CC BY
38
Статья поступила в редакцию 11.04.2016 г.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ БИОМЕХАНИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СПОСОБОВ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ ШЕЙНЫХ МЕЖПОЗВОНКОВЫХ ДИСКОВ ДИНАМИЧЕСКИМИ ЭЛАСТИЧНЫМИ И ЯЧЕИСТЫМИ ИМПЛАНТАТАМИ ИЗ ТИТАН-СОДЕРЖАЩИХ СПЛАВОВ
EXPERIMENTAL, BIOMECHANICAL AND MATHEMATICAL MODELING OF METHODS OF CERVICAL INTERVERTEBRAL DISK PROSTHETICS WITH USE OF DYNAMIC ELASTIC AND MESH IMPLANTS MADE OF TITAN-CONTAINING ALLOYS
Завгородняя Е.В. Zavgorodnyaya E.V.
Давыдов Е.А. Davydov E.A.
Коллеров М.Ю. Kollerov M.Yu.
Афонина М. Б. Afonina M.B.
«Российский научно-исследовательский нейрохирургический Polenov Russian
институт имени профессора А.Л.Поленова» — филиал Neurosurgery Institute,
федерального государственного бюджетного учреждения
«Северо-Западный федеральный медицинский
исследовательский центр им. В.А. Алмазова»
Минздрава Российской Федерации,
г. Санкт-Петербург, Россия Saint Petersburg, Russia
Федеральное государственное бюджетное Moscow Aviation Institute,
образовательное учреждение высшего образования
«Московский авиационный институт
(национальный исследовательский университет)»,
г. Москва, Россия Moscow, Russia
Цель исследования - определить требования к проектированию, разработке, производству и показания к применению динамических эластичных и ячеистых имплантатов из титан-содержащих сплавов при операциях на шейном отделе позвоночника.
Материалы и методы. Анализируется биомеханика позвоночно-дви-гательного сегмента (ПДС) шейного отдела позвоночника (ШОП) в эксперименте после дискэктомии с последующим протезированием динамическим эластичным нитиноловым имплантатом (эндопротезом межпозвонкового диска в виде одновитковой нитиноловой спирали) и ячеистым титановым имплантатом (кейджа ЯТИ) методами экспериментального биомеханического и математического моделирования и результаты их клинического применения.
Результаты и их обсуждение. После резекции межпозвонкового диска в шейном отделе позвоночника значительно снижается стабильность поврежденного ПДС к флексионным нагрузкам. При этом выше расположенный сегмент имеет в 2 раза меньшую подвижность по сравнению с исходным состоянием. При протезировании диска динамическим эластичным нитиноловым имплантатом (эндопротезом межпозвонкового диска) стабильность во всех ПДС близка к физиологической. При протезировании диска ячеистым титановым имплантатом (кейджем ЯТИ) оперированный сегмент становится ригидным к флексионным нагрузкам, смежные сегменты компенсаторно увеличивают подвижность.
№ 2 [июнь] 2016
Objective - to define the requirements for the design, development, manufacture and indications for use of the dynamic elastic and porous implants from titanium-containing alloys during operations for the cervical spine.
Materials and methods. The analysis included biomechanics of the vertebral-motional segment of the cervical spine in the experiment after discectomy with subsequent prosthetics with dynamic elastic nitinol implant (intervertebral disk endoprosthesis in view of single-turn nitinol spiral) and titanium mesh implant. The analysis was conducted with bio-mechanical experimental methods, mathematical modeling and the results of clinical application.
Results. The stability of an injured spinal motional segment in relation to flexion load significantly decreases after resection of the intervertebral disk in the cervical spine. The overlying segment is associated with 2 time lower mobility in comparison with the basic state. Prosthetics with use of the dynamic elastic nitinol implant (intervertebral disk endoprosthesis) results in near physiological stability in all spinal motional segments. If prosthetics is made with the mesh titan implant, an operated segment acquires rigidity to flexion load, and the adjacent segments increase mobility as result of compensatory actions.
73
Выводы. Максимальная ригидность (по сути межтеловой блок) возникает при укреплении поврежденного позвоночно-двигательного сегмента ячеистым титановым имплантатом (кейджем ЯТИ), но в этом случае уже в ближайшем (до 6 месяцев) послеоперационном периоде происходит перегрузка и развитие избыточной подвижности и нестабильности в смежных ПДС.
