Optimization of a multibody system of the human lumbar spine

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Biomateriais, Reabilitação e Biomecânica)Neste trabalho é apresentado um modelo multicorpo tridimensional (3D) da coluna lombar humana que permite o estudo dinâmico da coluna lombar como um todo, ou apenas das partes que a constituem, como por exemplo os binários e as forças a que cada disco intervertebral está sujeito. Primeiro realizou-se uma revisão da literatura sobre o tema, e em seguida sobre a anatomia da coluna e das suas doenças associadas, bem como algumas das soluções até à data. O modelo multicorpo é composto por seis vértebras, interconectadas por 50 elementos não-lineares de Maxwel que representam os 20 ligamentos mais importantes e cinco discos intervertebrais. As seis vértebras utilizadas são cinco lombares e o sacro que foram simuladas no WM como corpos rígidos e tanto a sua posição como a sua massa foram encontradas na literatura. Os ligamentos (LLP, LLA, LIS-LSS, LF) foram simulados como molas e os dados utilizados para formular as suas equações foram encontrados na literatura. Por outro lado os dados utilizados para os discos intervertebrais foram fornecidos por uma análise de movimento FEM realizada pelo grupo de projeto. Em ambos os casos os resultados obtidos pelo programa Working Model (WM) foram comparados com os dados de origem sendo notórias as semelhanças entre as curvas. O modelo foi validado através de dados recolhidos na literatura e fornecidos pelo OrthoLoad, demonstrando bons resultados No final foi possível observar a distribuição das forças e ou binários nos diferentes níveis durante vários tipos de movimentos: flexão-extensão, flexão lateral e rotação axial.A novel 3D multibody system model of the human lumbar spine is presented, allowing the dynamic study of the entire lumbar spine, or only the parts that make part of it, such as the force and torques that each intervertebral disc (IVD) is subjected. The first chapter of this work summarizes the literature review of the state-of-the-art while the second chapter presents the anatomy of the spine and associated diseases as well as some of the current solutions. The multibody model is composed by six vertebrae, interconnected through fifty nonlinear Maxwell elements (spring/damper parallel sets) emulating the twenty main ligaments, five intervertebral discs and facet joints simulated as separators. The six vertebrae (five lumbar vertebrae and the sacrum) were simulated as rigid bodies and their position and mass were found in the literature. Ligaments (PLL, ALL, LIS-LSS, LF) were simulated as springs and the data used to characterize the spring constant was found in the literature, on the other hand the spring constant of the intervertebral discs were characterized with data from the finite elements of the project work group. In both cases the results obtained by WM program data were compared with the original source and the similarities between the curves are evident. The model was validated using data collected from literature and provided by OrthoLoad, showing good results. At the end was possible to see the force/torque distribution along the levels during several movements: flexion-extension, lateral bending and axial rotation