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
Создание трехмерных твердотельных моделей позвоночника с транспедикулярной фиксацией c использованием специализированного программного обеспечения
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.
- 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
- 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.
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 1523 просмотра