Вступ
Поєднана патологія поперекового відділу хребта і кульшового суглоба небезпідставно вважається важливою проблемою сучасної ортопедії. Для нас є звичним термін, що позначає поєднання цих станів, — hip-spine синдром. Під ним розуміють поліетіологічний симптомокомплекс, який характеризується больовим синдромом, функціональними порушеннями і зміною анатомо-біомеханічних співвідношень у системі «кульшовий суглоб — хребет» унаслідок розвитку міодистрофічних, нейрогенних синдромів. Частота розвитку hip-spine синдрому має тенденцію до зростання. У хворих з вираженими змінами в кульшовому суглобі біль у поперековому відділі хребта спостерігається у 21,2–49,4 % випадків [1]. Хворі із зменшеною рухливістю таза внаслідок виконаного спондилодезу в поперековому відділі хребта мають більший відсоток вивихів і випадків розвитку імпінджменту після ендопротезування кульшового суглоба, що зменшує частоту задовільних результатів і є причиною повторних оперативних втручань [2, 3]. На даний час не існує загальноприйнятих рекомендацій щодо етапності виконання оперативних втручань у даної групи хворих. Отже, вивчення розподілу напружень у ділянці заднього спондилодезу поперекового відділу хребта в умовах негативних показників сагітального контуру хребта і зменшення поперекового лордозу є необхідною умовою для подальшого вивчення можливості використання інструментації хребта в умовах перебігу коксартрозу.
Мета: дослідити розподіл напружень у моделях заднього спондилодезу поперекового відділу хребта у випадку негативних значень сагітального контуру хребта і зменшення показників поперекового лордозу.
Матеріали та методи
У лабораторії біомеханіки ДУ «Інститут патології хребта та суглобів» була розроблена базова скінченно-елементна модель хребта з грудною кліткою [4–6], яка була доповнена тазом. Зовнішній вигляд моделі наведено на рис. 1.
Модель містила кісткові елементи: хребці Th1-L5, ребра, грудину і таз, які складалися з кортикальної та губчастої кісткових тканин, міжхребцеві диски, суглобові й реберні хрящі.
На основі базової моделі були розроблено модель flatback, яка відображає стан, що виникає при поєднаному перебігу дегенеративних захворювань поперекового відділу хребта й кульшового суглоба і характеризується зменшеним лордозом до 10° і нахилом тулуба вперед за рахунок згинальної конт-рактури в кульшових суглобах. На даній моделі моделювали варіанти заднього спондилодезу. На рис. 2 наведено модель із заднім спондилодезом хребців L4-L5 транспедикулярною конструкцією з 4 гвинтами і міжтіловою опорою.
На рис. 3 наведено модель із заднім спондилодезом хребців L3-L5 транспедикулярною конструкцією з 6 гвинтами.
На рис. 4 наведено модель із заднім спондилодезом хребців L1-L5 транспедикулярною конструкцією з 10 гвинтами.
При моделюванні матеріал вважали однорідним та ізотропним. Як скінченний елемент був обраний 10-вузловий тетраедр з квадратичною апроксимацією. Механічні характеристики біологічних тканин обирали за даними літератури [7–9]. Характеристики штучних матеріалів обирали за даними технічної літератури [10]. Механічні характеристики матеріалів, що використовували в розрахунках, наведені в табл. 1.
Модель випробували під впливом вертикального навантаження. Навантаження було розподілене пропорційно між хребцями згідно зі схемою, запропонованою J. Clin et al. (2011) [11]. Схему навантаження моделі наведено в табл. 2.
При моделюванні до моделі хребта прикладали вертикальне розподілене навантаження величиною 350 Н, що відповідає половині середньої ваги тіла людини. По нижній поверхні тіла нижнього хребця модель мала жорстке закріплення.
Для порівняння величин напружень у різних моделях були обрані контрольні точки, схема розташування яких наведена на рис. 5.
При проведенні дослідження вивчали величини напружень у хребцях Th1-L5. На кожному хребці реєстрували максимальні величини напружень у трьох зонах:
1) тіло хребця;
2) корені дуг;
3) дуговідросткові суглоби;
4) зона входу гвинтів.
Крім того, вивчали максимальні величини напружень на гвинтах і стрижнях транспедикулярної конструкції.
