هاي‌ عرضي‌ مهرة‌ پنجم‌ كمري‌ حجيم‌ است‌ و به‌ آن‌ رباط‌ خاصره‌اي‌ كمري‌ اتصال‌ مي‌يابد.

۷- زوائد مفصلي‌: روية‌ مفصلي‌ زوائد فوقاني‌ ناوداني‌ و عمودي‌ است‌ در كنار خلفي‌ آنها زائدة‌ پستاني‌ وجود دارد. روية‌ مفصلي‌ زائده‌هاي‌ تحتاني‌ محدب‌ و استوانه‌اي‌ است‌ و باعث‌ فلكسيون‌ (Flexion) و اندكي‌ اكتانسيون‌ (Extension) مي‌شود و حركت‌ چرخشي‌ را شديداً محدود مي‌كند. زائده‌ مفصلي‌ تحتاني‌ مهرة‌ پنجم‌ كمري‌ تخت‌ است‌ و با زائدة‌ مفصلي‌ فوقاني‌ اولين‌ مهرة‌ ساكروم‌ جفت‌ مي‌گردد.
ديسك‌ بين‌ مهره‌اي‌ (Intervertebral Disc) :

ديسكهاي‌ بين‌ مهره‌اي‌ بيست‌ تا سي‌ درصد كل‌ ارتفاع‌ ستون‌ فقرات‌ را تشكيل‌ مي‌دهد. ديسك‌ بين‌ مهره‌اي‌ از سه‌ قسمت‌ مجزا تشكيل‌ شده‌ است‌:
۱- هستة‌ نرم‌ قسمت‌ يا هستة‌ مركزي‌
۲- حلقة‌ محيطي‌ يا حلقة‌ فيبري‌
۳- صفحات‌ انتهائي‌ غضروفي‌

هستة‌ نرم‌ يك‌ ناحية‌ مركزي‌ است‌ كه‌ شامل‌ يك‌ شبكه‌ ژلاتيني‌ و نيم‌ شفاف‌ از رشته‌هاي‌ فيبري‌ نرم‌ است‌. هستة‌ محتوي‌ ۷% تا ۹% آب‌ مي‌باشد كه‌ در دوران‌ خردسالي‌ بيشترين‌ مقدار را دارد و با سن‌ كاهش‌ مي‌يابد. هسته‌هاي‌ كمري‌ ۳۰% تا ۵۰% كل‌ سطح‌ مقطع‌ ديسك‌ را تشكيل‌ مي‌دهند. اندازة‌ هسته‌ و همچنين‌ ظرفيت‌ تورم‌ در نواحي‌ گردني‌ و كمري‌ بيشتر است‌.

– حلقة‌ فيبري‌ يك‌ بخش‌ از ديسك‌ بين‌ مهره‌اي‌ است‌ كه‌ بتدريج‌ از مركز به‌ بيرون‌ مي‌توان‌ آن‌ را بطور مجزا تشخيص‌ داد. حلقة‌ فيبري‌ مرز خارجي‌ ديسك‌ را تشكيل‌ مي‌دهد اين‌ ساختار شامل‌ بافت‌ فيبري‌ در باندهاي‌ تيغه‌اي‌ متمركز مي‌باشد. فايبرها در يك‌ وضعيت‌ مارپيچ‌ (حلزوني‌) قرار دارند. پيچش‌ اين‌ فايبرها در يك‌ باند هم‌ جهت‌ است‌ اما در هر دو باند مجاور جهت‌ آنها مخالف‌ يكديگر است‌.

