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., Коссович Л. Ю., Левченко К. К., Киреев С. И., Морозов К. М., Островский Н. В., Зарецков В. В., Лихачев С. В. Создание трехмерных твердотельных моделей позвоночника с транспедикулярной фиксацией c использованием специализированного программного обеспечения // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Математика. Механика. Информатика. 2019. Т. 19, вып. 4. С. 424-438. DOI: 10.18500/1816-9791-2019-19-4-424-438, EDN: OUPPGG

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
02.12.2019
Полный текст:
скачать
(downloads: 240)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Механика
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
539.3:617.547
DOI: 
10.18500/1816-9791-2019-19-4-424-438
EDN: 
OUPPGG

Создание трехмерных твердотельных моделей позвоночника с транспедикулярной фиксацией c использованием специализированного программного обеспечения

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
Коссович Леонид Юрьевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Левченко Кристина Константиновна, Саратовский государственный медицинский университет имени В. И. Разумовского
Киреев Сергей Иванович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Морозов Константин Моисеевич, Московская медицинская академия им И.М. Сеченова
Островский Николай Владимирович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Зарецков Владимир Владимирович, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Лихачев Сергей Вячеславович, Саратовский государственный медицинский университет имени В. И. Разумовского
Аннотация: 

Биомеханические эксперименты широко применяются для изучения механических характеристик элементов позвоночника при различных видах нагружения. Для исследования поведения позвоночника после хирургического вмешательства с использованием биомеханического эксперимента важно правильное построение трехмерных твердотельных моделей. Существует несколько подходов к моделированию каждой анатомической составлящей позвоночного столба. Общепринятым считается построение тел позвонков на основе результатов компьютерной томографии. Межпозвонковые диски моделируются в виде объемных тел. Фасеточные суставы и связки при подготовке к расчетам задаются в виде контактных условий. Работа посвящена построению трехмерной геометрической твердотельной модели сегмента позвоночника Th7-L1 с транспедикулярной фиксацией и межтеловым кейджем. Построение осуществлено с использованием комплекса программных продуктов Materialise Mimics, 3-Matic, SolidWorks и ANSYS.

