CC BY
25
I
Орипнальы досл1дження
Original Researches
Травма
УДК 616.711-007.55-089.12-07
БУБЛИКЛ.А., ЛИХОЛЕТОВ А.Н.
НИИ травматологии и ортопедии Донецкого национального медицинского университета им. М. Горького, ККЛПУЗ «Областная травматологическая больница», г. Донецк
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ БИОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТРАНСПЕДИКУЛЯРНОГО СПОНДИЛОДЕЗА С ВЕРТЕБРОПЛАСТИКОЙ НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ ФРАГМЕНТА ПОЗВОНОЧНОГО СТОЛБА
Резюме. В статье приведены результаты анализа напряженно-деформированного состояния с помощью метода конечных элементов в неповрежденном позвоночно-двигательном сегменте при транспедикуляр-ной стабилизации в случае травматического повреждения одного тела позвонка, а также при сочетан-ном использовании транспедикулярного спондилодеза с вертебропластикой при различных вариантах нагрузки. Показана высокая эффективность совместного использования транспедикулярных конструкций и вертебропластики, применяемых для крепления фиксирующих винтов, которая проявляется в значительном снижении напряжения в здоровых позвонках, а также в снижении напряжения в имплантируемой металлоконструкции. Данная биометрическая система позволила разработать способ хирургического лечения, что показано на успешном клиническом примере.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, метод конечных элементов, транспедику-лярный спондилодез, вертебропластика.
Хирургическое лечение многооскольчатых переломов грудопоясничного отдела позвоночника является одной из актуальных проблем вертебрологии. Компьютерное моделирование и математический анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) модели позвоночника позволяют оптимальным образом подобрать фиксирующие конструкции, не прибегая к хирургическому вмешательству [1—5]. В настоящее время широкое распространение получил метод конечных элементов (МКЭ), который в полной мере позволяет построить биометрическую модель, наиболее близко приближенную к реальной анатомии костных структур, а также учесть их различные механические свойства и задать сложную пространственную систему нагрузок. Данная биомеханическая модель широко используется в выборе оптимальной фиксирующей конструкции, вариантов их крепления к позвоночному столбу, расчетах прочностных характеристик, кинематическом анализе [1—3, 6, 12]. Вычислению НДС как отдельных позвонков, так и блока позвонков с помощью МКЭ посвящено довольно много научных исследований, в которых показано поведение позвоночника как в норме, так и с различными отклонениями [1—5]. Существуют публикации исследования НДС позвоночника с различными фиксирующими устройства-
ми, и практически нет работ, посвященных сравнительному анализу влияния различных фиксирующих устройств на НДС позвоночника, в том числе при использовании вертебропластических материалов [1-3, 7].
Цель исследования: на основе анализа НДС во фрагменте позвоночного столба, при различных вариантах нагрузки разработать способ сочетанного использования транспедикулярного спондилодеза и вертебропластики для хирургического лечения ком-прессионно-оскольчатых переломов грудопояснич-ного отдела позвоночника.
Материал и методы
Нами разработана биометрическая модель по средним значениям результатов компьютерных томограмм Ь1-Ь3 позвонков у 27 пациентов мужского пола в возрасте 30-40 лет [3]. Между соседними позвонками располагались упругие элементы с поперечным сечением, эквидистантным контуру поперечного сечения тела позвонка, которые моделировали межпозвоночные диски. Между суставными
© Бублик Л.А., Лихолетов А.Н., 2014 © «Травма», 2014 © Заславский А.Ю., 2014
Рисунок 5. СКТ-изображения больного С. до операции: а — в боковой проекции, б — в прямой проекции, в — сагиттальный КТ-срез L2 позвонка
Рисунок 6. Фотоснимок во время оперативного вмешательства. Произведена реформация позвоночного канала. Этап операции — дистракция
Рисунок 7. Введение рабочей канюли системы баллонной кифопластики через правый корень дужки L2 позвонка
Рисунок 8. Фотоснимок во время оперативного вмешательства. Произведено введение рентгенконтрастного остеоиндуктивного костного цемента в тело L2 позвонка
Рисунок 9. Рентгенограммы после проведенного оперативного вмешательства. Имплантированная система стабильна, восстановлена опороспособность позвоночного столба
Через рабочую канюлю введен баллон, который раздут рентгенконтрастным раствором под давлением, в результате чего восстановлена геометрия поврежденного тела позвонка. Затем баллон сдут и извлечен. Образовавшаяся полость заполнена остео-индуктивным костным цементом (рис. 8). После застывания цемента система извлечена.