فايبرها در وضعيت‌ ْ۳۰ نسبت‌ به‌ صفحة‌ ديسك‌ قرار دارند. بنابراين‌ زاوية‌ بين‌ آنها در دو باند مجاور ْ۱۶۰ مي‌باشد.
– فايبرهاي‌ حلقه‌ محيطي‌ در نواحي‌ داخلي‌، به‌ صفحات‌ انتهايي‌ غضروفي‌ متصل‌ مي‌شوند درحاليكه‌ در نواحي‌ بيروني‌تر، آنها مستقيماً به‌ بافت‌ استخواني‌ بدنة‌ مهره‌ متصل‌ مي‌شوند و به‌ آنها فايبرهاي‌ Sharpey گفته‌ مي‌شود.
اين‌ اتصال‌ به‌ مهره‌ قويتر از ديگر اتصالات‌ مركزي‌ است‌ كه‌ يك‌ مشخصة‌ مفيد در ارزيابي‌ كلينيكي‌ صدمات‌ ستون‌ فقرات‌، پايداري‌ كلينيكي‌ و ساختارهاي‌ جراحي‌ مي‌باشد.

ليگامنت‌ها (Ligaments) :
ليگامنتها باندهاي‌ فيبروزي‌ هستند كه‌ موجب‌ افزايش‌ قدرت‌ مفاصل‌ مهره‌اي‌ شده‌ و از بين‌ هر مهره‌ در امتداد ستون‌ فقرات‌ عبور كرده‌ و وظيفة‌ آن‌ محدود كردن‌ حركات‌ اضافي‌ مفصل‌ مي‌باشد.
ليگامنتهاي‌ ستون‌ فقرات‌ عبارتند از:
۱- ليگامنت‌ طولي‌ قدامي‌ (Anterior Longitudinal Ligament)
2- ليگامنت‌ طولي‌ خلفي‌ (Posterior Longitudinal Ligament)
3- ليگامنت‌ كپسولي‌ (Capsular Ligament)

۴- ليگامنت‌ عرضي‌ (Transverse Ligament)
5- ليگامنت‌ فلاوم‌ (Flvum Ligament)
6- ليگامنت‌ بين‌ زائدة‌ خاري‌ (Interspinous Ligament)
7- ليگامنت‌ روي‌ زائده‌ خاري‌ (Supraspinous Ligament)

ليگامنتهاي‌ طولي‌ قدامي‌ و خلفي‌ وديسك‌ بين‌ آنها المانهاي‌ قدامي‌ و بقية‌ ليگامنتها المانهاي‌ خلفي‌ ناميده‌ مي‌شود. قوي‌ترين‌ ليگامنتها، ليگامنت‌ طولي‌ قدامي‌ و ليگامنت‌ كپسولي‌ هستند ولي‌ ليگامنت‌ طولي‌ خلفي‌ به‌ علت‌ نزديكي‌ به‌ نخاع‌ از اهميت‌ بيشتري‌ برخوردار است‌ واگر به‌ سمت‌ خلف‌ مهره‌ حركت‌ كند و باعث‌ شود كه‌ خون‌ به‌ سيستم‌ عصبي‌ نرسد، بعد از شش‌ ساعت‌ سيستم‌ عصبي‌ از كار مي‌افتد.

بيومكانيك‌ مهره‌ Biomechanics of Vertebral
ستون‌ فقرات‌ داراي‌ يك‌ ساختار مكانيكي‌ است‌. مهره‌ها به‌ صورت‌ يك‌ حالت‌ كنترل‌ شده‌ و متعادل‌ در يك‌ سيستم‌ پيچيده‌ از مفاصل‌، ليگامنتها و زائده‌ به‌ يكديگر متصل‌ مي‌باشند. اين‌ ساختار بلند، استوانه‌اي‌ شكل‌، ليگامنتي‌ و استخواني‌ بوسيلة‌ قفسة‌ سينه‌ بطور قابل‌ ملاحظه‌اي‌ محكم‌ شده‌ است‌. گرچه‌ ستون‌ فقرات‌ داراي‌ پايداري‌ ذاتي‌ ليگامنتي‌ مي‌باشد اما بخش‌ عمدة‌ پايداري‌ مكانيكي‌ آن‌ بدليل‌ ساختارهاي‌ ديناميكي‌ خيلي‌ وسيع‌ عص