Ключевые слова: 
биомеханическое моделирование
твердотельная модель
межпозвонковый диск
фасеточные суставы
связки
позвонок
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. 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
  4. Лихачев С. В., Зарецков В. В., Арсениевич В. Б., Шульга А. Е., Щаницын И. Н., Скрипаченко К. К. Биомеханические аспекты циркулярного спондилосинтеза переходного грудопоясничного отдела позвоночника // Саратовский научно-медицинский журнал. 2018. Т. 14, № 3. С. 560–566.
  5. Su J.-C., Li Z.-D., Cao L.-H., Yu B.-G., Zhang C.-C., Li M. Three-dimensional finite element analysis of lumbar vertebra loaded by static stress and its biomechanical significance // Chinese Journal of Traumatology. 2009. Vol. 12, № 3. P. 153–156. DOI: https://doi.org/10.3760/cma.j.issn.1008-1275.2009.03.006
  6. Xu M., Yang J., Lieberman I. H., Haddas R. Lumbar spine finite element model for healthy subjects: development and validation // Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 2016. Vol. 20, iss. 1. P. 1–15. DOI: https://doi.org/10.1080/10255842.2016.1193596
  7. 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
  8. Доль А. В., Доль Е. С., Иванов Д. В. Биомеханическое моделирование вариантов хирургического реконструктивного лечения спондилосинтеза позвоночника на уровне L4-L5 // Российский журнал биомеханики. 2018. Т. 22, № 1. С. 31–44. DOI: https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2018.1.00
  9. Кудяшев А. Л., Хоминец В. В., Теремшонок А. В., Нагорный Е. Б., Стадниченко С. Ю., Доль А. В., Иванов Д. В., Кириллова И. В., Коссович Л. Ю., Ковтун А. Л. Биомеханическое моделирование при хирургическом лечении пациента с истинным спондилолистезом поясничного позвонка // Хирургия позвоночника. 2018. Т. 15, № 4. С. 87–94. DOI: https://doi.org/10.14531/2018.4.87-94
  10. 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
  11. Dreischarf M., Rohlmann A., Bergmann G., Zander T. Optimised loads for the simulation of axial rotation in the lumbar spine // Journal of Biomechanics. 2011. Vol. 44, iss. 12. P. 2323—2327. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2011.05.040
  12. Galbusera F., Bassani T., Barbera L. L., Ottardi C., Schlager B., Brayda-Bruno M., Villa T., Wilke H.-J. Planning the surgical correction of spinal deformities: toward the identification of the biomechanical principles by means of numerical simulation // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2015. Vol. 3. Art. 178. DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2015.00178
  13. Tsouknidas A., Michailidis N., Savvakis S., Anagnostidis K., Bouzakis K.-D., Kapetanos G. A finite element model technique to determine the mechanical response of a lumbar spine segment under complex loads // Journal of Applied Biomechanics. 2012. Vol. 28, iss. 4. P. 448—456. DOI: https://doi.org/10.1123/jab.28.4.448
  14. Toosizadeh N., Haghpanabi M. Generating a finite element model of the cervical spine: estimating muscle forces and internal loads // Scientia Iranica B. 2017. Vol. 18, № 6. P. 1237–1245. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scient.2011.10.002
  15. Tyndyka M. A., Barron V., McHugh P. E., O’Mahoney D. Generation of a finite element model of the thoracolumbar spine // Acta of Bioengineering and Biomechanics. 2017. Vol. 9, № 1. P. 35–46.
  16. Su Y.-S., Ren D., Wang P.-C. Comparison of biomechanical properties of single and twosegment fusion for Denis type B spinal fractures // Orthopaedic Surgery. 2013. Vol. 5, iss. 4. P. 266–273. DOI: https://doi.org/10.1111/os.12068
  17. Zhao Y., Li Q., Mo Z., Sun Y., Fan Y. Finite element analysis of cervical arthroplasty with fusion against 2-level fusion // Journal of Spinal Disorders and Techniques. 2013. Vol. 26, iss. 6. P. 347–350. DOI: https://doi.org/10.1097/BSD.0b013e318246b163
  18. Zhao L., Chen J., Liu J., Elsamaloty L., Liu X., Li J., Elgafy H., Zhang J., Wang L. Biomechanical analysis on of anterior transpedicular screw-fixation after two-level cervical corpectomy using finite element method // Clinical Biomechanics. 2018. Vol. 60. P. 76–82. DOI: https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2018.09.008
  19. Cho P. G., Ji G. Y., Park S. H., Sgin D. A. Biomechanical analysis of biodegradable cervical plates developed for anterior cervical discectomy and fusion // Asian Spine Journal. 2018. Vol. 12, № 6. P. 1092–1099. DOI: https://doi.org/10.31616/asj.2018.12.6.1092
  20. Sharabi M., Levi-Sasson A., Wolfsan R., Wade K. R., Galsbusera F., Benayahu D., Wilke H.-J., Haj-Ali R. The mechanical role of the radial fibers network within the annulus fibrosus of the lumbar intervertebral disc: A finite elements study // Journal of Biomechanical Engineering. 2018. Vol. 141, iss. 2. P. 1–29. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4041769
  21. Jiang Y., Sun X., Peng X., Zhao J., Zhang K. Effect of sacral slope on the biomechanical behaviour of the low lumbar spine // Experimental and Therapeutic Medicine. 2017. Vol. 13, iss. 5. P. 2203–2210. DOI: https://doi.org/10.3892/etm.2017.4251
