Finite element (FE) models have frequently been used to analyze spine biomechanics. Material parameters assigned to FE spine models are generally uncertain, and their effect on the characterization of the spinal components is not clear. In this study, we aimed to analyze the effect of model parameters on the range of motion, stress, and strain responses of a FE cervical spine model. To do so, we created a computed tomography-based FE model that consisted of C2-C3 vertebrae, intervertebral disc, facet joints, and ligaments. A total of 32 FE analyses were carried out for two different elastic modulus equations and four different bone layer numbers under four different loading conditions. We evaluated the effects of elastic modulus equations and layer number on the biomechanical behavior of the FE spine model by taking the range of angular motion, stress, and strain responses into account. We found that the angular motions of the one- and two-layer models had a greater variation than those in the models with four and eight layers. The angular motions obtained for the four- and eight-layer models were almost the same, indicating that the use of a four-layer model would be sufficient to achieve a stress value converging to a certain level as the number of layers increases. We also observed that the equation proposed by Gupta and Dan (2004) agreed well with the experimental angular motion data. The outcomes of this study are expected to contribute to the determination of the model parameters used in FE spine models.

中文翻译：

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模型参数对有限元颈椎模型生物力学行为的影响

有限元 (FE) 模型经常用于分析脊柱生物力学。分配给 FE 脊柱模型的材料参数通常是不确定的，它们对脊柱组件特征的影响尚不清楚。在本研究中，我们旨在分析模型参数对有限元颈椎模型的运动范围、应力和应变响应的影响。为此，我们创建了一个基于计算机断层扫描的 FE 模型，该模型由 C2-C3 椎骨、椎间盘、小关节和韧带组成。在四种不同的载荷条件下，对两种不同的弹性模量方程和四种不同的骨层数进行了总共 32 次有限元分析。我们通过获取角运动范围来评估弹性模量方程和层数对有限元脊柱模型生物力学行为的影响，应力和应变反应考虑在内。我们发现一层和二层模型的角运动比四层和八层模型的角运动变化更大。四层和八层模型获得的角运动几乎相同，表明使用四层模型足以实现随着层数增加而收敛到一定水平的应力值。我们还观察到 Gupta 和 Dan (2004) 提出的方程与实验角运动数据非常吻合。预计本研究的结果将有助于确定 FE 脊柱模型中使用的模型参数。我们发现一层和二层模型的角运动比四层和八层模型的角运动变化更大。四层和八层模型获得的角运动几乎相同，表明使用四层模型足以实现随着层数增加而收敛到一定水平的应力值。我们还观察到 Gupta 和 Dan (2004) 提出的方程与实验角运动数据非常吻合。预计本研究的结果将有助于确定 FE 脊柱模型中使用的模型参数。我们发现一层和二层模型的角运动比四层和八层模型的角运动变化更大。四层和八层模型获得的角运动几乎相同，表明使用四层模型足以实现随着层数增加而收敛到一定水平的应力值。我们还观察到 Gupta 和 Dan (2004) 提出的方程与实验角运动数据非常吻合。预计本研究的结果将有助于确定 FE 脊柱模型中使用的模型参数。表明使用四层模型足以实现应力值随着层数的增加收敛到某个水平。我们还观察到 Gupta 和 Dan (2004) 提出的方程与实验角运动数据非常吻合。预计本研究的结果将有助于确定 FE 脊柱模型中使用的模型参数。表明使用四层模型足以实现应力值随着层数的增加收敛到某个水平。我们还观察到 Gupta 和 Dan (2004) 提出的方程与实验角运动数据非常吻合。预计本研究的结果将有助于确定 FE 脊柱模型中使用的模型参数。