بي‌ – عضلاني‌ و يك‌ سيستم‌ كنترلي‌ است‌. ساختار ستون‌ فقرات‌ بگونه‌اي‌ طراحي‌ شده‌ است‌ كه‌ از نخاع‌ كه‌ در مركزش‌ قرار دارد به‌ خوبي‌ حمايت‌ مي‌كند.
ستون‌ فقرات‌ داراي‌ حداقل‌ سه‌ عملكرد بيومكانيكي‌ زير مي‌باشد:
۱- انتقال‌ وزن‌ و ممانهاي‌ خمشي‌ سر و تنه‌ به‌ لگن‌
۲- اجازة‌ حركت‌ فيزيولوژيكي‌ بين‌ اين‌ سه‌ بخش‌ بدن‌

۳- حمايت‌ از نخاع‌ ظريف‌ و حساس‌ در برابر نيروهاي‌ مخرب‌ پتانسيلي‌ يا حركات‌ توليد شده‌ در اثر ضربه‌، كه‌ اين‌ مهمترين‌ عملكرد مي‌باشد. طول‌ ستون‌ مهره‌ بطور متوسط‌ در مردان‌ ۷۰ سانتيمتر و در زنان‌ ۶۰ سانتيمتر مي‌باشد. در حال‌ ايستاده‌ بعلت‌ انحناهاي‌ ستون‌ فقرات‌ حدود ۲ سانتيمتر از طول‌ آن‌ كم‌ مي‌شود. در افراد مسن‌ از طول‌ ستون‌ فقرات‌ به‌ علل‌ كم‌ شدن‌ ارتفاع‌ ديسك‌هاي‌ بين‌ مهره‌اي‌ و تشديد انحناهاي‌ ستون‌ فقرات‌، ارتفاع‌ ستون‌ مهره‌ به‌ ميزان‌ بيشتري‌ كمتر مي‌شود. حداكثر وزني‌ كه‌ يك‌ ستون‌ مهره‌ مي‌تواند بدون‌ خرد شدن‌ تحمل‌ كند، ۳۵۵ كيلوگرم‌ و حداكثر كششي‌ كه‌ مي‌تواند تحمل‌ كند بدون‌ آنكه‌ مهره‌ها از هم‌ جدا شوند ۱۵۲ كيلوگرم‌ مي‌باشد.

ضعيف‌ترين‌ قسمت‌ يك‌ ستون‌ مهره‌ ناحيه‌ گردن‌ است‌ كه‌ كمترين‌ وزن‌ بدن‌ را تحمل‌ مي‌كند. صدمات‌، بيشتر بر روي‌ ستون‌ مهره‌ در نقاطي‌ اتفاِ مي‌افتد كه‌:
۱- يك‌ قسمت‌ نسبتاً ثابت‌ ناحيه‌ ستون‌ مهره‌اي‌ به‌ يك‌ قسمت‌ نسبتاً متحرك‌ مي‌پيوندد مانند نحية‌ سينه‌اي‌ – كمري‌.
۲- جايي‌ كه‌ نيرو به‌ طريقة‌ اهرمي‌ اثر مي‌گذارد، مانند زائدة‌ Dens و ديسك‌ بين‌ مهره‌اي‌
۳- جائيكه‌ نيرو بطور مستقيم‌ اثر كند، مانند دنبالچه‌.

 

مكانيزم‌ انتقال‌ بار در مهره‌هاي‌ ستون‌ فقرات‌
گرچه‌ رويه‌هاي‌ مفصلي‌ مقداري‌ از بار فشاري‌ را انتقال‌ مي‌دهند، اما تنة‌ مهره‌ سهم‌ عمده‌اي‌ را در انتقال‌ بار بعهده‌ دارد. اين‌ بار از طريق‌ صفحات‌ انتهائي‌ تحتاني‌ از دو طريق‌ منتقل‌ مي‌شود:
۱- پوستة‌ كورتيكال‌

