Мобильная версия

Журнал «Травма» Том 23, №3, 2022

Експериментальне дослідження пружних властивостей хребетного стовпа за наявності вибухового перелому хребця Тh6

Авторы: Попсуйшапка К.О., Тесленко С.О., Попов А.І., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д.
ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна

Рубрики: Травматология и ортопедия

Разделы: Клинические исследования

Актуальність. Травматичні переломи грудного відділу хребта хоч і становлять невелику кількість серед усіх переломів, можуть призводити до тривалого лікування, втрати працездатності та інвалідності. У роботі ми спробували вивчити основні принципи розвитку деформацій залежно від навантажень, що прикладаються, і ступеня пошкоджень хребетних сегментів. Мета: вивчити основні принципи розвитку деформацій грудного відділу хребта залежно від прикладених навантажень і ступеня пошкоджень хребетних сегментів. Матеріали та методи. Проведено експериментальне дослідження пружних властивостей хребетного стовпа за наявності вибухового перелому хребця Тh6. Досліджено 5 анатомічних препаратів хребтів свиней з грудною кліткою та повністю збереженими дисками та зв’язковими структурами. На кожному препараті моделювали вибухові переломи хребця Тh6 шляхом послідовного руйнування структур хребетно-рухового сегмента (ХРС). Результати. У результаті проведених експериментальних досліджень було отримано дані про величини деформації стискання та залишкової деформації препаратів хребетного стовпа при моделюванні вибухових переломів хребця Th6 різного ступеня. Показано, що незруйнований препарат хребта при знятті навантаження відновлює свою довжину практично в повному обсязі. У разі збільшення руйнувань структур ХРС збільшується як величина стискання зразків, так і залишкова деформація. Руйнування ребер призвело до втрати стабільності хребта в зоні зруйнованого сегмента під дією тяжкості грудної клітки, що унеможливило вимірювання величини деформації як під навантаженням, так і після його зняття. Висновки. Руйнування ХРС призводить до втрати пружних властивостей ХРС і всього хребта. При порівняно незначних руйнуваннях (50 % тіла хребця і диск) очікується часткове збереження пружних якостей, тому що залишкова деформація становить 4,3 % від величини деформації під навантаженням. Подальше руйнування ХРС призводить до повної втрати не тільки пружності, але й здатності до опору навантаженню та подальшого відновлення, про що свідчить збільшення величини залишкової деформації до 48,2 % вже при руйнуванні дуг та зв’язок, а також припинення приросту енергетичних витрат на рівні 11 Дж за відновлення початкової довжини препарату. Руйнування ребер призводить до втрати стабільності хребта лише на рівні пошкодженого сегмента.

Background. Traumatic fractures of the thoracic spine, although they represent a small number among all fractures, can lead to long-term treatment, and disability. In this work, we tried to study the basic principles of the development of deformities depending on the applied loads and the degree of damage to the vertebral segments. The purpose was to study the basic principles of the development of deformities of the thoracic spine depending on the applied loads and the degree of damage to the vertebral segments. Materials and methods. An experimental study of the elastic properties of the spinal column in the presence of a burst fracture of the Th6 vertebra was carried out. Five anatomical specimen of pig spines with thorax and completely preserved discs and connected structures were stu-died. On each of the preparations, burst fractures of the Th6 vertebra were simulated by sequential destruction of the structures of the spinal motion segment (SMS). Results. As a result of the experimental studies, data were obtained on the magnitude of compression deformation and residual deformation of the spinal column specimen when modeling burst fractures of the Th6 vertebra of various degrees. It was shown that the intact specimen of the spine, when the load is removed, restore its length almost fully. With an increase in the destruction of the SMS structures, both the magnitude of the compression of the samples and the residual deformation increase. The destruction of the ribs led to the loss of stability of the spine in the area of the affected segment under the influence of the chest weight, which made it impossible to measure the magnitude of the deformation, both under load and after its removal. Conclusions. The destruction of the SMS leads to the loss of the elastic properties of the SMS and the entire spine. With relatively minor damage (50 % of the vertebral body and disc), partial preservation of elastic properties can be expected, since residual deformation is 4.3 % of the value of deformation under load. Further destruction of the SMS leads to a complete loss of not only elasticity, but also the ability to resist load and further recovery, as evidenced by an increase in the value of residual deformation up to 48.2 % already with the destruction of arcs and ligaments, as well as the termination of an increase in energy costs at the level of 11 J, restoration of the original length of the specimen. The destruction of the ribs leads to a loss of stability of the spine at the level of the damaged segment.