Применение для протезирования диска поврежденного позвоночно-дви-гательного сегмента динамического эластичного нитинолового имплан-тата (эндопротеза межпозвонкового диска) позволяет сохранить физиологическую биомеханику позвоночника без перегрузки смежных ПДС в ближайшем и отдаленном (до 18 месяцев) послеоперационном периодах. Ключевые слова: позвоночник; остеохондроз; повреждения межпозвонковых дисков; нестабильность; эндопротезы дисков; титановый им-плантат; нитиноловый имплантат; динамическая стабилизация.
Conclusion. Maximal rigidity (i.e. interbody block) appears after strengthening an injured spinal motional segment with use of the titan implant. However the nearest (up to 6 months) postsurgical period is associated with overload and development of excessive mobility and instability in the adjacent spinal motional segments. Usage of the dynamic elastic nitinol implant (intervertebral disk endoprosthesis) for prosthetics of an injured spinal motional segment allows salvation of physiological biomechanics of the spine without overloading the adjacent spinal motional segments in short term and long term periods.
Key words: the spine; osteochondrosis; injuries to intervertebral disks; instability; disk endoprosthesis; titanium implant; nitinol implant; dynamic stabilization.
В арсенале травматологов и нейрохирургов имеется множество имплантатов, применяемых во время операций на шейном отделе позвоночника (ШОП) при травматическом или дегенеративно-дистрофическом поражении одного или нескольких позвоночно-двигатель-ных сегментов (ПДС) [1-3].
Задачами нашего исследования были изучение биомеханики ПДС и сравнительная оценка применения динамического эластичного нитинолового имплантата (ЭНИ) или эндопротеза межпозвонкового диска (Е), выполненного в виде одно-витковой спирали из нитиноловой проволоки и кейджа специального плетения из титанового сплава — ячеистого титанового имплантата (ЯТИ) при хирургическом лечении пациентов с поражением ШОП методами экспериментального биомеханического и математического моделирования с последующей оценкой результатов клинического применения.
Анатомо-физиологически позвоночник представляет собой сложное мобильное образование, позволяющее выполнять сгибания, разгибания и вращения туловища в различных плоскостях. Благодаря современным достижениям науки и многочисленным изобретениям ортопеды, нейрохирурги имеют возможность не только протезировать утраченные сегменты позвоночника, но и имитировать их функцию [4-6].
Сформировалось два основных направления нейро-ортопедических операций на позвоночнике: первое — это создание неподвижного спондилодеза с формированием межтелового блока между позвон-
ками и второе — это динамическая стабилизация с минимальным изменением статики и динамики оперированного отдела позвоночника.
Принцип динамической стабилизации позвоночника лежит в основе концепции биологически и механически совместимых имплантатов (БМСИ) [6, 7].
Шейный отдел позвоночника является наиболее подвижным, движения происходят в трех плоскостях, соответственно наклону суставных площадок плоскости. А направления движения и вращения позвонков относительно друг друга возможны в виде флексии — экстензии, латерофлексии и ротации. Возможные и сочетанные, спиралевидные движения.
Движения вокруг вертикальной оси — это сочетание ротации и кранио-каудального смещения, в шейном отделе позвоночника до 45 % объема ротации происходит в С1-С11 (за счет атланто-аксиального сочленения). Возможны движения вокруг сагиттальной оси — это сочетание латерофлексии с вентральным или дорзальным смещением. При наличии латерофлексии одного позвонка относительно другого наблюдается вентральное или дорзальное смещения между ними. Движения вокруг фронтальной оси возможны при сочетании флексии и экстензии с латеральным смещением. При латерофлексии Сп одновременно появляется его ротация в одноименную сторону, а после 15° латерофлексии возможно латеральное смещение тела данного позвонка в сторону, противоположную флексии.
Современные эндопротезы диска по своей биомеханике должны
соответствовать или быть максимально приближены к биомеханике движений в интактном позвоноч-но-двигательном сегменте [8].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В настоящем исследовании сделана попытка сформулировать некоторые принципы, определяющие требования к имплантатам из ти-тан-содержащих сплавов, особенностям их разработки, производства и применения.