При контрольном обследовании система фиксации стабильна, восстановлена опороспособность позвоночного столба, значительно уменьшена компрессия позвоночного канала (рис. 9). На следующие сутки после операции отмечен регресс радикулярно-го болевого синдрома. Осложнений в послеоперационном периоде не было. Больной активизирован через сутки после удаления дренажа без фиксирующего внешнего ортеза. Выписан после заживления раны и снятия швов в удовлетворительном состоянии под наблюдение травматолога по месту жительства.
Выводы
1. Совместное использование транспедикулярного спондилодеза и вертебропластики является наиболее оптимальным в снижении напряженно-деформированного состояния как в месте повреждения и смежных сегментах, используемых для крепления фиксирующих винтов, так и в самой металлоконструкции.
2. При использовании только транспедикулярной фиксации смежных с поврежденным позвонков возрастает напряженно-деформированное состояние в месте перехода винта в головку, которое может являться местом поломки винта.
3. При проведении транспедикулярной стабилизации позвоночника с вертебропластикой операция выполняется из одного доступа, не требует комбинированного подхода и может быть использована при различных типах повреждений.
Список литературы
1. Исследование напряженно-деформированного состояния системы «имплантат — поясничный отдел позвоночника — таз» при различных вариантах фиксации / А.А. Мезенцев, Д.Е. Петренко, А.А. Барков, А.В. Яресько // Ортопедия, травматология и протезирование. — 2011. — № 2. — С. 37-41.
2. Исследование напряженно-деформированного состояния системы «позвоночник — фиксирующее устройство» при различных вариантах фиксации / А.А. Мезенцев, Д.Е. Петренко, З.М. Мителева, А.В. Яресько// Медицина и... — 2006. — № 3(14). — С. 14-18.
3. Исследование напряженно-деформированного состояния конечно-элементной модели фрагмента позвоночного столба при сочетанном использовании транспедикулярных имплантов и вертебропластики / Бублик Л.А., Лихолетов А.Н., Бейгельзимер Я.Е., Кулагин Р.Ю. // Нейрохирургия и неврология Казахстана. — 2013. — № 3(32). — С. 3-7.
4. Моделирование поведения биомеханических систем «позвонок — эндопротез» на основе метода конечных элементов / В.А. Радченко, А.П. Шманько, Н.А. Тка-
чук, Ю.В. Вертельник // Ортопед., травматол. — 2005. — № 1. — С. 24-31.
5. Капанджи А.И. Позвоночник. Физиология суставов / А.И. Капанджи. — Москва: Эксмо, 2009. — 344 с.
6. Экспериментально-анатомическое исследование функциональной транспедикулярной стабилизации позвоночника / С.К. Левченко, О.Н. Древаль, А.А. Ильин [и др.] // Вопросы нейрохирургии имени Н.Н. Бурденко. — 2011. — № 1. — С. 20-26.
7. Патент № 76740 УкраЫ, МПКA61B 17/60 (2006.01). Спосб хiрургiчного лкування компресшно-осколкових переломiв ты хребцв грудопоперекового вддыу у ранньо-му перiодi/Бублк Л.О., Тохфельд И.Г., Лихолетов О.М., Павлов Б.Б.; заявник та патентовласник Донецький нацюнальний медичний ушверситет м. М. Горького. — №u201208751; Заявл. 16.07.12; Опубл. 10.01.13, Бюл№ 1.
8. Aprobabilisticfiniteelementanalysisofthestressesintheaug-mentedvertebralbodyaftervertebroplasty / A. Rohlmann, H. Boustani, G. Bergmann, T. Zander // European spine journal: official publication of the European Spine Society, the European Spinal Deformity Society, and the European Section of the Cervical Spine Research Society. — Vol. 19, № 9. — 2010. — P. 1585-1595.
9. Applying a follower load delivers realistic results for simulating standing /A. Rohlmann, T. Zander, M. Rao, G. Bergmann // Journal of biomechanics. — 2009. — Vol. 42, № 10. — P. 1520-1526.