Ключевые слова

грудний відділ хребта; хребетно-руховий сегмент; робота; потенційна енергія стискання; деформація

thoracic spine; spinal motion segment; work; potential compression energy; deformity

doi: http://dx.doi.org/10.22141/1608-1706.3.23.2022.899

Вступ

За останні 20 років спостерігається збільшення на 97 % кількості операцій у пацієнтів з переломом грудного відділу хребта. Травматичні переломи грудного відділу хребта хоч і становлять невелику кількість серед усіх переломів (від 4 до 10 %) [10], але можуть призводити до тривалого лікування, втрати працездатності та інвалідності.

Анатомічно грудний відділ хребта відрізняється від поперекового відділу хребта. У грудному відділі хребта тіла та дужки хребців менші за розмірами, а фасеткові суглоби орієнтовані так, що дозволяють виконувати більший обсяг обертальних рухів [12]. Також основною відмінністю грудного відділу хребта є те, що він входить до складу грудної клітки, яка утворена грудними хребцями, ребрами, грудиною та м’язово-зв’язковим апаратом [3]. Як відзначають кілька авторів, грудна клітка додатково стабілізує грудний відділ хребта і визначається як четверта колона [11], що надає жорсткості грудному відділу хребта. Тому, з урахуванням цих відмінностей, грудний відділ хребта слід аналізувати окремо від поперекового.

Усі переломи відрізняються своєю поліморфністю та різноманіттям клінічних форм. Головною з основних зміщуючих сил є сила гравітації, що діє на вертикальну вісь хребта, і, відповідно, первинним та основним видом деформації є кіфотична деформація [5, 6]. У цій роботі ми спробували, вивчити основні принципи розвитку деформацій залежно від навантажень, що прикладаються, і ступеня пошкоджень хребетних сегментів.

Мета: вивчити основні принципи розвитку деформацій грудного відділу хребта залежно від навантажень, що прикладаються, і ступеня пошкоджень хребетних сегментів.

Матеріали та методи

У лабораторії біомеханіки ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України» було проведене експериментальне дослідження пружних властивостей хребтового стовпа за наявності вибухового перелому хребця Тh6. Було досліджено 5 анатомічних препаратів хребтів свиней з грудною кліткою та повністю збереженими дисками та зв’язковими структурами. На кожному з препаратів моделювали вибухові переломи хребця Тh6 (згідно з класифікацією Magerl et al. (1994) [9]) шляхом послідовного руйнування структур хребтово-рухового сегмента (ХРС). Вимірювання проводили для таких ступенів руйнування [7, 8]:

— норма;

— 50 % тіла хребця + 1 диск;

— 50 % тіла хребця + 1 диск + 2 дуги;

— 50 % тіла хребця + 1 диск + 2 дуги + зв’язки;

— 50 % тіла хребця + 1 диск + 2 дуги + зв’язки + суглоби.

Випробування проводили на стенді для біомеханічних досліджень. Стенд під час проведення випробувань препаратів та розрахункова схема експерименту наведені на рис. 1.

Величину деформації вимірювали за допомогою мікрометра годинникового типу. Величину навантаження вимірювали за допомогою тензометричного датчика SBA-100L, контроль навантаження здійснювали пристроєм для реєстрації CAS типу CI-2001A.

На кожному з етапів руйнування всі зразки піддавали стискаючому навантаженню 200 Н [4], що відповідає масі верхньої частини тіла людини [4], й вимірювали величину деформації хребтового стовпа, а після зняття навантаження — величину залишкової деформації препаратів.

