В структуре заболеваний опорно-двигательного аппарата у детей деформации позвоночника составляют от 2% до 11% [1]. Частота врожденных искривлений позвоночного столба среди всех деформаций позвоночного столба у детей составляет 3,2% [2]. Характер течения врожденной деформации зависит от величины искривления и темпов прогрессирования в процессе развития ребенка. Своевременное хирургическое вмешательство, проведенное в раннем возрасте ребенка, позволяет обеспечить условия для правильного развития позвоночного столба, предотвратить формирование грубых и ригидных деформаций, а также избежать появления неврологических нарушений в результате вертебро-медулярного конфликта. Операция включает удаление тела полупозвонка с выше- и нижележащими межпозвонковыми дисками, задней опорной колонны аномального позвонка и исправление искривления посредством установки транспедикулярного эндофиксатора в сочетании с костной пластикой [3]. В ходе вмешательства необходимо обеспечить радикальную коррекцию имеющегося искривления, фиксируя при этом минимальное количество позвоночно-двигательных сегментов в зоне порока. Одним из возможных послеоперационных осложнений является дестабилизация металлоконструкции в результате разрушения костных структур тел позвонков, в которые установлен спинальный имплантат [4-6].
Целью исследования является разработка метода биомеханического исследования напряжений, возникающих в системе позвоночник - эндофиксатор в ходе и после хирургического вмешательства. В процессе исследования оценивалась величина искривления позвоночника, геометрические параметры и механические свойства структур и элементов системы позвоночник – эндофиксатор, направление сил и величина внешнего воздействия металлоконструкцией, что могло бы позволить обосновать выбор протяженности транспедикулярной спинальной системы.
Материалы и методы исследования
В ходе проведения исследования использованы антропометрический метод, биомеханический и метод конечных элементов. Для проведения биомеханических исследований в системе позвонок - эндофиксатор необходимо установить жесткость позвоночного столба пациента раннего возраста. Коэффициент жесткости равен силе, которую нужно приложить к объекту для того, чтобы его длина изменилась на единицу. Для достижения поставленной цели в НМИЦ детской травматологии и ортопедии им Г.И. Турнера проводили антропометрию – измерение длины позвоночника у ребенка в возрасте 3 лет в структуре проведения стандартных занятий лечебной физкультурой, посредством нагружения пациента грузом в 3 кг (по 1,5 в каждой руке), для определения коэффициента жесткости позвоночного столба. В вертикальном положении длина позвоночника составила 19 см в грудном отделе и 7 см - в поясничном, замерена разница изменения роста ребенка (до нагружения 101 см и после – 98,8 см). Снижение высоты позвоночника составило 2,2 см (0,022 м), сила равна 30 Н, соответственно коэффициент жесткости, рассчитанный по закону Гука, -1363 H/м [7; 8].
Грудной и поясничный отделы состоят из 17 подвижных единиц. При допущении, что все подвижные единицы позвоночника обладают одинаковой жесткостью, жесткость подвижной единицы при сжатии 80,2 H/м. Механические свойства костных структур позвоночника и металлического эндофиксатора определены согласно результатам экспериментальных исследований, представленных в литературе, причем для биологических объектов эти параметры представлены с учетом возрастных показателей [9-12]. Для исследований на напряжённо-деформированное состояние в структурах участка поясничного отдела позвоночника пациента трехлетнего возраста приведены модуль нормальной упругости Ei (МПа) и коэффициент Пуассона v. Для кортикальной кости были использованы следующие значения: Exy=5406; Eyz=5406; Exz=1052; vxy=0,484; vyz=0,203; vxz=0,203. Для губчатой ткани: Exy=67; Eyz=67; Exz=95;vxy=0,45; vyz=0,315; vxz=0,315. Базовая субстанция фиброзного кольца: E=2; v=0,17. Пульпозное ядро: E=0,47; v=0,499. Транспедикулярный эндофиксатор: E=115*10^3; v=0,32. Связки позвоночного столба: EALL=0,86; EPLL=2,9; ELF=2,15; EISL=1,38; ETL=2,15; v=0,3. Фасеточные суставы: E=4,7; v=0,4.
Межпозвонковые диски (фиброзные кольца, пульпозное ядро), замыкательные пластинки, связочный аппарат (передняя, задняя, желтая, межостистая, поперечная связки) построены в соответствии с анатомией человека в детском возрасте. Транспедикулярный эндофиксатор смоделирован на основе данных, предоставленных в НМИЦ детской травматологии и ортопедии им. Г.И. Турнера. Позвонки разделены на кортикальную и спонгиозную ткани, материал которых сплошной, упругий, анизотропный. Эндофиксатор выполнен из титана. Предел текучести сплавов титана 85 МПа; временное сопротивление 500–1300 МПа. Пределы текучести кортикальной и губчатой костей соответственно 140 МПа и 5 МПа. Коэффициент запаса 2.