۲- هستة‌ اسفنجي‌
سهم‌ نسبي‌ اين‌ دو بخش‌ در انتقال‌ بار متفاوت‌ بوده‌ و در نتايج‌ تحقيقات‌ محققان‌ بطور متفاوت‌ ارائه‌ گرديده‌اند. نتايج‌ يكي‌ از مطالعات‌ بيانگر اينست‌ كه‌ سهم‌ انتقال‌ بار پوستة‌ كورتيكال‌ بيشتر از استخوان‌ اسفنجي‌ مي‌باشد و در تحقيقات‌ ديگر عنوان‌ گرديده‌ كه‌ ديوارة‌ جارجي‌ يك‌ مهره‌ با توجه‌ به‌ ضخامت‌ اندك‌ آن‌ تنها سهم‌ كمي‌ در انتقال‌ بار دارد.

نيروهاي‌ وارد بر ايمپلنتهاي‌ ستون‌ فقرات‌
به‌ طور كلي‌ ايمپلنتهاي‌ مورد مصرف‌ در درمان‌ نارسائي‌ها و جراحات‌ ستون‌ فقرات‌، در دوره‌ درمان‌ بارگذاري‌هاي‌ زير را متحمل‌ مي‌شوند:
الف‌) بارهاي‌ استاتيكي‌ (Static Loads) : ناشي‌ از وزن‌ ساختار ستون‌ فقرات‌ و اندام‌ فوقاني‌ و Trunk .
ب‌) بارهاي‌ كاري‌ (Working Loads) : در اثر حركت‌ فرد و بار برداري‌ احتمالي‌ در وضعيتهاي‌ مختلف‌.
ج‌) بارهاي‌ ارتعاشي‌ (Vibratory Loads) : با فركانس‌ و دامنه‌ كم‌ در اثر عمل‌ تنفس‌.

د) بارهاي‌ اتفاقي‌ (Accidental Loads)B اعمال‌ نيروهاي‌ اتفاقي‌ و شوكي‌
اعمال‌ بارهاي‌ تكراري‌ و بعبارتي‌ سيكلي‌ و تنشهاي‌ سيكلي‌ مي‌تواند در اين‌ ايمپلنتها به‌ ايجاد عيوب‌ ريز ساختار منجر شود. اين‌ عيوب‌ با ادامه‌ سيكلهاي‌ بارگذاري‌ جمع‌ شده‌ و مي‌تواند در حد ترك‌ و يا ديگر عيوب‌ گسترش‌ يابند كه‌ نهايتاً به‌ گسيختگي‌ و يا شكست‌ خستگي‌ ايمپلنت‌ موردنظر مي‌انجامد.
از طرفي‌ در ستون‌ فقرات‌ اينسترومنته‌ شده‌، با گذشت‌ زمان‌ مهره‌ معيوب‌ التيام‌ يافته‌ (و يا در صورت‌ اعمال‌ گرافت‌ استخواني‌ همجوشي‌ رخ‌ داده‌) و استخوان‌ رو به‌ بهبودي‌ رفته‌ و ميزان‌ بار حمل‌ شده‌ از سوي‌ ستون‌ فقرات‌ افزايش‌ مي‌يابد و به‌ همين‌ نسبت‌ بار كمتري‌ به‌ ايمپلنت‌ وارد مي‌شود. در حقيقت‌ با گذشت‌ زمان‌ مسابقه‌اي‌ ميان‌ خستگي‌ ايمپلنت‌ و همجوشي‌ استخوان‌ (Bone Fusion) وجود دارد.
امروزه‌ پس‌ از طراحي‌ و ساخت‌ يك‌ ثابت‌ كننده‌ ستون‌ مهره‌اي‌ از نوع‌ داخلي‌ (Internal) ، توان‌ بيومكانيكي‌ وسيله‌ در برقراري‌ پايداري‌ ستون‌ مهره‌ آسيب‌ ديده‌ مطالعه‌ مي‌گردد. ارزيابي‌ توان‌ بيومكانيكي‌ يك‌ وسيله‌ در شرايط‌ واقعي‌ فيزيولوژيكي‌ (In – Vivo) تحت‌ شرايط‌ بارگذاري‌ بسيار نزديك‌ به‌ شرايط‌ واقعي‌ بدن‌ و حركات‌ بدن‌ مستلزم‌ مطالعات‌ طولاني‌ و صرف‌ هزينه‌هاي‌ فراوان‌ مي‌باشد. بدين‌ لحاظ‌ امروزه‌ محققين‌ بمنظور ارزيابي‌ توان‌ بيومكانيكي‌ وسائل‌ تثبيت‌ كننده‌ از روشهاي‌ شبيه‌ سازي‌ استفاده‌ مي‌كنند.
تعيين‌ الگوهاي‌ شكست‌ در اثر اعمال‌ بار
بطور كلي‌ سه‌ نوع‌ الگوي‌ شكست‌ براي‌ صفحات‌ انتهايي‌ بوسيلة‌ Perry ارائه‌ شده‌ است‌.
۱- مركزي‌ (Central)
2- محيطي‌ (Peripheral)
3- كل‌ صفحة‌ انتهائي‌ (Entire End Plate)

