Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.


Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.

"Тrauma" Том 13, №4, 2012

Back to issue

Математическое моделирование переднего межтелового цервикоспондилодеза имплантатами и пластинами

Authors: Барыш А.Е., Бузницкий Р.И., Яресько А.В., ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко НАМН Украины», г. Харьков

Categories: Traumatology and orthopedics

Sections: Clinical researches

print version


Summary

Проведено исследование напряженно-деформированного состояния конечно-элементной модели шейных позвоночных сегментов СIII/СVII при моделировании различных вариантов переднего межтелового спондилодеза CIV/CVI вертикальными цилиндрическими сетчатыми имплантатами и вентральной стабилизации позвонков CIV и CVI пластиной. По сравнению с исследованием без моделирования фиксации пластиной в области контакта тела CIV с терминальным отделом межтеловой опоры определяется несущественное повышение и более равномерное распределение величин напряжений Мизеса. Для аналогичной исследуемой области на уровне CVI имеет место снижение величин и менее равномерное распределение напряжения. Напряженно-деформированное состояние пластины прямо пропорционально напряжениям Мизеса в области контакта тел позвонков с вертикальными цилиндрическими сетчатыми имплантатами. Уровень напряжения костной ткани вокруг винтов в 2 раза выше для CVI позвонка, чем для CIV позвонка, во всех вариантах моделей.

Проведено дослідження напружено-деформованого стану кінцево-елементної моделі шийних хребтових сегментів СIII/СVII при моделюванні різних варіантів переднього міжтілового спондилодезу CIV/CVI вертикальними циліндричними сітчастими імплантатами і стабілізації хребців CIV і CVI вентральною пластиною. Порівняно з дослідженням без моделювання фіксації пластиною в ділянці контакту тіла CIV з термінальним відділом міжтілової опори визначається несуттєве підвищення і більш рівномірний розподіл величин напруги Мізеса. Для аналогічної досліджуваної ділянки на рівні CVI має місце зниження величин і менш рівномірний розподіл напруги. Напружено-деформований стан пластини прямо пропорційний напругам Мізеса в ділянці контакту тіл хребців із вертикальними циліндричними сітчастими імплантатами. Рівень напруги кісткової тканини навколо гвинтів у 2 рази вищий для CVI хребця, ніж для CIV хребця, в усіх варіантах моделей.

The investigation of the stress-strain state of the finite element model of the cervical spine segments CIII/CVII in mode­ling different options of anterior interbody fusion CIV/CVI with vertical cylindrical mesh implants and ventral vertebral stabilization of CIV and CVI with plate. Compared with the study without simulation of plate fixation in area of CIV contact with terminal body of interbody support, insignificant increase and more uniform distribution of Mises stress values is determined. For the same study area at CVI, decline in values and less uniform distribution of tension is observed. Stress-strain state of the plate is directly proportional to Mises stresses in area of contact of vertebral bodies with vertical cylindrical mesh implants. The voltage level of bone around the screws is 2 times higher for CVI vertebra than for CIV vertebra in all variants of models.


Keywords

математическое моделирование, метод конечных элементов, передний межтеловой цервикоспондилодез, вертикальные цилиндрические сетчатые имплантаты, вентральная стабилизация пластинами.

математичне моделювання, метод кінцевих елементів, передній міжтіловий цервікоспондилодез, вертикальні циліндричні сітчасті імплантати, вентральна стабілізація пластинами.

mathematical modeling, finite element method, anterior cervical spine interbody vertebral fusion, vertical cylindrical mesh implants, ventral plate stabilization.

Введение

В настоящее время метод конечных элементов получил широкое распространение при оценке эффективности использования стабилизирующих устройств на позвоночнике, в том числе и шейном отделе [1, 12, 16]. Он позволяет исследовать напряженно-деформированное состояние (НДС) любого элемента моделируемой биомеханической системы. Таким образом, анализируют НДС в позвоночных двигательных сегментах (ПДС) при различных вариантах их фиксации и непосредственно в самих конструкциях при имитации как физиологических, так и патологических нагрузок и состояний в моделях. Это дает возможность подтвердить преимущества или выявить недостатки новых способов хирургических вмешательств на шейном отделе позвоночника (ШОП) по сравнению с известными, определить четкие показания к их использованию и предупредить осложнения в клинической практике.

