БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ СТРУКТУР ПОЗВОНОЧНИКА С ВРОЖДЕННОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ ГРУДНОГО ОТДЕЛА У ДЕТЕЙ ДО ОПЕРАЦИИ

BIOMECHANICAL STUDIES OF THE STATE OF SPINE STRUCTURES WITH CONGENITAL DEFORMATION OF THE THORACIC REPARTMENT IN CHILDREN BEFORE SURGERY

Valeria-Svetlana Kovalchuk

Student, Department of Biotechnical Systems and Technologies, St. Petersburg State University of Aerospace Instrumentation,

Russia, St. Petersburg

Anna Safronova

Scientific adviser Master’s degree, assistant of the Department of Biotechnical Systems and Technologies, St. Petersburg State University of Aerospace Instrumentation,

Russia, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

Построены по снимкам КТ содержательная и компьютерная модели, проведены биомеханические исследования состояния структур грудного отдела позвоночника ребенка при врожденном сколиозе и сросшихся позвонках до операции.

ABSTRACT

Content and computer models were constructed based on CT images, biomechanical studies of the state of the structures of the thoracic spine of a child with congenital scoliosis and fused vertebrae before surgery were carried out.

Ключевые слова: биомеханическое исследование, грудной отдел позвоночника, сколиоз у детей, критические напряжения, метод конечных элементов, компьютерное моделирование.

Keywords: biomechanical research, thoracic spine, scoliosis in children, critical stresses, finite element method, computer simulation.

ВВЕДЕНИЕ

Хирургическое лечение детей с врожденной деформацией позвоночника до настоящего времени является важной и нерешенной проблемой ортопедии. Актуальность данной темы обусловлена не только медицинской, но и социальной составляющей. Наиболее частой причиной, приводящей к прогрессирующему характеру течения врожденных деформаций позвоночного столба, являются аномалии развития тел позвонков. По данным скрининговых популяционных исследований, частота пороков развития позвонков грудной локализации составляет 0.1 –0.5 на 1000 новорожденных.

При этом в Санкт-Петербурге частота встречаемости пороков развития позвоночника и костей грудной клетки у новорожденных в общей структуре аномалий костно-мышечной системы составляет 3,2. Среди всех деформаций позвоночного столба врожденные искривления позвоночника составляют от 2% до 11% [1].

Проблема определения допустимых нагрузок на искривленный позвоночник до сих пор не решена. Может ли человек с кифосколиотической деформацией выполнять обычные упражнения, такие как бег, ходьба, присаживания на стул? И какую нагрузку при этом испытывает позвоночник и остальные структуры. Целью данной работы является определение зависимости напряженно-деформированного состояния участка позвоночника при различных телодвижениях.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

1) На основе снимка КТ пациента Н. 6 летнего возраста в программе MIMICS (рисунок 1) построена компьютерная модель участка Th2-Th8 грудного отдела позвоночника. Введены следующие допущения: 1. материал каждого элемента сплошной, однородный и изотропный; жесткое закрепление в нижней или верхней концевой пластине позвонка (в зависимости от телодвижения); остальные структуры (связки и диски) достроены в программе и SolidWorks остальные структуры (связки и диски) достроены в программе и SolidWorks (рисунок 2).

Рисунок 1. КТ пациента Н.

Рисунок 2. Геометрическая компьютерная модель участка грудного отдела позвоночника. Слева – вид спереди (достроены диски). Справа – вид сзади (достроены связки)

Модуль упругости (E) и коэффициент Пуассона (v) задан для каждого материала. Позвонки – Е=8000 МПа, v=0,3; межпозвонковый диск – Е=3,3 МПа, v=0,49; связки – Е=10 МПа, v=0,3; титан – Е=112000 МПа, v=0,3.

Результаты и обсуждение

Для исследования напряженно-деформированного состояния грудного отдела позвоночника, значения нагрузки были взяты с базы данных Orthoload [2].

Исследуем напряжения, возникающие в грудном отделе позвоночника при ходьбе. Задана нагрузка 112 Н, приложенная к верхним суставным поверхностям и заднему бугорку 2 позвонку грудного отдела позвоночника. Места закрепления выбраны на нижнем позвонке в местах крепления связок. На рисунке 3 представлена эпюра напряжения при ходьбе. Допустимое напряжение в позвонке равно 200 Мпа.

Рисунок 3. Интерфейс программы SolidWorks, эпюра напряжений при ходьбе

Максимальное напряжение, возникающее при ходьбе 65,93МПа. При беге нагрузка в 226 Н приходится на нижнюю концевую пластинку позвонка Th8

Максимальное напряжение, возникающее при беге на беговой дорожке 182,4 МПа. Это критическое напряжение, необходимо исключить такой вид деятельности, чтобы не усугубить проблемы с грудным отделом позвоночника пациента. Для исследования критических напряжений, возникающих в грудном отделе позвоночника во время того, когда пациент садится на стул была задана сила 37 Н, и приложена сверху.

Максимальное напряжение, возникающее в данном исследовании равно 29,71 МПа.

В случае бега, при данной виде искривления, такая нагрузка противопоказана, так как напряжения приближаются к критическому значению.

ВЫВОДЫ

Проанализированы несколько видов нагрузок при кифосколиотическом искривлении. Получены эпюры напряжений, возникающих в позвоночнике. Возможно использование данного исследования для рекомендаций по выполнению физических упражнений для пациентов.

Список литературы:

1. Виссарионов, С. В. Анализ результатов хирургического лечения детей с множественными аномалиями развития позвонков и грудной клетки с использованием внепозвоночных металлоконструкций / С. В. Виссарионов, Н. О. Хусаинов, Д. Н. Кокушин // Ортопедия, травматология и восстановительная хирургия детского возраста. – 2017. – №2. – С. 5-12.
2. Ульрих, Э. В. Аномалии позвоночника у детей / Э. В. Ульрих. –  СПб.: Сотис, 1995. – 336 с.
3. Database Orthoload – 2021. – URL: https://orthoload.com/database/ (дата обращения: 10.06.2021).