Зовнішні силі при деформації пружного тіла виконують роботу. При цьому енергія, витрачена на деформацію хребтового стовпа, накопичується в тканинах, з яких він складається, у вигляді їх внутрішніх напружень. Якщо внутрішню енергію недеформованого пружного тіла прийняти за нуль, то в цьому випадку вся енергія, яка прикладена до нього зовні, буде виконувати роботу, що спрямована на деформацію цього тіла.

Розраховувати величину роботи, яку витрачали на деформацію препаратів при стисканні, можна за формулою [1]:

де F — сила, яку прикладали для стискання зразка (200 Н), ∆l — величина стискання зразка (м).

Величину роботи внутрішніх сил, яку здійснює препарат для відновлення своєї довжини після зняття навантаження, розраховували за формулою:

де lн — величина, до якої опустився зразок при додаванні навантаження; lз — величина залишкової деформації зразка після зняття навантаження.

Витрату енергії (роботи) розраховували у відсотках як:

Проводили статистичний аналіз отриманих експериментальних даних. Розраховували середні (М) значення та їх стандартне відхилення (SD), а також мінімальні та максимальні значення параметрів. Порівняння параметрів між ступенями руйнування проводили за допомогою однофакторного дисперсійного аналізу (ANOVA) з апостеріорним тестом Дункана. Порівняння між двома станами кожного із зразків проводили за допомогою Т-тесту для парних вибірок. Аналіз виконували в програмі IBM Statistic SPSS 20.0 [2].

Результати та обговорення

У результаті проведених експериментальних досліджень були отримані дані про величини деформації стискання та залишкової деформації препаратів хребтового стовпа при моделюванні вибухових переломів хребця Th6 різного ступеня. Усі дані були оброблені методами описової статистики. У табл. 1 наведені дані про максимальну величину деформації стискання препаратів при навантаженні 200 Н та величину їх залишкової деформації після зняття навантаження.

За результатами аналізу було показано, що незруйнований препарат хребта після зняття навантаження відновлює свою довжину практично у повному обсязі. При навантаженні 200 Н деформація в середньому становила 0,23 ± 0,03 мм, а при знятті залишкова деформація у деяких зразках не фіксувалася, а в середньому становила 0,01 ± 0,01 мм.

При збільшенні руйнування структур ХРС збільшується як величина стискання зразків, так і залишкова деформація. Так, при руйнуванні 50 % тіла хребця та повністю диска деформація в середньому становила 2,66 ± 0,22 мм, залишкова — 0,21 ± 0,05 мм.

При подальшому руйнуванні ще 2 дуг деформація під навантаженням збільшилася до 6,53 ± 0,14 мм, а залишкова становила 3,15 ± 0,14 мм.

Додаткове руйнування зв’язок призводило до того, що препарат хребта під навантаженням скоротився на 7,91 ± 0,23 мм, а після зняття навантаження залишкова деформація становила 4,50 ± 0,17 мм.

Наступне повне руйнування структур хребця (додатково суглобів) призвело до деформації зразків у середньому до 9,96 ± 0,62 мм, а залишкова деформація після зняття навантаження становила 6,31 ± 0,22 мм.

Подальше руйнування ребер призвело до втрати стабільності хребта в зоні зруйнованого сегмента під дією тяжкості грудної клітки (рис. 2), що унеможливило вимірювання величини деформації як під навантаженням, так і після його зняття.

За даними однофакторного дисперсійного аналізу, ступені руйнування ХРС статистично значущо відрізняються як за величиною деформації під навантаженням (F = 752,774; p = 0,001), так і за величиною залишкової деформації (F = 1780,053; p = 0,001). Причому, за даними апостеріорного тесту Дункана (табл. 2), ступені руйнування ХРС статистично значуще (α = 0,05) відрізняються між собою як за первинною деформацією, так і за залишковою.