مقاومت‌ فشاري‌ مهره‌ها

تعيين‌ مقاومت‌ فشاري‌ مهره‌ها از اوايل‌ پيدايش‌ علم‌ بيومكانيكي‌ موضوع‌ تحقيقات‌ دانشمندان‌ اين‌ رشته‌ بوده‌ است‌. موضوع‌ پرتاب‌ خلبان‌ (Piolt – Ejection) يكي‌ از مواردي‌ است‌ كه‌ لازمة‌ آن‌ تعيين‌ مقاومت‌ فشاري‌ مهره‌ مي‌باشد. به‌ طور كلي‌ مسئله‌ پرتاب‌ خلبان‌ از هواپيمايي‌ با سرعت‌ بالا به‌ كمك‌ يك‌ راكت‌ متصل‌ به‌ صندلي‌ موضوعي‌ است‌ كه‌ براي‌ مينيمم‌ كردن‌ ميزان‌ صدمه‌ به‌ ستون‌ فقرات‌ در زمان‌ پرتاب‌ لازم‌ است‌ كه‌ از يك‌ شتاب‌ پرتاب‌ ايمن‌ استفاده‌ شود و اين‌ احتياج‌ به‌ يك‌ دانش‌ دقيق‌ از مقاومت‌ آستانة‌ مهره‌ها دارد.

به‌ طور كلي‌ مقاومت‌ مهره‌ها با افزايش‌ سن‌ بويژه‌ بعد از سن‌ ۴۰ سالگي‌ كاهش‌ مي‌يابد.
Bell و همكارانش‌ نشان‌ دادند كه‌ يك‌ ارتباط‌ معين‌ بين‌ مقاومت‌ (تنش‌ شكست‌) و ميزان‌ بافت‌ استخواني‌ مهره‌ها وجود دارد.
نقطه‌ نظر مهم‌ ديگري‌ كه‌ بوسيله‌ بل‌ و همكارانش‌ گزارش‌ شد اين‌ بود كه‌ يك‌ فرسايش‌ اندك‌ در بافت‌ استخواني‌ موجب‌ كاهش‌ قابل‌ ملاحظه‌اي‌ در مقاومت‌ مهره‌ مي‌گردد.