Дослідження напружено-деформованого стану моделей виконували за допомогою методу скінченних елементів. Як критерій оцінки напруженого стану моделей використовували напруження за Мізесом [12].
Моделювання виконували за допомогою системи автоматизованого проєктування SolidWorks. Розрахунки напружено-деформованого стану моделей виконували за допомогою програмного комплексу CosmosM [13].
Результати
На першому етапі роботи досліджували напружено-деформований стан моделі хребта в нормі. Розподіл напружень у кісткових елементах моделі наведено на рис. 6.
Як показали дослідження, у нормі найбільш напруженими є тіла хребців L1 і L2, де напруження сягають рівня 1,7 МПа. Найменш напруженими виявилися хребці Тh11 — 0,7 МПа, Тh9 і Тh10 — 0,8 МПа.
Корені дуг виявилися найбільш навантаженими в хребцях поперекового відділу. Найбільші напруження в цьому відділі спостерігаються в дугах хребця L4 — 5,4 МПа, найменші — 4,3 МПа — у дугах хребців L1 і L2. У дугах хребців L4 і L5 напруження визначаються на рівні 5,0 і 4,5 МПа відповідно. Найменш напруженими є дуги хребців верхньогрудного відділу Тh1-Тh4, у яких напруження не перевищують 1,4 МПа.
У дуговідросткових суглобах найбільший рівень напружень визначається також у поперековому відділі хребта, а саме в хребцях L3 — 9,0 МПа, L2 — 8,0 МПа, L1 — 7,7 МПа, L4 — 7,2 МПа, L5 — 7,0 МПа. Найменш напруженими є суглоби верхньогрудного відділу Th1-Th4, напруження на яких визначаються на рівні 1,4 МПа.
Дані про величини напружень у кісткових елементах моделі хребта в нормі наведені в табл. 3.
Для наочного порівняння величин напружень у кісткових елементах моделі хребта в нормі була побудована діаграма, яка наведена на рис. 7.
Як бачимо на діаграмі, у нормі напруження в кісткових елементах хребта зростають від верхнього відділу до нижнього, що цілком логічно пояснюється зростанням навантаження на хребці.
Розглянемо, як змінюється напружено-деформований стан моделі хребта при спрямленому лордозі, зміщенні вперед і виконанні заднього спондилодезу хребців L4-L5 транспедикулярною конструкцією на 4 гвинтах у поєднанні з міжхребцевим кейджем. Картину розподілу напружень у моделі наведено на рис. 8.
Як показали проведені дослідження, зі зміною анатомічних співвідношень елементів моделі й накладанням металевих конструкцій на хребці L4-L5 зона максимальних напружень у тілах хребців зміщується саме на хребці L4-L5, де напруження визначаються на рівні 4,7 і 5,1 МПа відповідно.
Що стосується дуг хребців, то за рахунок фіксації напруження в дугах хребців L4-L5 знижуються до рівня верхньогрудного відділу і дорівнюють 1,4 і 1,9 МПа відповідно. При цьому максимальний рівень напружень зміщується до нижньогрудного відділу, а саме: на хребці Th11 — 11,4 МПа, Th12 — 9,2 МПа, Th10 — 8,1 МПа.
Така ж тенденція спостерігається і в дуговідросткових суглобах, де напруження знижуються у фіксованих хребцях L4-L5 до 2,7 і 3,7 МПа відповідно й одночасно підвищуються на рівні хребців Th9-L1, де вони визначаються в межах від 9,9 до 10,5 МПа. У зонах навколо фіксуючих гвинтів напруження визначаються на рівні 2,8 і 3,8 МПа у хребцях L4-L5 відповідно.
На рис. 9 наведено картину розподілу напружень в елементах металевої конструкції моделі.
З елементів металевої конструкції найбільш напруженими — 81,9 МПа — виявляються стрижні за рахунок дії важелів у вигляді фіксуючих гвинтів. На самих гвинтах найбільші напруження виникають у хребці L5 — 12,0 МПа. У хребці L4 напруження дещо нижчі й не перевищують позначки 10,4 МПа.