Для восстановления межтеловой опоры на ШОП все чаще применяют вертикальные цилиндрические сетчатые имплантаты (ВЦСИ) [2, 11, 17]. При этом имеют место случаи их пролабирования в тела фиксируемых позвонков, что сопровождается потерей коррекции деформации и нередко приводит к тяжелой клинической симптоматике, требующей повторных операций. Для профилактики этого стали выполнять вентральную стабилизацию шейных позвонков пластиной, что улучшило результаты хирургического лечения больных с заболеваниями и повреждениями ШОП [3, 18]. Однако встречаются эпизоды перелома пластин и винтов, а также миграции их составляющих частей [14, 15]. Обусловлено это тем, что система «стабилизируемые позвонки — ВЦСИ» в ряде случаев не способна выдерживать действующие на нее нагрузки, что сопровождается увеличением напряжений в межтеловой опоре, пластине, винтах и костной ткани вокруг винтов.

Целью работы является исследование напряженно-деформированного состояния в конечно-элементной модели (КЭМ) СIII/СVII при моделировании различных вариантов переднего межтелового спондилодеза CIV/CVI вертикальными цилиндрическими сетчатыми имплантатами с дополнительной вентральной стабилизацией тел позвонков CIV и CVI пластиной под действием вертикальной статической нагрузки.

Материал и методы

В предыдущих работах моделировали различные варианты переднего межтелового спондилодеза (ПМС) CIV/CVI ВЦСИ на конечно-элементной модели СIII/СVII [4, 5]. В качестве прототипа для всех межтеловых опор использован известный ВЦСИ [7], смоделированный как по методике J. Harms [13], так и по методике А.Е. Барыша [2, 8] и двум разработанным новым способам, в которых для заполнения полости имплантата применяется пористая алюмооксидная керамика (табл. 1) [9, 10].

Для имитации дополнительной вентральной фиксации СIV/CVI позвоночных сегментов пластиной после восстановления межтеловой опоры на данном уровне с помощью ВЦСИ смоделирована установка по вентральной поверхности тел позвонков СIV и CVI ригидной пластины толщиной 2 мм, предварительно изогнутой соответственно кривизне шейного сагиттального контура (ШСК) стабилизируемых ПДС. Через отверстия в ее краниальном и каудальном отделах моделировали проведение двух винтов в тело СIV позвонка и двух — в тело CVI позвонка. Прототипом моделируемой конструкции является известная пластина [6]. Полученная геометрическая модель представлена на рис. 1, где для реконструкции межтеловой опоры использован II вариант ВЦСИ (табл. 1).

Для построения математических моделей и проведения расчетов использовали лицензированную программу SolidWorks, предназначенную для трехмерного проектирования, которая работает на базе Microsoft Windows.

Результаты и их обсуждение

Результаты исследования величин напряжений Мизеса в КЭМ CIII/CVII при моделировании различных вариантов ПМС СIV/СVI с помощью ВЦСИ и стабилизации пластинами под действием вертикальной статической нагрузки 100 Н представлены в табл. 2–6.

Вентральная фиксация позвонков СIV и СVI пластиной после различных вариантов их ПМС ВЦСИ существенно не повлияла на значение величин и распределение НДС в интактных ПДС и элементах заднего опорного комплекса фиксируемых позвоночных сегментов КЭМ СIII/CVII (табл. 2) [5]. В качестве примера на рис. 2 представлена КЭМ СIII/CVII II варианта ситуационного плана исследования (табл. 1).

Наряду с этим в телах фиксируемых позвонков в области контакта их кортикальной костной ткани с заостренными металлическими составляющими ВЦСИ и губчатой костной ткани с пористой алюмооксидной керамикой, находящейся в его полости, величины напряжений Мизеса и распределение НДС существенно изменились (табл. 3–5) [5].

Для каудального отдела КЭМ тела СIV исследуемых вариантов моделей в кортикальной и губчатой костных тканях имеет место преимущественно увеличение значений напряжений (табл. 3, 4) [5]. В кортикальной костной ткани дорсальной области величина напряжений Мизеса повысилась для I варианта модели на 15,2 %, II — на 3,0 %, III — на 3,6 %, IV — на 3,2 % и V — на 2,0 %; средней области — увеличилась для I варианта на 26,7 %, II — на 19,6 %, III — на 19,2 %, IV — на 18,6 % и V — на 7,7 %; вентральной области — увеличилась в I варианте на 116,7 %, II — на 120,0 %, III — на 117,7 %, IV — на 120,7 % и V — на 94,4 %. Для губчатой костной ткани дорсальной области аналогичный показатель в I варианте повысился на 16,0 %, II — на 10,3 %, III — на 8,7 %, IV — на 9,7 % и V — на 9,5 %; средней области — уменьшение для I варианта на 18,0 %, II — на 12,5 %, III — на 12,5 %, IV — на 12,5 % и V — на 8,7 %; вентральной области — увеличение в I варианте на 150,0 %, II — на 100,0 %, III — на 100,0 %, IV — на 150,0 % и V — на 100,0 %. Следовательно, имеет место диспропорциональное увеличение напряжений в различных областях каудального отдела тела СIV. В вентральной области повышение величин напряжений Мизеса превалирует по сравнению с дорсальной областью для кортикальной костной ткани I варианта модели на 101,5 %, II — на 117,0 %, III — на 114,1 %, IV — на 117,5 % и V — на 92,4 %; для губчатой костной ткани I варианта модели — на 134,0 %, II — на 89,7 %, III — на 91,3 %, IV — на 140,3 % и V — на 90,5 %. Однако значение абсолютных величин напряженного состояния в каудовентральном отделе тела СIV ниже по сравнению с его каудодорсальным отделом. Таким образом, данные изменения привели к более равномерному распределению НДС в краниальном фиксируемом позвонке.