Для математического моделирования использовался метод конечных элементов в пакете программ Ansys с воссозданием костных, связочных и хрящевых структур ШОП и анализом биомеханического поведения модели позвоночника при его флексии и экстензии [9].
Проверка адекватности математической модели осуществлялась при сопоставлении расчетов и экспериментальных результатов испытания анатомических препаратов шейного отдела позвоночника с сохраненной анатомической целостностью костных, хрящевых и связочных структур. Для получения данных, характеризующих механическое поведение шейного отдела позвоночника, анатомические препараты подвергались воздействию изгибающей нагрузки до и после экспериментальной установки эндопротеза межпозвонкового диска из нитино-ла и ЯТИ.
Полученные в лабораторных условиях результаты сопоставлялись с данными клинических наблюдений оперированных пациентов, пролеченных ранее по поводу поражения ШОП различного генеза с применением ЭНИ в виде эндопро-теза межпозвонкового диска или
74
ПОЛИТРАВМА
ЯТИ. Клиническое наблюдение проводилось через 6 месяцев после операции (ближайший послеоперационный период), через 12-18 месяцев (отдаленный послеоперационный период) и после 18 месяцев (поздний послеоперационный период).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ На первом этапе определяли механическую подвижность анатомического препарата шейного отдела позвоночника при флексии и экстензии в пяти состояниях:
1.Исходное состояние с сохраненными костными и связочно-хря-щевыми структурами.
2.Состояние по п.1 с дискэктомией (далее — «резекция диска») С^-СУ.
3.Состояние по п.2, дополнительно стабилизированное кейджем (ЯТИ) между позвонками С^ и ^ (рис. 1а).
4.Состояние по п.2, дополнительно стабилизированное эндопротезом межпозвонкового диска в виде витка спирали из нитинола с эффектом памяти формы и сверхупругостью (рис. 1Ь). Результаты испытаний приведены на рисунке 2.
В исходном состоянии шейный отдел Сп-Суп анатомического пре-
парата обладает жесткостью около 0,8 Н/мм при флексии и 1,9 Н/мм при экстензии в пределах изгиба ±30° относительно оси позвоночника при его среднем физиологическом положении. После проведения дискэктомиии на уровне С^-Су нами была отмечена кифотическая деформация (около 5°) в состоянии без дополнительной нагрузки при резком снижении сопротивления к флексии. Суммарная жесткость всего анатомического препарата уменьшилась до 0,25 Н/мм. При этом сопротивление к экстензии изменилось незначительно — до 1,5 Н/мм.
Анализ сопротивления шейного отдела анатомического препарата к флексии и экстензии при экспериментальной имплантации эндо-протеза межпозвонкового диска выявил минимальные колебания значений по отношению к исходным: 1,2 и 1,6 Н/мм соответственно.
Для анализа работы каждого ПДС в отдельности было проведено математическое моделирование изучаемой части позвоночника в исходном состоянии, после дискэк-томии, после установки эндопроте-за межпозвонкового диска, после установки ЯТИ (рис. 3).
Для оценки стабильности сегментов находили отношение измене-
ния угла между замыкательными платинами смежных позвонков в поврежденном или стабилизированном имплантатами состояниях к такому же изменению углов в исходном состоянии при флексии и экстензии (табл. 1). Это отношение (коэффициент стабильности) близко к единице, если биомеханическое поведение сегмента адекватно исходному («нормальному») состоянию, больше единицы при ригидной фиксации и меньше в результате нестабильности.
Геометрические параметры модели и физико-механические свойства тканей корректировались таким образом, чтобы механическое поведение в исходном состоянии было адекватно механическому поведению неповрежденного анатомического препарата.
Расчеты показали, что после резекции межпозвонкового диска значительно снижается стабильность поврежденного ПДС к флек-сионным нагрузкам. При этом выше расположенный сегмент имеет в 2 раза меньшую подвижность по сравнению с исходным состоянием.
В случае установки эндопротеза межпозвонкового диска стабильность во всех ПДС близка к физиологичной, что свидетельствует об адекватности биомеханическо-
Рисунок 1
Испытания при флексии и экстензии анатомического препарата шейного отдела позвоночника после резицирования и установки ячеистого титанового имплантата (а) и эндопротеза межпозвонкового диска (b).
