Известия Саратовского университета. Новая серия.

Серия Математика. Механика. Информатика

ISSN 1816-9791 (Print)
ISSN 2541-9005 (Online)

Для цитирования:

Донник А. М., Иванов Д. В., Киреев С. И., Коссович Л. Ю., Островский Н. В., Норкин И. А., Левченко К. К., Лихачев С. В. Извлечение клинически значимых данных из биомеханического моделирования вариантов хирургического лечения травмы позвоночника при повреждении позвонков TH10, TH11 // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2019. Т. 19, вып. 4. С. 439-453. DOI: 10.18500/1816-9791-2019-19-4-439-453, EDN: WWAPOI

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
02.12.2019
Полный текст:
скачать
(downloads: 212)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Механика
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
539.3:617.547
DOI: 
10.18500/1816-9791-2019-19-4-439-453
EDN: 
WWAPOI

Извлечение клинически значимых данных из биомеханического моделирования вариантов хирургического лечения травмы позвоночника при повреждении позвонков TH10, TH11

Авторы: 
Донник Анна Михайловна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Иванов Дмитрий Валерьевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Киреев Сергей Иванович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Коссович Леонид Юрьевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Островский Николай Владимирович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Норкин Игорь Алексеевич , Саратовский государственный медицинский университет имени В. И. Разумовского
Левченко Кристина Константиновна, Саратовский государственный медицинский университет имени В. И. Разумовского
Лихачев Сергей Вячеславович, Саратовский государственный медицинский университет имени В. И. Разумовского
Аннотация: 

В работе построены две трехмерные геометрические твердотельные модели сегмента позвоночника Th7-L1 (Модель 1, Модель 2) с металлоконструкцией. Модели включают в себя позвонки Th7, Th8, Th9, Th10, Th11, Th12, L1, межпозвонковые диски, фасеточные суставы и связки, элементы металлоконструкции. В Модели 1 кортикальный и губчатый слои построены трехмерными твердотельными объектами, фасеточные суставы и межпозвонковые диски — трехмерными твердотельными объектами, связки – одномерными объектами. В Модели 2 губчатый слой костной ткани построен трехмерным твердотельным объектом, кортикальный слой — оболочкой толщиной 1 мм, фасеточные суставы и межпозвонковые диски — трехмерными твердотельными объектами, связки — одномерными. Тела приняты линейными, изотропными, однородными. Механические свойства всех биологических тканей и металла заданы на основе литературных данных. Решена задача статики упругого тела. Получены поля полных перемещений и эквивалентных напряжений по Мизесу для каждой точки построенных моделей при характерных нагрузках. Анализ поля эквивалентных напряжений позволяет выявить зоны позвоночника, наиболее подверженные разрушениям. Анализ поля полных перемещений дает возможность оценить стабильность и надежность фиксации при стандартных физиологических нагрузках. 