В краниальном отделе КЭМ тела CVI для всех вариантов ситуационного плана исследования регистрируется преимущественно уменьшение величин напряжений Мизеса (табл. 3 и 5) [5]. Так, для кортикальной костной ткани дорсальной области снижение показателя в I варианте модели составляет 65,5 %, II — 16,7 %, III — 20,3 %, IV — 16,3 % и V — 9,6 %; средней области — данный показатель уменьшился для I варианта на 19,5 %, II — на 16,9 %, III — на 26,7 %, IV — на 15,4 % и V — на 11,1 %; вентральной области — в I варианте величина напряжений Мизеса повысилась на 500 %, а во II — снизилась на 32,6 %, III — на 33,3 %, IV — на 38,2 и V — на 54,5 %. В губчатой костной ткани дорсальной области величина напряженного состояния уменьшилась для I варианта модели на 15,7 %, II — на 4,2 %, III — на 1,8 %, IV — на 6,5 % и V — на 4,4 %; средней области — снижение для I варианта равняется 21,1 %, II — 19,2 %, III — 20,8 %, IV — 22,5 % и V — 25,0 %; вентральной области — для I варианта повышение на 350 %, а для II — снижение на 25,7 %, III — на 28,0 %, IV — на 21,6 % и V — на 23,1 %. Следовательно, уменьшение величин напряжений Мизеса в вентральной области, наиболее приближенной к пластине, краниальном отделе КЭМ тела CVI превалирует по сравнению с дорсальной областью для кортикальной костной ткани II варианта на 15,9 %, III — на 13,0 %, IV — на 21,9 % и V — на 44,9 %; для губчатой костной ткани II варианта — на 21,5 %, III — на 26,2 %, IV — на 15,1 % и V — на 18,7 %. При том что зоны наибольшей концентрации напряженного состояния локализуются в средней и дорсальной областях. В связи с этим НДС распределяется в каудальном фиксируемом позвонке для II–V вариантов моделей менее равномерно. Наряду с этим в I варианте НДС распределяется более пропорционально по сравнению с вариантом модели без фиксации пластиной, что обусловлено повышением величин напряжений Мизеса в вентральной области. 

Таким образом, зоны максимальной концентрации напряжений располагаются в дорсальной и средней областях каудального отдела тела CIV и краниального отдела тела CVI, что коррелирует с результатами моделирования ПМС CIV/CVI ВЦСИ без фиксации пластиной [5]. В I–III и V вариантах моделей величины напряжений Мизеса для СVI позвонка выше, чем для СIV, а в IV варианте — противоположная ситуация.

Сравнивая между собой результаты пяти вариантов ПМС CIV/CVI ситуационного плана исследования, в которых выполнялась стабилизация пластиной (табл. 3–5), можно утверждать, что тенденции изменения НДС в телах фиксируемых позвонков подобны тем же вариантам ПМС без стабилизации пластиной [5]. Наивысшие величины напряжений Мизеса и диспропорциональное распределение НДС в телах фиксируемых позвонков определяются для I варианта модели, где в качестве межтеловой опоры использован ВЦСИ, смоделированный по J. Harms (табл. 1 и 3–5) [13]. Наиболее оптимальным является V вариант модели, где использован ВЦСИ с увеличенной площадью опоры и адаптированным к сегментарному ШСК каудальным терминальным отделом (табл. 1, 3–5) [9, 10].