Figure 1
The extension and flexion tests of the anatomic sample of the cervical spine after resection and placement of titanium mesh implant (a) and the intervertebral disk endoprosthesis (b).
го поведения стабилизированного ПДС исходному неповрежденному состоянию.
При имплантации кейджа поврежденный сегмент становится ригидным к флексионным нагрузкам (к = 11,2), что снижает стабильность вышерасположенного сегмента. При этом стабильность к экс-тензионным нагрузкам меняется в узком диапазоне (к = 1,4 — 0,85) и близка к норме.
Проверка результатов анатомических исследований и математического моделирования проводилась посредством анализа функциональных рентгенограмм пациентов, прооперированных ранее по поводу остеохондроза шейного отдела позвоночника (на уровне Су-Су1 и Су1-Суп), которым была выполнена дискэктомия и установка эндопротеза межпозвонкового диска (рис. 4).
Рисунок 2
Результаты испытаний анатомического препарата шейного отдела при флексии и экстензии в исходном состоянии, после резецирования межпозвонкового диска и укрепления эндопротезом или ячеистым титановым имплантатом.
Figure 2
The results of the extension and flexion tests of the cervical spine sample in the basic state, after resection of the intervertebral disk and installation of the endoprosthesis or titanium mesh implant.
80 Р,Н
/ /
AJ, мм /
30 -2 о -а О' -20 -40 10 20 30 41
-80
-исходное состояние/basis state - резекция диска/ discectomy
-резекция ди ска+эн до протез/ discectomy-^ridoprosthesis -резекция диска+ЯТИ/ discectomy+cage
Рисунок 3
Результаты математического моделирования при флексионной нагрузке участка шейного отдела позвоночника в исходном состоянии (а), после резицирования межпозвонкового диска (b) и укрепления эндопротезом. Figure 3
The results of mathematical modeling during flexion load in the cervical spine in the basic state (a), after resection of the intervertebral disk (b) and installation of the endoprosthesis.
-2.40°
Сравнение изменения углов за-мыкательных пластин тел позвонков оперированного и верхнего смежного ПДС показало, что подвижность исследуемых ПДС статистически достоверно одинакова в раннем послеоперационном периоде (табл. 2).
Однако спустя 12-18 месяцев со дня операции изменение углов стабилизированного ПДС при функ-
циональном исследовании ШОП уменьшается за счет возникающего фиброзного блока, который в сочетании с эндопротезом межпозвонкового диска функционирует как новообразованный межпозвонковый диск, сохраняя необходимую физиологическую подвижность между телами, имитируя работу межпозвонкового диска. Изменения высоты дисков или положения
Е=-20.70°
костных структур отмечено не было.
Спустя 18-24 месяца после имплантации эндопротеза фиброзный рубец на оперированном сегменте постепенно преобразовывается в костный блок и возникает обычный межтеловой спондилодез, подобно перерождению собственных хрящевых дисков вследствие дегенеративных процессов, когда про-
76
ПОЛИТРАВМА
Таблица 1
Расчет изменения стабильности шейного отдела позвоночника, укрепленного различными видами имплантатов
Table 1
Calculation of change in stability of the cervical spine strengthened by different types of implants
Состояние позвоночника Сondition of the spine Коэффициент стабильности Сoefficient of stability
при флексии / flexion при экстензии/extension
С -С III IV С -С IV VI С -С VI VII общий total С -С III IV С -С IV VI С -С VI VII общий total
Резекция диска Discectomy 2.4 0.34 1.21 0.79 1.17 0.85 0.97 0.98
Резекция диска +эндопротез Discectomy+endoprosthesis 1 0.87 1.12 0.99 1.19 0.87 1.01 0.91
Резекция диска +кейдж Discectomy+cage 0.71 11.2 1.75 1.4 1.15 0.85 0.95 0.97
Таблица 2
Анализ функциональных рентгеновских исследований больного Г. (резекция диска с установкой эндопротеза межпозвонкового
диска) Table 2
Analysis of functional X-ray images (discectomy with implantation of the endoprosthesis of the intervertebral disc)
Состояние ^nd^^ of the spine Положение позвоночника Position of the spine Угол сегмента Angle of the segment Отношение разности углов Difference in angles
С -С V VI С -С VI VII суммарный total С -С /С -С V VI' VI VII
После операции After surgery Экстензия Extension -4.7 -6.2 -10.9 0.76
Флексия Flexion 10.7 9.8 20.5 1.09
исходит блокирование ПДС посредством краевых костных разрастаний.