На основании проведенного исследования нами предложен алгоритм метода оценки состояния структур системы позвоночник - эндофиксатор при реконструкции:
1. С использованием срезов КТ патологически измененного позвоночника строятся двумерные геометрические компьютерные модели исходного патологически измененного позвоночника (типа рис. 1А) и прогнозируемого после реконструкции (типа рис. 1Б).
2. Общее перемещение каждого позвонка определяется из условия необходимого перемещения в вертикальном (концевая пластинка должна занять положение нормальное к анатомической дуге искривления в рассматриваемой зоне) и боковом направлении.
3. По двумерным геометрическим компьютерным моделям исходного патологически измененного позвоночника (рис. 1А) и прогнозируемого после реконструкции (рис. 1Б) вычисляются необходимые перемещения каждого позвонка.
4. Так как между позвонками L3 – L5 удалены связки и отсутствует межпозвонковый диск, усилия при перемещении каждого из них определяются жесткостью подвижных единиц, находящихся с одной стороны от рассматриваемого позвонка и определяющих величины перемещений как при сжатии, так и при растяжении.
5. При сжатии системы подвижных единиц, связанных с позвонком, жесткость системы определяется только с межпозвонковыми дисками. При растяжении системы подвижных единиц к жесткости межпозвонковых дисков добавляется жесткость связок.
6. По определенным в п. 3 перемещениям в вертикальном направлении и экспериментально определенному коэффициенту жесткости определяются усилия, прикладываемые к позвонку слева и справа.
7. Возможно построение двух трехмерных компьютерных моделей реконструируемого участка позвоночника для определения НДС в системе позвонки – эндофиксатор при вертикальном перемещении. В обоих случаях рассматривается равновесное состояние системы после деформации.
Вариант 1. Внешние силы, пересчитанные в давления, прикладываются к концевым пластинкам позвонков; головки винтов жестко закрепляются.
Вариант 2. Внешние силы прикладываются к винтам; концевые пластинки позвонков жестко закрепляются. По удобству при реализации алгоритма второй вариант предпочтительнее.
8. Проводятся вычисления напряжений в системе позвонки – эндофиксатор при вертикальном перемещении.
9. По двумерным геометрическим компьютерным моделям исходного патологически измененного позвоночника (рис. 1А) и прогнозируемого после реконструкции (рис. 1Б) вычисляются необходимые перемещения каждого позвонка в боковом (горизонтальном) направлении.
10. Строится трехмерная компьютерная модель реконструируемого участка позвоночника с дополнением двух крайних позвонков, несовершающих боковое перемещение.
11. По необходимому боковому перемещению каждого позвонка подбирается усилие, обеспечивающее это перемещение в модели двигательной единицы, включающей рассматриваемый позвонок. Усилие, прикладываемое к винтам эндофиксатора для бокового перемещения, определяется жесткостью связочного аппарата и межпозвонкового диска.
12. По модели каждого нагруженного позвонка вычисляются напряжения, перемещения и деформации в позвонке.
13. При использовании принципа суперпозиции в каждом позвонке (по результатам вычислений в п. 6, 10) определяется суммарное экстремальное значение напряжения и сравнивается с допускаемым.
14. Если суммарное экстремальное значение напряжения превышает допускаемое, то по величине допускаемого напряжения подбираются максимальные значения допускаемых вертикальных и боковых перемещений и протяженность эндофиксатора.
Реализуем представленный алгоритм по КТ патологически измененного позвоночника пациента 3 лет на рис. 1.
 |
Рис. 1. Интерфейсы программы Mimics. Снимки КТ пациента К. 3 лет:
А – до операции, Б – после операции
Результаты исследования и их обсуждение
Пример 1. Определяем напряженно-деформированное состояние после перемещения позвонка L3 из положения, представленного на рис. 1А в положение, представленное на рис. 1Б в ходе дистракции по вогнутой стороне искривления и контракции по выпуклой стороне деформации после установки транспедикулярных винтов. Величина сколиотического компонента деформации составила 34°, кифотического – 12°. Перемещения позвонка L3: слева - 2,89 мм вверх; справа - 3,88 мм вниз/ На рис. 2 приведены результаты вычислений напряжений в системе позвонок – транспедикулярные винты, по содержательным моделям первого и второго вариантов (L3 и L5 с винтами).
 |
Рис. 2. Интерфейс программы SolidWorks. Эпюра напряжений для вертикального перемещения позвонка L3: А – общая эпюра позвонка L3, Б – напряжение к губчатой кости (винт скрыт), измеренное с помощью команды «Зондирование», В – напряжение в кортикальной кости
Максимальное напряжение при вертикальном перемещении позвонка L3 в кортикальной кости составляет 1,6 МПа, в губчатой - 0,54 МПа, в винтах - 12,6 МПа. Для горизонтального выравнивания прикладывается усилие к винтам и происходит боковое перемещение. Перемещению позвонка в боковом направлении препятствуют упругие элементы участка L1-L3 (рис. 3).
