Журнал «Травма» Том 17, №3, 2016
Вернуться к номеру
Особенности напряженно-деформированного состояния шейного отдела позвоночника при замещении тел позвонков искусственными имплантатами разных конструкций
Авторы: Карпинский М.Ю., Нехлопочин А.С., Нехлопочин С.Н., Карпинская Е.Д., Яресько А.В. - ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко НАМН Украины», г. Харьков, Украина
Рубрики: Травматология и ортопедия
Разделы: Медицинские форумы
Версия для печати
Статья опубликована на с. 22-23
Цель: определить особенности нагружения позвонков шейного отдела позвоночника при замещении тела позвонка искусственным имплантатом.
Материалы и методы. В лаборатории биомеханики ДУ «ИППС им. проф. М.И. Ситенко НАМН Украины» было выполнено математическое моделирование с использованием метода конечных элементов. Были построены три конечно-элементные модели шейного отдела позвоночника. Модели имитировали шейный отдел позвоночника человека на участке от позвонка С3 до позвонка С7, включая межпозвонковые диски и дугоотростчатые суставы с межсуставным хрящом. Позвонок С5 был замещен тремя конструкциями: сетчатый кейдж, сетчатый кейдж с дополнительной фиксацией смежных позвонков пластиной и кейдж с фиксирующими элементами нашей конструкции. Напряженно-деформированное состояние моделей изучали при четырех вариантах нагружения: на сжатие, при изгибе при наклоне вперед, изгибе при наклоне назад и ротационном воздействии. Величина нагрузки на модели составляла 100 Н, нагружение на сжатие — 36 Н по верхней поверхности тела позвонка С3 и по 32 Н на верхнюю плоскость его дугоотростчатых суставов. Наклон вперед имитировали нагрузкой 100 Н на передний край тела позвонка С3, а наклон назад — нагрузкой по 50 Н на его дуги. Ротационная нагрузка — 100 Н по верхней поверхности тела позвонка С3. Критерием оценки напряженно-деформированного состояния моделей выбрано напряжение по Мизесу. Построение модели выполняли с помощью программного комплекса SolidWorks, расчеты методом конечных элементов проводили с помощью пакета COSMOSWorks, входящего в состав комплекса.
Результаты исследования. Во всех моделях основную нагрузку принимают на себя металлические конструкции, однако в костной ткани наблюдаются некоторые особенности.
При сжимающей нагрузке наибольшие показатели величины напряжений наблюдаются в модели с кейджем без дополнительного крепления. На верхней поверхности тел позвонков С4 и С6 максимальные величины напряжений составляют 3,0 и 10,0 МПа соответственно. В моделях с дополнительным креплением по верхней поверхности позвонка С4 напряжения в моделях с пластиной и нашей конструкции практически одинаковы — 2,6 и 2,7 МПа соответственно, в позвонке С6 различие составляет 7,2 и 5,8 МПа. По нижней поверхности позвонков С4 и С6 картина распределения напряжений практически идентичная. Наибольшие различия наблюдаются на поверхности позвонка, контактирующего с кейджем, на нижней поверхности позвонка С4 — 7,9; 6,1 и 5,5 МПа соответственно для моделей с одним кейджем, с накостной пластиной и кейджем нашей конструкции. Наиболее нагруженной частью позвонков выявились корни дуг позвонка С6 — 18,2; 17,2 и 16,5 МПа для соответствующих моделей. В дугоотростчатых суставах наибольшие различия в величинах напряжений наблюдаются в позвонках С4 и С5 — 2,9 и 1,9 МПа соответственно для модели с кейджем без дополнительного крепления; 2,6 и 1,5 МПа — для кейджа нашей конструкции; 2,8 и 1,6 МПа — в соответствующих зонах для накостной пластины.