 

نيروهاي‌ وارد بر ديسك‌ بين‌ مهره‌اي‌ (inter retebrol Disc)
ديسك‌ بزرگترين‌ ساختار بدن‌ انسان‌ است‌ كه‌ بدون‌ رگهاي‌ خوني‌ (Avascular) مي‌باشد و به‌ عنوان‌ يك‌ سيستم‌ قابل‌ انعطاف‌ باعث‌ ايجاد فاصله‌ بين‌ مهره‌هاي‌ مجاور مي‌گردد و نيروهاي‌ ماهيچه‌اي‌ و گرانشي‌ كه‌ بارهاي‌ فشاري‌ از آنها حاصل‌ مي‌شوند را منتقل‌ مي‌كند.
ديسك‌ بين‌ مهره‌اي‌ كه‌ اعمال‌ زيادي‌ را انجام‌ مي‌دهد در معرض‌ انواع‌ نيروها و ممانها قرار مي‌گيرد. هنگامي‌ كه‌ يك‌ شخص‌ در وضعيت‌ آناتوميكي‌ ايستاده‌ است‌ نيروهاي‌ وارد به‌ يك‌ ديسك‌ بيشتر از وزن‌ تنة‌ بالاي‌ ديسك‌ است‌.

Nachemsone و همكارانش‌ نشان‌ دادند كه‌ نيروي‌ وارد به‌ يك‌ ديسك‌ كمري‌ در يك‌ موقعيت‌ نشسته‌ سه‌ برابر بيشتر از وزن‌ تنة‌ بالاي‌ آن‌ مي‌باشد بعلاوه‌ با هر فعاليتي‌ كه‌ بارهاي‌ ديناميكي‌ هم‌ درگير مي‌شوند (مانند پريدن‌ و ضربه‌) بارهاي‌ واقعي‌ بر روي‌ ديسك‌ خيلي‌ بيشتر و شايد تا دو برابر موقعيتهاي‌ استاتيك‌ برسد. اين‌ بارها به‌ طور كلي‌ فشاري‌ مي‌باشند و تنش‌هاي‌ فشاري‌ در ديسك‌ ايجاد مي‌كنند.
ديك‌ همچنين‌ در معرض‌ انواع‌ بارها وتنشهاي‌ ديگر نيز قرار مي‌گيرد. تنشهاي‌ كششي‌ در بخشهاي‌ معيني‌ از ديسك‌ در طي‌ حركات‌ فلكسشن‌ و اكستنشن‌ و خمش‌ جانبي‌ (Lateral Bending) به‌ وجود مي‌آيند.

چرخش‌ محوري‌ تنه‌ نسبت‌ به‌ لگن‌ باعث‌ به‌ وجود آمدن‌ بارهاي‌ پيچشي‌ و در نتيجة‌ تنشهاي‌ برشي‌ در ديسك‌ مي‌گردد. چرخش‌ و خمش‌ در ديسك‌ باعث‌ ايجاد تنشهاي‌ كششي‌ و فشاري‌ و برشي‌ خواهد شد.

تست‌ مقاومت‌ فشاري‌ ديسك‌ بين‌ مهره‌اي‌
تست‌ فشار عمومي‌ترين‌ تست‌ مكانيكي‌ براي‌ مطالعة‌ ديسك‌ مي‌باشد چرا كه‌ ديسك‌ جز اصلي‌ انتقال‌ فشار ستون‌ فقرات‌ است‌. آزمايش‌هاي‌ زيادي‌ براي‌ تعيين‌ خواص‌ فشاري‌ ديسك‌ انجام‌ شده‌ است‌. يك‌ نمونه‌ آزمايش‌ با يك‌ ساختار شامل‌ يك‌ ديسك‌ كمري‌ با ليگامنتهاي‌ طولي‌ قدامي‌ و خلفي‌ سالم‌ يك‌ ضخامت‌ نازك‌ استخوان‌ در هر طرف‌ آن‌ مي‌باشد. نمونه‌ در يك‌ دستگاه‌ تست‌ فشار قرار داده‌ مي‌شود. اين‌ دستگاه‌ قادر است‌ كه‌ بار فشاري‌ كنترل‌ شده‌اي‌ را اعمال‌ نمايد. بار اعمال‌ شده‌ به‌ نمونه‌ و تغيير شكل‌ بوجود آمده‌ در آن‌ به‌ طور پيوسته‌ ثبت‌ مي‌شود.