Журнал «Травма» Том 13, №4, 2012

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.