На діаграмі (рис. 3) показано збільшення деформації зразків під навантаженням та одночасне збільшення залишкової деформації.

За наведеними на діаграмі даними можна встановити, що навіть при руйнуванні 50 % тіла хребця та диска ХРС відразу збільшується порівняно з неушкодженим ХРС як деформація під навантаженням (у 11,5 раза), так і залишкова (у 21 раз). Кожне наступне руйнування, як показали попередні дані, збільшує деформацію. Додаткове руйнування 2 дуг при навантаженні збільшує деформацію у 2,5 раза (порівняно з попереднім етапом), а залишкова деформація збільшується в 15 разів, але подальше руйнування дає збільшення деформації при навантаженні у 1,2 раза, а залишкової відповідно у 2,5 та 1,2 раза.

З огляду на це можна дійти висновку, що пружні властивості ХРС втрачаються зі збільшенням масштабів руйнування тіла хребця та диска, а подальші руйнування хоча і збільшують втрату амортизації, але не так стрімко.

При навантаженні хребта та його стисканні витрачається енергія, завдяки чому виконується робота, спрямована на його деформацію. Ця енергія накопичується в стиснутих тканинах у вигляді внутрішніх напружень матеріалу. При нормальних пружних властивостях тканин після зняття навантаження хребет повинен витратити накопичену в тканинах енергію для відновлення своїх початкових розмірів. Величина деформації залежить від пружних властивостей кожного з елементів структури. Тому при навантаженні зразків 200 Н стискання зразків відбувається по-різному і, відповідно, вони по-різному віддають накопичену енергію. Результати аналізу енергетичних затрат зразків при різних ступенях руйнування наведено в табл. 3.

Результати аналізу показали, що при незруйнованій структурі ХРС різниці між отриманою енергією деформації стискання та внутрішньою енергією, витраченою на відновлення, практично немає (t = 1,872; p = 0,135), втрата енергії становить у середньому 9,83 ± 9,69 %. При руйнуванні 50 % тіла хребця та диска вже відбувається значуща (p = 0,001) втрата енергії з 7,12 ± 1,17 Дж отриманої до 6,03 ± 1,06 Дж витраченої для відновлення, що становить у середньому 15,32 ± 3,46 %.

Подальше руйнування структур ХРС призводить до лавинподібного наростання витрат з 73,12 ± 1,32 % до 86,60 ± 1,54 %, при збільшенні потенційної енергії стискання через втрату жорсткості зразків та збільшення величини деформації — від 42,72 ± 1,95 Дж до 99,51 ± 12,77 Дж при практично незмінній величині енергії відновлення — у межах від 10 до 20 Дж.

На діаграмі розподілу енергій (рис. 2) показано, як розподілена потенційна енергія, яку отримують зразки при стисканні, та витрати енергії при відновленні розмірів.

На діаграмі (рис. 4) можна бачити, що руйнування 50 % тіла хребця і диска за отриманою та витраченою енергією близькі, хоча і спостерігається зростання обох енергій. Різкий енергетичний стрибок спостерігається при руйнуванні додатково 2 дуг. Енергія деформації зростає у 8 разів, а енергія відновлення вдвічі. Наступні руйнівні зміни призводять до поступового, практично лінійного зростання потенційної енергії, але енергія відновлення залишається практично незмінною.

За даними апостеріорного тесту Дункана (табл. 3) проаналізовано статистичні зміни енергетичних витрат зразків при різних ступенях руйнування.

За отриманими статистичними даними підтверджено, що при руйнуванні 50 % тіла хребця і диска зразок отримує енергію, статистично близьку до нормального, неушкодженого зразка, але для відновлення витрачає значущо більшу. Зі збільшенням ступеня руйнування при навантаженні зразкам надається статистично значущо більша потенційна енергія, як вже говорилося, через збільшення величини деформації, але енергія відновлення залишається практично незмінною (р = 0,080), що свідчить про втрату амортизаційних властивостей.