Анализ приведенных теоретических, экспериментальных и клинических результатов показывает, что для восстановления нормальной биомеханики шейного отдела позвоночника динамическая стабилизация ПДС должна обеспечивать его подвижность в пределах функциональной нормы, с коэффициентом близким к единице.
Это достигается применением имплантатов, воспринимающих нагрузку параллельно с сохраненными структурами позвоночника. Это возможно в том случае, когда жесткость имплантат сравнима с жесткостью этих структур. Наиболее эффективным способом создания таких имплантатов является применение материалов с низким модулем упругости, например, различных полимеров и сплавов с эффектом памяти формы и сверхупругостью (нитинол).
Рисунок 4
Функциональные рентгенограммы при флексии (а) и экстензии (b) больного Г. после резекции диска и установки эндопротеза. Figure 4
The functional X-ray images in the patient G. during flexion (a) and extension (b) after disk resection and installation of the endoprosthesis.
Необходимым условием стабилизации пораженного ПДС является применение ЭНИ, воспринимающих нагрузку параллельно с сохраненными структурами ПДС, сопоставимыми с ними по жесткости. Конструкция имплантата должна обеспечивать надежную фиксацию в костных структурах и долговечность в условиях многоцикловой нагрузки при функциональных движениях. Этим условиям отвечает ЭНИ в виде эндопротеза межпозвонкового диска и ЯТИ.
Нитиноловые эндопротезы межпозвонкового диска, несмотря на формирование вокруг себя в ближайшем и отдаленном периодах фиброзного рубца и постепенное снижение подвижности в оперированном ПДС, не приводят к перегрузке смежных сегментов, успевая через 12-18 месяцев после операции выполнить свою основную функцию — предотвратить уменьшение высоты межпозвонкового
пространства после удаления поврежденного диска и осуществлять умеренную дистракцию тел позвонков по оси позвоночника, сохраняя мобильность ПДС.
ВЫВОДЫ:
Проведенные исследования показали, что дискэктомия на шейном уровне с последующим протезированием оперированного по-звоночно-двигательного сегмента различными имплантатами приводит к сохранению различной степени подвижности в смежных ПДС выше и ниже уровня операции.
Максимальная ригидность (по сути межтеловой блок) возникает при укреплении поврежденного позвоночно-двигательного сегмента ячеистым титановым имплантатом (кейджем ЯТИ), но в этом случае уже в ближайшем (до 6 месяцев) послеоперационном периоде происходит перегрузка и развитие избы-
точной подвижности и нестабильности в смежных ПДС.
Применение для протезирования диска поврежденного позвоноч-но-двигательного сегмента динамического эластичного нитинолового имплантата (эндопротеза межпозвонкового диска) позволяет сохранить физиологическую биомеханику позвоночника без перегрузки смежных ПДС в ближайшем и отдаленном (до 18 месяцев) послеоперационном периодах.
В позднем послеоперационном периоде (свыше 18 месяцев) происходит дальнейшее прогресси-рование дегенеративного процесса в шейном отделе позвоночника, что приводит к формированию вокруг установленного нити-нолового эндопротеза межпозвонкового диска грубого фиброзного рубца с краевыми костными разрастаниями, постепенно снижая подвижность в оперированном ПДС.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES:
1. Gomleksiz C, Sasani M, Oktenoglu T, Ozer AF. A short history of
posterior dynamic stabilization. Advances in Orthopedics. 2012;
2012: 12.
2. Shevelev IN, Gushcha AO. Degenerative and dystrophic diseas-
es of the cervical spine. M. : ABV-Press Publ., 2008. 176 p. Rus-
sian (Шевелев И.Н., Гуща А.О. Дегенеративно-дистрофические
заболевания шейного отдела позвоночника. М. : АБВ-Пресс,
2008. 176 с.)
3. Harms J, Tabasso G. Instrumented spinal surgery: principles and
technique. Stuttgart ; NY, 1999.