Дані про величини напружень в елементах моделі хребта із заднім спондилодезом хребців L4-L5 транспедикулярною конструкцією з 4 гвинтами й міжтіловою опорою наведено в табл. 4.
Наочно порівняти величини напружень в елементах моделі хребта із заднім спондилодезом хребців L4-L5 транспедикулярною конструкцією з 4 гвинтами й міжтіловою опорою можна за допомогою діаграми, яка наведена на рис. 10.
Наведена діаграма дає наочне уявлення про зниження величин напружень у фіксованих хребцях L4-L5 нижче за рівень моделі в нормі, а також про значне підвищення напружень від середньогрудного відділу хребта до верхньогрудного.
Порівняти величини напружень в елементах металевої конструкції дозволяє діаграма, яка наведена на рис. 11.
Наступним етапом роботи було вивчення напружено-деформованого стану моделі хребта із заднім спондилодезом хребців L3-L5 транспедикулярною конструкцією з 6 гвинтами. Характер розподілу напружень у кісткових елементах моделі наведено на рис. 12.
Виконання спондилодезу трьох хребців L3-L5 –транспедикулярною конструкцією з 6 гвинтами веде до вирівнювання напружень у тілах хребців поперекового відділу хребта. При цьому мінімальні значення напружень 1,7 МПа визначаються в тілах хребців L4-L5, найбільш напруженим є тіло хребця L1 — 3,3 МПа. Також максимальний рівень напружень 3,4 МПа зафіксовано в тілах хребців Th8, Th9.
Серед зафіксованих хребців найнижчий рівень напружень 1,2 МПа визначається в дугах хребця L4. У дугах хребців L3 і L5 величина напружень спостерігається на рівні 2,2 і 2,0 МПа відповідно. В інших відділах хребта напруження в дугах хребців поступово зростають до рівня хребця Th11, де досягають максимального значення 11,0 МПа, потім напруження спадають до мінімуму в поперековому відділі.
Аналогічна тенденція спостерігається і в дуговідросткових суглобах, величина напружень у яких зростає, сягаючі максимуму 10,3 МПа у суглобах хребців Th11 і Th12, потім знижується до мінімуму — 2,5 МПа — у суглобах хребця L4.
У зонах навколо фіксуючих гвинтів мінімальне значення напружень — 2,3 МПа — визначається в хребці L4. У хребцях L3 і L5 рівень напружень вище — 3,6 МПа.
Картину розподілу напружень в елементах металевої конструкції можна побачити на рис. 13.
Проведене моделювання показало, що триточкова фіксація значно більше навантажує стрижень конструкції, де напруження сягають позначки 131,5 МПа. На фіксуючих гвинтах максимум напружень 20,3 МПа припадає на верхні гвинти, що розташовані в хребці L3. Надалі рівень напружень спадає до 13,4 і 9,3 МПа на гвинтах у хребцях L4 і L5 відповідно.
У табл. 5 наведено дані про величини напружень в елементах моделі хребта із заднім спондилодезом хребців L3-L5 транспедикулярною конструкцією із 6 гвинтами.
Візуально порівняти величини напружень у кісткових елементах моделі хребта із заднім спондилодезом хребців L3-L5 транспедикулярною конструкцією із 6 гвинтами дозволяє діаграма, наведена на рис. 14.
На діаграмі наочно видно, що при використанні заднього спондилодезу хребців L3-L5 транспедикулярною конструкцією із 6 гвинтами найбільш напруженим є відділ хребта від хребця Th8 до L1.
Діаграма, наведена на рис. 15, відображає співвідношення напружень в елементах металевої конструкції моделі хребта із заднім спондилодезом хребців L3-L5 транспедикулярною конструкцією із 6 гвинтами.
Наведена діаграма наочно демонструє тенденцію до зниження рівня напружень на фіксуючих гвинтах від хребця L3 до хребця L5 і високий рівень напружень у стрижнях конструкції.
Останнім етапом роботи було вивчення моделі із заднім спондилодезом хребців L1-L5 транспедикулярною конструкцією з 10 гвинтами, розподіл напружень у кісткових елементах якої наведено на рис. 16.