Висновки

Руйнування ХРС призводить до втрати пружних властивостей ХРС і всього хребта. При порівняно незначних руйнуваннях (50 % тіла хребця і диска) очікується часткове збереження пружних якостей, тому що залишкова деформація становить 4,3 % від величини деформації під навантаженням. Подальше руйнування ХРС призводить до повної втрати не тільки пружності, а й здатності до опору навантаженню та подальшого відновлення, про що свідчить збільшення величини залишкової деформації до 48,2 % вже при руйнуванні дуг та зв’язок, а також припинення приросту енергетичних витрат на рівні 11 Дж за відновлення початкової довжини препарату. Руйнування ребер призводить до втрати стабільності хребта лише на рівні пошкодженого сегмента.

Конфлікт інтересів. Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів та власної фінансової зацікавленості при підготовці даної статті.

Отримано/Received 04.06.2022

Рецензовано/Revised 16.06.2022

Прийнято до друку/Accepted 24.06.2022

Список литературы

1. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов. Москва: Высшая школа, 2000. 560 с.

2. Наследов А. SPSS 19: профессиональный статистический анализ данных. Санкт-Петербург: Питер, 2011. 400 с.

3. Неттер ФГ. Атлас анатомії людини [Atlas of Human Anatomy]: пер. 7-го англ. вид.: двомов. вид. Київ: Медицина, 2020.

4. Образцов И.Ф., Адамович И.С., Барер И.С. и др. Проблема прочности в биомеханике: Учебное пособие для технич. и биол. спец. вузов. Москва: Высш. школа, 1988.

5. Попсуйшапка К.О., Карпінський М.Ю., Тесленко С.О., Карпінська О.Д., Попов А.І. Залишкова фіксованість хребтових сегментів при вибухових переломах грудопоперекового відділу хребта. Травма. 2017. 18 (4). 82-87. DOI: 10.22141/1608-1706.4.18.2017.109348.

6. Попсуйшапка К.О., Карпінський М.Ю., Попов А.І., Суббота І.А., Тесленко С.О. Клініко-експериментальні кореляції розвитку залишкової деформації хребта за умов вибухових переломів грудопоперекового відділу. Ортопедия, травматология и протезирование. 2017. 4. 49-56. DOI: 10.15674/0030-59872017449-56.

7. Радченко А.В., Попсуйшапка К.А., Карпинский М.Ю., Карпинская Е.Д., Тесленко С.А. Экспериментальное исследование модуля упругости препарата грудопоясничного отдела позвоночника свиньи. Травма. 2016. 17 (6). 91-100. DOI: 10.22141/1608-1706.6.17.2016.88623.

8. Радченко В.А., Попсуйшапка К.А., Карпинский М.Ю., Карпинская Е.Д., Тесленко С.А. Экспериментальное моделирование взрывных переломов грудопоясничного отдела позвоночника. Травма. 2017.; 18 (2). 46-52. DOI: 10.22141/1608-1706.2.18.2017.102558.

9. Magerl F., Aebi M., Gertzbein S.D., [et al.] A comprehensive classification of thoracic and lumbar injuries. Eur. Spine J. 1994. 4(3). 184-201.

10. Ponkilainen V.T., Toivonen L., Niemi S., Kannus P., Huttunen T.T., Mattila V.M. Incidence of Spine Fracture Hospitalization and Surgery in Finland 1998–2017. Spine. 2020. 45 (7). 459-464. doi: 10.1097/BRS.0000000000003286.

11. Vaccaro A.R., Rizzolo S.J., Allardyce T.J., Ramsey M., Salvo J., Balderston R.A., Cotler J.M. Place mentofpediclescrewsin the thoracic spine. Part I: morphometric analysis of the thoracic vertebrae. J. Bone Jt. Surg. Am. 1995. 77(8). 1193-9. https://doi.org/10.2106/00004623-199508000-00008.

12. White A.A., Panjabi M.M. Clinical biomechanics of the spine: Vol. 2. Philadelphia: JB Lippincott Company, 1990.