Величина напряжений Мизеса в пластине наибольшая для первых двух вариантов ситуационного плана исследования и равняется 20 МПа (табл. 6). В III варианте она меньше на 10 %, в IV — на 7,5 % и в V — на 18,5 %. Зона максимальной концентрации напряжений для пластины локализуется в ее вертикальных составляющих на уровне краниальной замыкательной пластины тела СVI, т.е. краниальнее отверстий под винты для стабилизации тела СVI (рис. 3а). Наряду с этим вышеуказанные значения напряжений Мизеса в 50 раз меньше предела прочности материала конструкции (титана) [5]. В зонах контакта кортикальной костной ткани тел стабилизируемых позвонков с винтами величина напряжений Мизеса в 2 раза выше для каудального позвонка во всех вариантах моделей, чем для краниального позвонка (рис. 3б и табл. 6). В губчатой костной ткани аналогичный показатель как для CIV, так и для CVI не превышает 1,0 МПа.

Выводы

1. После переднего межтелового спондилодеза CIV/CVI вертикальными цилиндрическими сетчатыми имплантатами дополнительная вентральная стабилизация тела CIV и CVI позвонков пластиной изменила значения величин напряжений Мизеса и распределение напряженно-деформированного состояния в области их контакта с межтеловой опорой. Причем в большинстве вариантов моделей данного ситуационного плана исследования прослеживаются схожие с вариантами восстановления межтеловой опоры без дополнительной фиксацией пластиной закономерности данных изменений. Для краниального фиксируемого позвонка имеет место повышение величин напряжений Мизеса, а для каудального — снижение. Наряду с этим величины напряжений для тела CVI позвонка выше, чем для тела CIV позвонка в I–III и V вариантах моделей, а в IV варианте имеет место противоположная ситуация.

2. Для всех вариантов моделей в вентральной области каудального отдела тела СIV позвонка, где располагаются зоны наименьшей концентрации напряженного состояния, повышение величин напряжений Мизеса отмечается в дорсальной и средней области, что способствует более равномерному распределению напряженно-деформированного состояния в нем. В дорсальной и средней областях краниального отдела тела СVI позвонка, где отмечается наивысшая концентрация напряжений, снижение величин напряжений Мизеса не такое существенное, как в его вентральной области, что изменило характер распределения напряжений в нем.

3. Сравнительный анализ результатов исследования пяти вариантов моделей переднего межтелового спондилодеза СIV/CVI вертикальными цилиндрическими сетчатыми имплантатами при стабилизации пластинами показал, что тенденции изменения напряженно-деформированного состояния в теле CIV и CVI позвонков характерны для тех же вариантов переднего межтелового спондилодеза, но без фиксации пластиной. Наиболее оптимальным по величинам напряжений Мизеса и распределению напряженно-деформированного состояния в области контакта тел стабилизируемых позвонков с межтеловой опорой является V вариант модели, где использован вертикальный цилиндрический сетчатый имплантат с увеличенной площадью опоры и адптированным каудальным терминальным отделом.           

4. Величина напряжений Мизеса в пластине наибольшая для первых двух вариантов моделей и снижается, в порядке убывания, для IV, III и V вариантов, что обусловлено меньшими величинами и более пропорциональным распределением напряженно-деформированного состояния в областях контакта тела CIV и CVI позвонков с терминальными отделами вертикальных цилиндрических сетчатых имплантатов для этих моделей. Зона максимальной концентрации напряжений в пластине локализуется на уровне краниовентрального угла тела СVI позвонка. Наряду с этим предел ее прочности в 50 раз выше возникающих в ней напряжений.

5. Уровень напряжения кортикальной костной ткани, располагающейся вокруг винтов, в 2 раза выше для CVI позвонка, чем для CIV позвонка. В зонах контакта губчатой костной ткани тел стабилизируемых позвонков с винтами уровень напряжений Мизеса не превышает 1 МПа во всех ситуациях.

6. Моделирование фиксации позвоночных сегментов СIV/CVI пластиной после переднего межтелового спондилодеза на данном уровне с помощью вертикальных цилиндрических сетчатых имплантатов существенно не отразилjсь на величинах и распределении напряженно-деформированного состояния в элементах их заднего опорного комплекса и интактных позвоночных двигательных сегментах конечно-элементной модели СIII/СVII.


Bibliography

1. Барыш А.Е. Математическое моделирование переднего меж­телового моносегментарного цервикоспондилодеза ме­тодом конечных элементов / А.Е. Барыш // Ортопедия, травматология и протезирование. — 2006. — № 1. — C. 36-47.

2. Барыш А.Е. Обоснование новой технологии переднего межтелового цервикоспондилодеза с помощью гибридных металлокерамических фиксирующих устройств / А.Е. Барыш // Ортопедия, травматология и протезирование. — 2005. — № 2. — C. 15-21.