Збільшення довжини заднього спондилодезу до хребця L1 приводить до того, що найбільш напруженим серед тіл хребців поперекового відділу є тіло хребця L1, де напруження визначаються на рівні 3,0 МПа. Інші хребці поперекового відділу хребта навантажені практично рівномірно, про що свідчать величини напружень. Так, у тілах хребців L4-L5 напруження визначаються на рівні 1,6 МПа, у тілах хребців L2 і L3 — 2,1 і 2,2 МПа відповідно.
Також у поперековому відділі хребта найбільш напруженими — 7,2 МПа — є дуги хребця L1, але ще більш напруженими виявляються дуги суміжних з ним хребців Th11 і Th12, величини напружень на яких визначаються на рівні 10,0 і 8,1 МПа відповідно. Найменш напруженими — 1,1 МПа — є дуги хребця L4.
З точки зору напружень у дуговідросткових суглобах найбільш навантаженим виявляється нижньогрудний відділ хребта від хребця Th9 до Th12, де величини напружень визначаються в межах від 9,5 до 10,2 МПа. У поперековому відділі хребта найбільші напруження — 8,4 МПа — виникають у дуговідросткових суглобах хребця L1. Найнижчий рівень напружень — 2,3 МПа — спостерігається в суглобах хребця L4. У суглобах інших хребців напруження визначаються в межах від 3,3 МПа в хребцях L2, L3 до 3,5 МПа в хребці L5.
Аналогічна картина спостерігається і з розподілом напружень навколо фіксуючих гвинтів. Максимальна величина напружень — 12,7 МПа — зафіксована в хребці L1, мінімальна — 2,3 МПа — у хребці L4.
Розподіл напружень в елементах металевої конструкції моделі із заднім спондилодезом хребців L1-L5 транспедикулярною конструкцією з 10 гвинтами можна побачити на рис. 17.
Проведене дослідження показало, що довга конструкція на 5 хребців дозволяє знизити рівень напружень на стрижнях до 76,2 МПа, що відбувається за рахунок більш рівномірного розподілу навантажень по всій довжині стрижнів. Але за це доводиться платити великим напруженням на фіксуючих гвинтах, максимум якого припадає саме на верхні гвинти, що розташовані в хребці L1. Надалі рівень напружень поступово знижується до мінімального значення 10,4 МПа на гвинтах у хребці L5.
Дані про величини напружень в елементах моделі хребта із заднім спондилодезом хребців L1-L5 транс-педикулярною конструкцією з 10 гвинтами наведені в табл. 6.
Діаграма, наведена на рис. 18, відображає співвідношення величин напружень у кісткових елементах моделі хребта із заднім спондилодезом хребців L1-L5 транспедикулярною конструкцією з 10 гвинтами.
Діаграма дає наочне уявлення про те, що даний варіант спондилодезу дозволяє знизити до мінімуму рівень напружень в елементах хребця L4, при цьому отримати максимальні напруження в тілі й дуговідросткових суглобах хребця L1. Також зона великих напружень у дугах у суглобах припадає на нижньогрудний відділ хребта, а саме на хребці Th9-Th12.
Діаграма на рис. 19 відображає співвідношення величин напружень в елементах металевої конструкції моделі хребта із заднім спондилодезом хребців L1-L5 транспедикулярною конструкцією з 10 гвинтами.
Як бачимо на діаграмі, при даній схемі виконання спондилодезу основне навантаження сприймають верхні гвинти, які розташовані в хребці L1, що проявляється у великих значеннях величин напружень.
Розглянемо, як співвідносяться величини напружень у різних елементах моделей залежно від схеми виконання заднього спондилодезу поперекового відділу хребта. На рис. 20 наведена діаграма величин напружень у тілах хребців залежно від варіанта спондилодезу.
Як видно на діаграмі, задній спондилодез транспедикулярною конструкцією на 2 хребці L4-L5 призводить до виникнення максимальних напружень у тілах хребців поперекового відділу хребта, особливо це стосується хребців L4-L5. Найменші величини напружень у тілах хребців поперекового відділу вдається отримати при накладанні транспедикулярної конструкції на всі 5 хребців поперекового відділу.
На рис. 21 наведена діаграма, яка відображає співвідношення величин напружень у коренях дуг хребців залежно від варіанта спондилодезу.