Ключевые слова: 
биомеханическое моделирование
позвоночник
повреждения позвоночника
позвоночно-двигательный сегмент
биомеханическая модель
твердотельная модель
Список источников: 
  1. Shulga A. E., Ninel’ V. G., Norkin I. A., Puchin’yan D. M., Zaretskov V. V., Korshunova G. A., Ostrovskii V. V., Smolkin A. A. Contemporary views on the pathogenesis of trauma to the spinal cord and peripheral nerve trunks // Neuroscience and Behavioral Physiology. 2015. Vol. 45, № 7. P. 811–819. DOI: https://doi.org/10.1007/s11055-015-0148-y
  2. Зарецков В. В., Арсениевич В. Б., Лихачев С. В., Шульга А. Е., Степухович С. В., Богомолова Н. В. Застарелое повреждение переходного грудопоясничного отдела позвоночника // Ортопедия, травматология и восстановительная хирургия детского возраста. 2015. Т. 4, № 2. С. 61–66.
  3. Кучумов А. Г. Биомеханическое моделирование фиксаторов из сплавов с памятью формы, применяющихся в челюстно-лицевой хирургии : дис. ... канд. физ.-мат. наук. Саратов, 2009. 112 с.
  4. Тверье В. М., Симановская Е. Ю., Еловикова А. Н., Няшин Ю. И., Киченко А. А. Биомеханический анализ развития и функционирования зубочелюстной системы человека // Российский журнал биомеханики. 2007. Т. 11, № 4. С. 84–104.
  5. Маркин В. А. Диагностические и прогностические ресурсы современных методов клинической и биомеханической оценки внутрикостных дентальных имплантатов : дис. ... д-ра мед. наук. М., 2006. 205 с.
  6. Тверье В. М. Биомеханическое моделирование онтогенеза зубочелюстной системы человека // XI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Казань, 20–24 августа 2015 г.) : сб. докл. Казань, 2015. С. 3686– 3688.
  7. Тверье В. М., Няшин Ю. И.,. Никитин В. Н Биомеханическое моделирование формирования и развития зубочелюстной системы человека // XVII Зимняя школа по механике сплошных сред : тез. докл. Пермь, 2011. С. 309.
  8. Никитин В. Н. Биомеханическое моделирование коррекции прикуса зубочелюстной системы человека : дис. канд. физ.-мат. наук. Пермь, 2017. 161 с.
  9. Кудяшев А. Л., Хоминец В. В., Теремшонок А. В., Коростелев К. Е., Нагорный Е. Б., Доль А. В., Иванов Д. В., Кириллова И. В., Коссович Л. Ю. Биомеханические предпосылки формирования проксимального переходного кифоза после транспедикулярной фиксации поясничного отдела позвоночника // Российский журнал биомеханики. 2017. Т. 21, № 3. С. 313–323. DOI: https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2017.3.07
  10. Гаврюшин С. С., Кузьмичев В. А., Грибов Д. А. Биомеханическое моделирование хирургического лечения воронкообразной деформации грудной клетки // Российский журнал биомеханики. 2014. Т. 18, № 1 (63). С. 36–47.
  11. Лихачев С. В., Зарецков В. В., Арсениевич В. Б., Щаницын И. Н., Шульга А. Е., Зарецков В. В., Иванов Д. В. Оптимизация использования транспедикулярного спондилосинтеза при повреждениях типа А3 переходного грудопоясничного отдела позвоночника: клинико-экспериментальное исследование // Саратовский научномедицинский журнал. 2019. Т. 15, № 2. С. 275–283.
  12. Rohlmann A., Zander T., Rao M., Bergmann G. Applying a follower load delivers realistic results for simulating standing // Journal of Biomechanics. 2009. Vol. 42, iss. 10. P. 1520– 1526. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2009.03.048
  13. Du C- F., Yang N., Guo J- C., Huang Y- P., Zhang C. Biomechanical response of lumbar facet joints under follower preload: a finite element study // BMC Musculoskelet Disord. 2016. Vol. 17, iss. 1. Art. 980. DOI: https://doi.org/10.1186/s12891-016-0980-4
  14. Shirazi-Adl A., Ahmed A., Shrivastava S. A finite element study of a lumbar motion segment subjected to pure sagittal plane moments // Journal of Biomechanics. 1986. Vol. 19, № 4. P. 331–350. DOI: https://doi.org/10.1016/0021-9290(86)90009-6
  15. Sharabi M., Levi-Sasson A., Wolfson R., Wade K. R., Galbusera F., Benayahu D., Wilke H.- J., Haj-Ali R. The Mechanical Role of the Radial Fiber Network Within the Annulus Fibrosus of the Lumbar Intervertebral Disc: A Finite Elements Study // Journal of Biomechanical Engineering. 2019. Vol. 141, iss. 2. Art. 021006. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4041769
  16. Totoribe K., Tajima N., Chosa E. A biomechanical study of posterolateral lumbar fusion using a three-dimensional nonlinear finite element method // Journal of Orthopaedic Science. 1999. Vol. 4, № 2. P. 115–126.
  17. Wu H.-C., Yao R.-F. Mechanical behavior of the human annulus fibrosus // Journal of Biomechanics. 1976. Vol. 9, № 1. P. 1–7. DOI: https://doi.org/10.1016/0021-9290(76)90132-9
  18. Rohlmann A., Zander T., Rao M., Bergmann G. Applying a follower load delivers realistic results for simulating standing // Journal of Biomechanics. 2009. Vol. 42, iss. 10. P. 1520– 1526. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2009.03.048