При наклоне головы вперед основную нагрузку принимают на себя металлические конструкции. В телах позвонков наибольшие напряжения возникают в местах контакта с кейджами — нижняя поверхность позвонка С4 (9,0; 8,1 МПа) и верхняя поверхность тела позвонка С6 (5,0 МПа). Во втором случае уровень напряжений составляет 10,3; 6,5 и 4,1 МПа для соответствующих моделей. При наклоне вперед корни дуг позвонков разгружаются, и напряжения здесь не превышают значения 1,5 МПа в дугах позвонка С6 в модели без дополнительной фиксации. В двух других моделях напряжения в этой зоне находятся на уровне 1,1 МПа. Основные изменения в распределении напряжений наблюдаются на крепежных элементах конструкции. На верхние крепежные, расположенные на теле позвонка С4, — 15,8 МПа для модели с накостной пластиной и 12,3 МПа для кейджа нашей конструкции. Величина максимальных напряжений на винтах в теле позвонка С6 составляет 11,8 и 6,1 МПа для моделей с накостной пластиной и нашей конструкции соответственно. Наибольшие напряжения возникают на зубцах кейджа без дополнительной фиксации — 20,9 МПа со стороны позвонка С4 и 27,0 МПа на стороне позвонка С6, при использовании кейджа нашей конструкции — 13,0 и 10,2 МПа соответственно. Конструкция с накостной пластиной показала наименьшие значения напряжений в этих зонах — 9,9 и 7,2 МПа.
При наклоне головы назад пиковые напряжения приходятся на зоны контакта позвонков с кейджем. По верхней поверхности позвонка С6 величины максимальных напряжений составляют 3,8 МПа для модели без дополнительной фиксации, 2,6 МПа — модели с накостной пластиной, 2,9 МПа — кейджа нашей конструкции. На нижней поверхности тела позвонка С4 уровень максимальных напряжений достигает значений 11,6; 7,6 и 7,5 МПа для соответствующих моделей. Основная нагрузка смещается на задний опорный комплекс, максимальные значения напряжений наблюдаются в корнях дуг позвонка С6 — 20,7 МПа для модели без дополнительной фиксации, 20,2 МПа — модели с накостной пластиной, 22,4 МПа — кейджа нашей конструкции. В дугах позвонка С4 в модели с кейджем без дополнительной фиксации уровень напряжений наименьший — 7,5 МПа, дополнительная фиксация приводит к увеличению напряжний в дугах позвонка С4 при наклоне назад — 10,0 МПа при фиксации пластиной, 9,6 МПа — кейдж нашей конструкции. Наиболее нагруженными, как и при наклоне вперед, остаются винты в теле позвонка С4 — 10,2 МПа для модели с пластиной и 7,6 МПа для кейджа нашей конструкции. Кейдж нашей конструкции более щадяще нагружает винты в теле позвонка С6 — 4,4 МПа в сравнении с накостной пластиной — 7,6 МПа. Что касается зубцов, то здесь преимущество на стороне конструкции с пластиной — 9,8 МПа на позвонке С4 и 11,1 на позвонке С6.
При ротации максимальные напряжения возникают в элементах позвонка С3, первого подвижного элемента в системе «позвоночник — имплантат», и достигают уровня 4,9 МПа для модели без дополнительной фиксации и 4,8 МПа в моделях с дополнительной фиксацией имплантата. Высокий уровень напряжений наблюдается и телах позвонков С4 и С6. При ротации в пластинах дуг позвонков напряжение достигает максимальных значений на позвонке С6 — 6,5 МПа для модели без дополнительной фиксации и 5,8 и 5,7 МПа в моделях с дополнительной фиксацией имплантата пластиной и кейджем нашей конструкции соответственно. В дугоотростчатых суставах интенсивность напряжений несколько спадает — до уровня 2,0–2,2 МПа в позвонках С3 и С6. При ротационных нагрузках дополнительная фиксация приводит к перераспределению интенсивности напряжений с зубцов кейджа на элементы дополнительного крепления.
Изучение влияния размера зубцов кейджа на характер распределения напряжений в системе «шейный отдел позвоночника — имплантат» показало, что в зонах, где нет прямого контакта имплантата с костной тканью, уровень напряжений в обеих моделях практически одинаковый. В зонах контакта уровень напряжений в модели с крупными зубцами несколько ниже.
Выводы. Наличие дополнительного крепления позволяет снизить уровень максимальных напряжений в костной ткани позвонков, контактирующих с имплантатом. Кейдж нашей конструкции показал наиболее низкий уровень напряжений в элементах модели при нагрузках на сжатие и наклоне головы вперед. При наклоне назад и ротации показатели напряжений в обеих моделях имеют незначительные отличия в ту или иную сторону на разных участках. Использование четырех крупных зубцов, перфорирующих кортикальный слой тела позвонка, приводит к снижению напряжений в костных структурах позвонков, с которыми контактирует, в сравнении с конструкцией, имеющей большее количество зубцов, но меньшей длины. Наличие второго крепежного винта приводит к повышению напряжений именно на винтах, а также на зубцах кейджа.