  22. Borovkov A. I., Maslov L. B., Zhmaylo M. A., Zelinsky I. A., Voinov I. B., Keresten I. A., Mamchits D. V., Tikhilov R. M., Kovalenko A. N., Bilyk S. S., Denisov A. O. Finite element stress analysis of a total hip replacement in two-legged standing // Russian Journal of Biomechanics. 2018. Vol. 22, № 4. P. 382–400. DOI: https://doi.org/10.15593/RJBiomech/2018.4.02
  23. Fagan M. J., Julian S., Mohsen A. M. Finite element analysis in spine research // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 2002. Vol. 216, iss. 5. P. 281–298. DOI: https://doi.org/10.1243/09544110260216568
  24. Finley S. M., Brodke D. S., Spina N. T., DeDen C. A., Ellis B. J. FEBio finite element models of the human lumbar spine // Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 2018. Vol. 21, № 6. P. 444–452. DOI: https://doi.org/10.1080/10255842.2018.1478967
  25. Arai Y., Takahashi H. E., Suzuki H. Stress analysis of the lumbar spine using the finite element model // Takahashi H. E. (eds.). Spinal Disorders in Growth and Aging. Tokyo : Springer, 1995. P. 167–174. DOI: https://doi.org/10.1007/978-4-431-66939-5_13
  26. Shin D. S., Lee K., Kim D. Biomechanical study of lumbar spine with dynamic stabilization device using finite element method // Asian Spine Journal. 2018. Vol. 12, № 6. P. 1092– 1099. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cad.2007.03.005
  27. Ambati D. V., Wright E. K., Lehman R. A., Kang D. G., Wagner S. C., Dmitriev A. E. Bilateral pedicle screw fixation provides superior biomechanical stability in transforaminal lumbar interbody fusion: a finite element study // The Spine Journal. 2015. Vol. 15, № 6. P. 1812–1822. DOI: https://doi.org/10.1016/j.spinee.2014.06.015
  28. Li Q. Y., Kim H.-J., Son J., Kang K.-T., Chang B.-S., Lee C.-K., Slok H. S., Yeom J. S. Biomechanical analysis of lumbar decompression surgery in relation to degenerative changes in the lumbar spine – Validated finite element analysis // Computer in Biology and Medicine. 2017. Vol. 89. P. 512–519. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compbiomed.2017.09.003
  29. Campbell J. Q., Coombs D. J., Rao M., Rullkoetter P. J., Petrella A. J. Automated finite element meshing of the lumbar spine: Verification and Validation with 18 specimen – specific models // Journal of Biomechanics. 2016. Vol. 49, iss. 13. P. 2669–2676. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2016.05.025
  30. 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, iss. 4. P. 331–350. DOI: https://doi.org/10.1016/0021-9290(86)90009-6
  31. 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, iss. 3. P. 393–400. DOI: https://doi.org/10.1109/TBME.2003.820994
  32. 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, iss. 2. P. 115–126. DOI: https://doi.org/10.1007/s007760050083
  33. Cho W., Cho S. K., Wu C. The biomechanics of pedicle screw-based instrumentation // The Journal of Bone & Joint Surgery (Br). 2010. Vol. 92-B, № 8. P. 1061–1065. DOI: https://doi.org/10.1302/0301-620X.92B8.24237
  34. Sansur Ch. A., Caffes N. M., Ibrahimi D. M., Pratt N. L., Lewis E. M., Murgatroyd A. A., Cunningham B. W. Biomechanical fixation properties of cortical versus transpedicular screws in the osteoporotic lumbar spine: An in vitro human cadaveric model // Journal of Neurosurgery: Spine. 2016. Vol. 25, iss. 4. P. 467–476. DOI: https://doi.org/10.3171/2016.2.SPINE151046
  35. Wu W., Chen C., Ning J., Sun P., Zhang J., Wu C., Bi Z., Fan J., Lai X., Ouyang J. A novel anterior transpedicular screw artificial vertebral body system for lower cervical spine fixation: a finite element study // Journal of Biomechanical Engineering. 2017. Vol. 139, iss. 6. Art. 061003. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4036393
  36. Guvenc Y., Akyoldas G., Senturk S., Erbulut D., Yaman O., Ozer A. F. How to reduce stress on the pedicle screws in thoracic spine? Importance of screw trajectory: a finite element analysis // Turkish Neurosurgery. 2018. Vol. 29, iss. 1. P. 1–26. DOI: https://doi.org/10.5137/1019-5149.JTN.21895-17.2
  37. Lv Q.-B., Gao X., Psn X.-X., Jin H.-M., Lou X.-T., Li Sh.-M., Yan Y.-Zh., Wu C.-C., Lin Y., Ni W.-F., Wang X.-Y., Wu A.-M. Biomechanical properties of novel transpedicular transdiscal screw fixation with interbody arthrodesis technique in lumbar spine: A finite element study // Journal of Orthopaedic Translation. 2018. Vol. 15. P. 50–58. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jot.2018.08.005
  38. Hsieh Y.-Y., Chen Ch.-H., Tsuang F.-Y., Wu L. Ch., Lin Sh.-Ch., Chiang Ch.-J. Removal of fixation construct could mitigate adjacent segment stress after lumbosacral fusion: A finite element analysis // Clinical Biomechanics. 2017. Vol. 43. P. 115–120. DOI: https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2017.02.011
Поступила в редакцию: 
13.04.2019
Принята к публикации: 
10.06.2019
Опубликована: 
02.12.2019
  • 1054 просмотра