  19. Goel V. K., Kong W., Han J. S., Weinstein J. N., Gilbertson L. G. A combined finite element and optimization investigation of lumbar spine mechanics with and without muscles // Spine. 1993. Vol. 18, № 11. P. 1531–1536.
  20. Moramarco V., del Palomar A. P., Pappalettere C., Doblary M. An accurate validation of a computational model of a human lumbosacral segment // Journal of Biomechanics. 2010. Vol. 43, iss 2. P. 334–342. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2009.07.042
  21. Chen C.-S., Cheng C.-K., Liu C.-L., Lo W.-H. Stress analysis of the disc adjacent to interbody fusion in lumbar spine // Medical Engineering & Physics. 2001. Vol. 23, iss. 7. P. 483–491. DOI: https://doi.org/10.1016/S1350-4533(01)00076-5
  22. Chazal J., Tanguy A., Bourges M., Gaurel G., Escande G., Guillot M. Biomechanical properties of spinal ligaments and a histological study of the supraspinal ligament in traction // Journal of Biomechanics. 1985. Vol. 18, № 3. P. 167–176. DOI: https://doi.org/10.1016/0021-9290(85)90202-7
  23. Донник А. М., Кириллова И. В., Коссович Л. Ю., Левченко К. К., Лихачев С. В. Возможность использования биомеханического моделирования на этапе предоперационного планирования при травмах позвоночника // Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики : сб. тр. Междунар. науч. конф. (Воронеж, 18–20 декабря 2017 г.). Воронеж, 2019. С. 218–223.
  24. Доль А. В., Доль Е. С., Иванов Д. В. Биомеханическое моделирование вариантов хирургического реконструктивного лечения спондилолистеза позвоночника на уровне L4 - L5 // Российский журнал биомеханики. 2018. T. 22, № 1. C. 31–44. DOI: https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2018.1.00
  25. Kiapour A., Ambati D., Hoy R. W., Goel V. Effect of graded facetectomy on biomechanics of Dynesis dynamic stabilization system // Spine. 2012. Vol. 37, iss. 10. P. E581–E589. DOI: https://doi.org/10.1097/BRS.0b013e3182463775
  26. Goel V., Kim K., Young E., Lim T. H., Weinstein J. N. An analytical investigation of the mechanics of spinal instrumentation // Spine. 1998. Vol. 13, iss. 9. P. 1003–1011. DOI: https://doi.org/10.1097/00007632-198809000-00007
  27. Lee K. K., Teo E. C., Fuss F. K., Vanneuville V., Qiu T. X., Ng H. W., Yang K., Sabitzer R. J. Finite-element analysis for lumbar interbody fusion under axial loading // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2004. Vol. 51, № 3. P. 393–400. DOI: https://doi.org/10.1109/TBME.2003.820994
  28. Nolte L. P., Panjabi M. M., Oxland T. R. Biomechanical properties of lumbar spinal ligaments // Heimke G., Soltesz U., Lee A. J. C. (eds.). Clinical Implant Materials. Advancesin Biomaterials, vol. 9. Heidelberg, Germany : Elsevier, 1990. P. 663–668.
  29. Donnik A. M., Kirillova I. V., Kossovich L. Yu., Zaretskov V. V., Lykhachev S. V., Norkin I. A. Biomechanical modeling of reconstructive intervention on the thoracolumbar transition // AIP Conference Proceedings. 2018. Vol. 1959, iss. 1. Art. 090002. DOI: https://doi.org/10.1063/1.50347412018
  30. Lee S. H., Im Y. J., Kim K. T., Kim Y. H., Park W. M., Kim K. Comparison of cervical spine biomechanics after fixed-and mobile-core artificial disc replacement: A finite element analysis // Spine. 2011. Vol. 36, iss. 9. P. 700–708. DOI: https://doi.org/10.1097/BRS.0b013e3181f5cb87.
  31. Dong L., Li G., Mao H., Marek S., Yang K. H. Development and validation of a 10-year-old child ligamentous cervical spine finite element model // Annals of Biomedical Engineering. 2013. Vol. 41, № 2. P. 2538–2552. DOI: https://doi.org/10.1007/s10439-013-0858-7
  32. Zahari S. N., Latif M. J. A., Rahim N. R. A., Kadir M. R. A., Kamarul T. The effects of physiological biomechanical loading on intradiscal pressure and annulus stress in lumbar spine: A finite element analysis // Journal of Healthcare Engineering. 2017. Vol. 2017. Art. 9618940. DOI: https://doi.org/10.1155/2017/9618940
  33. Kim Y. H., Khuyagbaatar B., Kim K. Recent advances in finite element modeling of the human cervical spine // Journal of Mechanical Science and Technology. 2018. Vol. 32, iss. 1. P. 1–10. DOI: https://doi.org/10.1007/s12206-017-1201-2
  34. Nedoma J., Stehlik J., Hlavacek I., Danek J., Dostalova T., Preckova P. Mathematical and computational methods and algorithms in biomechanics of human skeletal systems: An introduction. John Wiley & Sons, 2011. 300 p. DOI: https://doi.org/10.1002/9781118006474
  35. Байков Е. С. Прогнозирование результатов хирургического лечения грыж поясничных межпозвонковых дисков : дис. канд. мед. наук. Новосибирск, 2014. 135 с.
Поступила в редакцию: 
13.04.2019
Принята к публикации: 
10.06.2019
Опубликована: 
02.12.2019
  • 1405 просмотров