3. Барыш А.Е. Современные принципы стабилизирующих операций при хирургическом лечении заболеваний и повреждений шейного отдела позвоночника: Дис… д-ра мед. наук: 14.01.21 / А.Е. Барыш. — Х., 2010. — 362 с.

4. Барыш А.Е. Математическое моделирование позвоночных двигательных сегментов СIII/CVII методом конечных элементов / А.Е. Барыш, Р.И. Бузницкий, А.В. Яресько // Травма. — 2012. — Т. 13, № 3. — С. 36-39.

5. Корж Н.А. Математическое моделирование переднего межтелового цервикоспондилодеза вертикальными цилиндрическими сетчатыми имплантатами / Н.А. Корж, А.Е. Барыш, Р.И. Бузницкий, А.В. Яресько // Ортопедия, травматология и протезирование. — 2012. — № 4. — C. 5-13.

6. Пат. 57663 А Україна, МПК7 А 61 В 17/58. Пристрій для остеосинтезу, переважно спондилодезу / Корж М.О., Бариш О.Є., Лук’янченко В.В.; заявник та патентовласник колективне підприємство «Дослідне виробництво та конструкторське бюро ім. проф. М.І. Ситенка». — № 2002107851; заявл. 03.10.2002; опубл. 16.06.2003, Бюл. № 6.

7. Пат. 58900 А Україна, МПК7 А 61 F 2/44. Ендопротез сегмента хребта / Корж М.О., Бариш О.Є., Лук’янченко В.В., Макгоуан Д.П.; № 2002119196; заявл. 19.11.2002; опубл. 15.08.2003, Бюл. № 8.

8. Пат. 62437 U Україна МПК7 А61В 17/56. Спосіб переднього міжтілового спондилодезу / Бариш О.Є., Бузницький Р.І.; патентовласник ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка АМН України». — № u201102048; заявл. 21.02.2011; опубл. 25.08.2011, Бюл. № 16.

9. Пат. 62721 U Україна МПК7 А61В 17/56. Спосіб переднього міжтілового спондилодезу / Бариш О.Є., Бузницький Р.І.; патентовласник ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка АМН України». — № u201102026; заявл. 21.02.2011; опубл. 12.09.2011, Бюл. № 17.

10. Пат. 72770 U Україна МПК7 А61В 17/56. Спосіб переднього міжтілового цервікоспондилодезу вертикальним циліндричним сітчастим імплантатом / Бариш О.Є., Бузницький Р.І.; патентовласник ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України». — № u2012 02362; заявл. 28.02.2012; опубл. 27.08.2012, Бюл. № 16.

11. Шимон В.М. Хiрургiчне лiкування переломо-звихiв в шийному вiддiлi хребта з застосуванням кейджа та гiдроксилапатитної кераміки / В.М. Шимон, М.М. Василинець, А.А. Мезiв [та ін.] // Травма. — 2009. — Т. 10, № 3. — С. 339-342.

12. Galbusera F. Anterior cervical fusion: a biomechanical comparison of 4 techniques. Laboratory investigation / F. Galbusera, C.M. Bellini, F. Costa [et al.] // J. Neurosurg. Spine. — 2008. — Vol. 9, № 5. — P. 444-449.

13. Harms J. Instrumented spinal surgery; principles and technigue / J. Harms, G. Tabasso. — Stuttgart — New York: Thieme, 1999. — 198 p.

14. Hee H.T. Complications of multilevel cervical corpectomies and reconstruction with titanium cages and anterior plating / H.T. Hee, M.E. Majd, R.T. Holt [et al.] // J. Spinal Disord. Tech. — 2003. — Vol. 16, № 1. — P. 1-8.

15. Ning X. Anterior locking plate-related complications; prevention and treatment recommendations / X. Ning, Y. Wen, Y. Xiao-Jian [et al.] // International Orthopaedics. — 2008. — Vol. 32, № 5. — P. 649-655.

16. Reidy D. Cervical spine loading characteristics in a cadaveric C5 corpectomy model using a static and dynamic plate / D. Rei­dy, J. Finkelstein, A. Nagpurkar [et al.] // J. Spinal Disord. Tech. — 2004. — Vol. 17, № 2. — P. 117-122.

17. Shams S. Anterior cervical reconstruction using titanium mesh cages / S. Shams, M.J. Rashid // J. Ayub. Med. Coll. Abbottabad. — 2007. — Vol. 19, № 1. — P. 23-25.

18. Thalgott J.S. Single stage anterior cervical reconstruction with titanium mesh cages, local bone graft, and anterior plating / J.S. Thalgott, C. Xiongsheng, J.M. Giuffre // Spine. — 2003. — Vol. 3, № 4. — P. 294-300.


Back to issue