4. Vetrile ST, Krupatkin AI, Yundin SV. Surgical treatment of cer-
vical spine injuries with use of primary stable fixation with
metal constructs. Spinal Surgery. 2006; (3): 8-18. Russian (Ве-
трилэ С.Т., Крупаткин А.И., Юндин С.В. Хирургическое ле-
чение повреждений шейного отдела позвоночника с при-
менением первично-стабильной фиксации металлически-
ми конструкциями // Хирургия позвоночника. 2006. № 3.
С. 8-18.)
5. Grob D, Daehn S, Mannion AF. Titanium mesh cages (TMC) in
spine surgery. Eur Spine J. 2005; 14: 211-221. DOI: 10.1007/
s00586-004-0748-7.
6. Davydov EA. Chronical vertebrogenic pain syndromes (clinical
course, diagnostics, treatment) : course of lectures. Saint
Petersburg : Russian Polenov Neurosurgery Institute Publ.,
2013. 344 p. Russian (Давыдов Е.А. Хронические вертебро-
генные болевые синдромы (клиника, диагностика, лечение):
курс лекций. СПб. : РНХИ им. проф. А.Л. Поленова, 2013.
344 с.)
7. Biocompatible materials (education guidance). Sevastyanov VI, Kir-
pichnikov MP, eds. Moscow, 2011. 540 p. Russian (Биосовместимые
материалы (учебное пособие) / под ред. В.И. Севастьянова,
М.П. Кирпичникова. М., 2011. 540 с.)
ПОЛИТРАВМА
8. Chuang HC, Cho DY, Chang CS, Lee WY, Jung-Chung C, Lee HC, Chen CC. Efficacy and safety of the use of titanium mesh cages and anterior cervical plates for interbody fusion after anterior cervical corpectomy. Surg. Neurol. 2006; 65: 464-471.
9. Lafage V, Gangnet N, Senegas J, Lavaste F, Skalli W. New inter-spinous implant evaluation using an in vitro biomechanical study combined with a finite-element analysis. Spine. 2007; 32(16): 1706-1713.
Сведения об авторах:
Завгородняя Е.В., нейрохирург, заведующая организационно-методическим отделом «РНХИ им. проф. А.Л. Поленова» - филиала ФГБУ «Северо-Западный федеральный медицинский исследовательский центр им. В.А. Алмазова» Минздрава России, г. Санкт-Петербург, Россия.
Давыдов Е.А., д.м.н., профессор, главный научный сотрудник «РНХИ им. проф. А.Л. Поленова» - филиала ФГБУ «Северо-Западный федеральный медицинский исследовательский центр им. В.А. Алма-зова» Минздрава России, г. Санкт-Петербург, Россия.
Афонина М.Б., к.т.н., доцент кафедры «Материаловедение и технология обработки материалов», ФГБУ ВО МАИ, г. Москва, Россия.
Коллеров М.Ю., д.т.н., профессор кафедры «Материаловедение и технология обработки материалов» ФГБУ ВО МАИ, г. Москва, Россия.
Information about authors:
Zavgorodnyaya E.V., neurosurgeon, head of organizational and methodical department, Polenov Russian Neurosurgery Institute, department of Almazov North-Western Federal Medical Research Center, Saint Petersburg, Russia.
Davydov E.A., MD, PhD, professor, chief researcher, Polenov Russian Neurosurgery Institute, department of Almazov North-Western Federal Medical Research Center, Saint Petersburg, Russia.
Afonina M.B., candidate of technical science, docent of chair of material engineering and technology of material processing, Moscow Aviation Institute, Moscow, Russia.
Kollerov M.Yu., doctor of technical science, professor, chair of material engineering and technology of material processing, Moscow Aviation Institute, Moscow, Russia.
Адрес для переписки:
Завгородняя Е.В., ул.Маяковского, д.12, Санкт-Петербург, Россия, 191014 Тел: +7 (911) 739-06-27 E-mail: 5790558@mail.ru
Address for correspondence:
Zavgorodnyaya E.V., Mayakovskogo St., 12, Saint Petersburg, Russia, 191014 Tel: +7 (911) 739-06-27 E-mail: 5790558@mail.ru
■