10. Biomechanical comparison of a new stand-alone anterior lumbar interbody fusion cage with established fixation techniques — a three-dimensional finite element analysis / S.H. Chen, C.L. Tai, C.Y. Lin [et al.] // BMC musculoskeletal disorders [electronic resource]. — 2008. — Vol. 9. — P. 88.
11. Biomechanical effect of the extent of vertebral body fracture on the thoracolumbar spine with pedicle screw fixation: an in vitro study/X.Y. Wang, L.Y. Dai, H.Z. Xu, Y.L. Chi// Journal of clinical neuroscience: official journal of the Neurosurgical Society of Australasia. — 2008. — Vol. 15, № 3. — P. 286-290.
12. Combination of finite element modeling and optimization for the study of lumbar spine biomechanics considering the 3D thorax-pelvis orientation / F. Ezquerro, A. Simón, M. Prado, A. Pérez // Medical engineering & physics. — 2004. — Vol. 26, № 1. — P. 11-22.
13. Comparison of the effects of bilateral posterior dynamic and rigid fixation devices on the loads in the lumbar spine: a finite element analysis/ A. Rohlmann, N. K. Burra, T. Zander, G. Bergmann//European spine journal: official publication of the European Spine Society, the European Spinal Deformity Society, and the European Section of the Cervical Spine Research Society. — 2007. — Vol. 16, № 8. — P. 1223-1231.
14. Finite element analysis of conceptual lumbar spine for different lifting position // H. Arif, M.S.E. Kosnan, K Jusoff[et al.] // World applied sciences journal. — 2013. — Vol. 21 (Special Issue ofEngineering and Technology). — Р. 68-75.
15. Realistic loading conditions for upper body bending / A. Rohlmann, T. Zander, M. Rao, G. Bergmann // Journal of biomechanics. — 2009. — Vol. 42, № 7. — P. 884-890.
Отримано 09.01.14 □
БубликЛ.О., Л\холетов О.Н.
Н11 травматологи та ортопед!! Донецького нацюнального медичного унверситету iм. М. Горького ККЛПУОЗ «Обласна травматолопчна лкарня», м. Донецьк
експериментальне бЮмехаычне обгрунтування транспедикулярного спондилодезу з вертебропластикою на пiдставi вивчення шцево-елементно1 моделi фрагмента хребетного стовпа
Резюме. У статга наведено результата анатзу напружено-де-формованого стану за допомогою методу юнцевих елемент1в у непошкодженому хребетно-руховому сегментi при транс-педикулярнiй стабшзацп в разi травматичного ушкодження одного тша хребця, а також при поеднаному використаннi транспедикулярного спондилодезу з вертебропластикою при рiзних варiантах навантаження. Показано високу ефектившсть поеднаного використання транспедикулярних конструкцiй i вертебропластики, що застосовуються для кршлення фжсую-чих гвинтiв, яка виявляеться в значному зниженнi напружень у здорових хребцях, а також у зниженш напружень в 1мп^ан-тованш металоконструкцп. Ця бiометрична система дозволила розробити споаб хiрургiчного лжування, що показано на успiшному клшчному прикладi.
Ключовi слова: напружено-деформований стан, метод кш-цевих елементiв, транспедикулярний спондилодез, вертебро-пластика.
BublikL.A., LikholetovA.N.
Research Institute of Traumatology and Orthopedics of Donetsk National Medical University named after M. Gorky Municipal Clinical Medical Healthcare Facility «Regional Trauma Hospital», Donetsk, Ukraine
experimental biomechanical rationale for transpedicular spondylosyndesis
with vertebroplasty based on a study of finite element model of vertebral column fragment
Summary. The article deals with the results of analysis of the stress-strain state using the finite element method in intact spinal motion segment in transpedicular stabilization in the case of traumatic injury of one vertebral body, as well as the combined use of transpedicular spondylosyndesis with vertebroplasty at various loading conditions. There is shown high efficiency of sharing transpedicular constructions and vertebroplasty used for fixing the screws, which manifests itself in a significant reduction of stress in healthy vertebrae, as well as in reducing stresses in the implanted hardware. This biometric system enabled to develop a method of surgical treatment that is shown on successful clinical example.
Key words: stress-strain state, finite element method, transpe-dicular spondylosyndesis, vertebroplasty.