 |
Рис. 3. Интерфейс программы SolidWorks. Эпюра напряжений для бокового перемещения участка L1-L3: А – общая эпюра участка L1-L3, Б – напряжение к губчатой кости (винт скрыт), измеренное с помощью команды «Зондирование», В – напряжение в кортикальной кости
Экстремальные значения напряжений в системе позвонок – транспедикулярные винты (боковое смещение): в кортикальной кости - 7,6 МПа; в губчатой кости - 0,25 МПа; в транспедикулярных винтах - 112 МПа.
Экстремальные значения напряжений от перемещения в системе позвонок -транспедикулярные винты в кортикальной кости составляет 9,2 МПа, в губчатой – 0,79 МПа, в транспедикулярных винтах – 124,6 МПа.
Пример 2. При операции на реконструируемом участке gозвоночника L3 - L5 удаляется аномальный заднебоковой полупозвонок. Далее формируются костные каналы в телах соседних интактных позвонков относительно порочного позвонка, в сформированные костные каналы устанавливаются транспедикулярные винты, в опорные элементы винтов укладывают стержни, предварительно изогнутые по физиологическим изгибам позвоночника, и проводят радикальную коррекцию искривленного позвоночника (рис. 4). Первым этапом стержень укладывают с выпуклой стороны искривления и осуществляют контракцию (стягивание) вдоль стержня с опорой на транспедикулярные винты, затем устанавливают стержень с противоположной стороны и проводят дистракцию вдоль стержня с опорой на винты.
Рис. 4. Схема позвонков с эндофиксатором
При определении вертикального перемещения при дистракции нагрузка в модели прикладывается к винтам, концевая пластинка каждого позвонка жестко закреплена.
На рис. 5 приведены результаты вычислений напряжений в системе позвонкb L3-L5- эндофиксатор при вертикальном перемещения при дистракции.
 |
Рис. 5. Эпюра напряжений участка поясничного отдела позвоночника (позвонки L3-L5)
Максимальные напряжения в позвонке L3, в кортикальной кости 1,3 МПа, в губчатой 0,68 МПа, в позвонке L5: кортикальная кость – 0,5 МПа, губчатая - 0,21 Мпа, напряжение в эндофиксаторе - 7,3 МПа. Боковое перемещение системы определяют упругие элементы систем L1-L3 и L5-L6. На рис. 6 приведены результаты вычислений напряжений в системе позвонки - эндофиксатор при боковом перемещении.
Рис. 6. Эпюра напряжений участка поясничного отдела L1-L6
Максимальные напряжения в позвонке L3, в кортикальной кости - 19 МПа, в губчатой - 0,9 Мпа; в позвонке L5: кортикальная кость – 47 МПа, губчатая - 0,4 Мпа, напряжение в эндофиксаторе - 133,4 МПа.
Экстремальные значения напряжений от перемещения каждого позвонка в системе позвонки – эндофиксатор: 1) в позвонке L3 в кортикальной кости составляет 20,3 МПа, в губчатой - 1,58 МПа; 2) в позвонке L5: в кортикальной кости – 47,5 МПа; в губчатой - 0,61 МПа; 3) в эндофиксаторе составляет 140,7 МПа.
При введенном коэффициенте запаса допускаемое напряжение в эндофиксаторе 250 МПа, кортикальной и губчатой костей - соответственно 75 МПа и 2,5 МПа. В рассмотренных примерах напряжения не превышают допускаемые. Таким образом, в ходе исследования установлено,что у ребенка с врожденным кифосколиозом поясничного отдела позвоночника на фоне изолированного полупозвонка в возрасте до 3 лет при величине сколиотического компонента искривления 34° и кифотического компонента 12° можно установить транспедикулярную металлоконструкцию с опорой только на соседние тела позвонков относительно аномального, достигнув при этом радикальной коррекции врожденной деформации.
Заключение
Разработанный метод позволяет при сохранении целостности позвонков определить: 1) при какой величине искривления можно установить конструкцию эндофиксатора с опорой только на соседние тела позвонков; 2) при какой величине деформации необходимо установить более протяженную конструкцию для полноценной коррекции врожденного искривления с учетом возникающих напряжений в системе позвонки - эндофиксатор.
Разработанный метод исследования состояния костных структур поясничного отдела позвоночника и эндофиксатора при реконструкции позвоночно-двигательного сегмента у детей раннего возраста можно использовать в качестве персонализированного предоперационного планирования с целью определения протяженности металлоконструкции при коррекции врожденной деформации и снижения развития послеоперационных осложнений.