Наведена діаграма наочно демонструє, що використання всіх варіантів заднього спондилодезу дозволяє знизити рівень напружень у дугах хребців поперекового відділу хребта нижче за рівень моделі хребта в нормі, за винятком хребця L1. У той же час це призводить до підвищення рівня напружень в грудному відділі хребта від хребця Th5 до Th12. Але слід відмітити, що й у цьому випадку транспедикулярна конструкція, накладена на всі 5 хребців поперекового відділу хребта, забезпечує найнижчий рівень напружень у дугах хребців грудного відділу, ніж інші схеми заднього спондилодезу.
Порівняти величини напружень у дуговідросткових суглобах хребців залежно від варіанта спондилодезу можна за допомогою діаграми, яка наведена на рис. 22.
Ситуація з розподілом напружень у дуговідросткових суглобах аналогічна розподілу напружень у дугах хребців. Особливістю є той факт, що величини напружень у суглобах хребців грудного відділу хребта значно перевищують аналогічні показники моделі хребта в нормі, що, скоріше за все, пов’язано з анатомічними змінами в хребті (спрямлений лордоз, нахил тулуба вперед).
Порівняти величини напружень у місцях входу гвинтів залежно від варіанта спондилодезу дозволяє діаграма, наведена на рис. 23.
Як бачимо, величини розподілу напружень у кістковій тканині навколо фіксуючих гвинтів незначно відрізняються залежно від протяжності транспедикулярної фіксації. Виняток становить конструкція, що накладається на все хребці поперекового відділу хребта, вона викликає значні напруження навколо гвинтів у хребці L1.
Розглянемо особливості розподілу напружень в елементах металевої конструкції залежно від варіанта спондилодезу. Рис. 24 відображає співвідношення напружень на фіксуючих гвинтах.
Результати проведеного моделювання, які відображені на діаграмі, наочно свідчать про те, що при всіх варіантах монтажу транспедикулярної конструкції величини напружень на гвинтах у хребцях L3-L5 порівнянні. При використанні конструкції на 5 хребців поперекового відділу хребта фіксуючі гвинти в хребці L1 зазнають значних навантажень, які, відповідно, викликають значні напруження в них. Усе це є логічним поясненням щодо аналогічної картини розподілу напружень у кістковій тканині навколо фіксуючих гвинтів. Чим вищі напруження на гвинті, тим вищі вони і в кістковій тканині навколо гвинта.
На завершення порівняємо, як співвідносяться рівні напружень у стрижнях транспедикулярної конструкції залежно від її протяжності. Це можна зробити за допомогою діаграми, яка наведена на рис. 25.
Як бачимо, максимальний рівень напружень у стрижнях виникає при інструментації трьох хребців L3-L5, мінімальний — при накладанні конструкції на всі п’ять хребців поперекового відділу хребта.
Висновки
1. Використання всіх варіантів заднього спондилодезу дозволяє знизити рівень напружень у тілах, дугах і дуговідросткових суглобах хребців поперекового відділу хребта нижче за рівень моделі в нормі. У той же час це призводить до підвищення рівня напружень у хребцях грудного відділу хребта.
2. Задній спондилодез транспедикулярною конструкцією, що накладається на всі хребці поперекового відділу хребта, дозволяє отримати нижчий рівень напружень в елементах усіх хребців, ніж при більш коротких варіантах інструментації.
3. При всіх варіантах монтажу транспедикулярної конструкції величини напружень на фіксуючих гвинтах у хребцях L3-L5 порівнянні. При використанні транспедикулярної фіксації всіх п’яти хребців поперекового відділу основне навантаження припадає на верхні гвинти, які розташовані в хребці L1, що викликає в них високий рівень напружень, у 5–6 разів вищий, ніж у гвинтах у розташованих нижче хребцях.
Конфлікт інтересів. Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів і власної фінансової зацікавленості при підготовці даної статті.
Отримано/Received 04.11.2022
Рецензовано/Revised 12.11.2022
Прийнято до друку/Accepted 21.11.2022
/13.jpg)
/14.jpg)
/12.jpg)
/15.jpg)
/16.jpg)
/15_2.jpg)
/17.jpg)
/23.jpg)
/18.jpg)
/19.jpg)
/24.jpg)
/20.jpg)
/21.jpg)
/22.jpg)
/25.jpg)