CC BY
30
■ Орипнальы досл1дження
Original Researches
БАРЫШ А.Е., БУЗНИЦКИЙ Р.И., ЯРЕСЬКО А.В.
ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко НАМН Украины», г. Харьков
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕДНЕГО МЕЖТЕЛОВОГО ЦЕРВИКОСПОНДИЛОДЕЗА ИМПЛАНТАТАМИ И ПЛАСТИНАМИ
Резюме. Проведено исследование напряженно-деформированного состояния конечно-элементной модели шейных позвоночных сегментов CIII/CVII при моделировании различных вариантов переднего межте-лового спондилодеза CIV/CVI вертикальными цилиндрическими сетчатыми имплантатами и вентральной стабилизации позвонков CIV и CVI пластиной. По сравнению с исследованием без моделирования фиксации пластиной в области контакта тела CIV с терминальным отделом межтеловой опоры определяется несущественное повышение и более равномерное распределение величин напряжений Мизеса. Для аналогичной исследуемой области на уровне CVI имеет место снижение величин и менее равномерное распределение напряжения. Напряженно-деформированное состояние пластины прямо пропорционально напряжениям Мизеса в области контакта тел позвонков с вертикальными цилиндрическими сетчатыми имплантатами. Уровень напряжения костной ткани вокруг винтов в 2 раза выше для CVI позвонка, чем для CIV позвонка, во всех вариантах моделей.
Ключевые слова: математическое моделирование, метод конечных элементов, передний межтеловой цервикоспондилодез, вертикальные цилиндрические сетчатые имплантаты, вентральная стабилизация пластинами.
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) СШ/СУП 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 СШ/ СУП [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 имплан-тата применяется пористая алюмооксидная керамика (табл. 1) [9, 10].
62
Травма
Том 13, №4 • 2012
Орипнальы досл1дження / Original Researches
3. Барыш А.Е. Современные принципы стабилизирующих операций при хирургическом лечении заболеваний и повреждений шейного отдела позвоночника: Дис... д-ра мед. наук: 14.01.21 /А.Е. Барыш. - Х., 2010. - 362 с.
4. Барыш А.Е. Математическое моделирование позвоночных двигательных сегментов CIII/CVII методом конечных элементов/А.Е. Барыш, Р.И. Бузницкий, А.В. Яресько// Травма. - 2012. - Т. 13, № 3. - С. 36-39.
5. Корж Н.А Математическое моделирование переднего меж-телового цервикоспондилодеза вертикальными цилиндрическими сетчатыми имплантатами/Н.А. Корж, А.Е. Барыш, Р.И. Бузницкий, А.В. Яресько // Ортопедия, травматология и протезирование. — 2012. — № 4. — C. 5-13.
6. Пат. 57663 А Украгна, МПК7 А 61 В 17/58. Пристрт для остеосинтезу, переважно спондилодезу /Корж М.О., Ба-риш O.G.,Лук:'янченкоВ.В.;заявниктапатентовласникко-лективне пдприемство «Дослдне виробництво та конструк-торське бюро м. проф. М.1. Ситенка». — № 2002107851; заявл. 03.10.2002;опубл.. 16.06.2003, Бюл. №6.
7. Пат. 58900 А Украгна, МПК7 А 61 F 2/44. Ендопротез сегмента хребта/Корж М.О., Бариш O.G., Лук'янченко В.В., Макгоуан Д.Н.; № 2002119196; заявл. 19.11.2002; опубл. 15.08.2003, Бюл. № 8.
8. Пат.. 62437 иУкрагна МПК7А61В17/56. Спойбпереднього мiжтiлового спондилодезу /Бариш O.G., Бузницький P.I.; патентовласник ДУ «1нститут патологи хребта та сугло-бiвiм. проф. М.1. СитенкаАМНУкрагни». — №u201102048; заявл. 21.02.2011; опубл. 25.08.2011, Бюл,. № 16.
9. Пат. 62721 UУкрагна МПК7 А61В17/56. Спойбпереднього мiжтiлового спондилодезу /Бариш O.G., Бузницький P.I.; патентовласник ДУ «1нститут патологи хребта та сугло-бiв iм. проф. М.1. Ситенка АМНУкрагни». — № u201102026; заявл. 21.02.2011; опубл. 12.09.2011, Бюл,. № 17.
10. Пат. 72770 U Украгна МПК7 А61В 17/56. Спос1б переднього мiжтiлового церв^спондилодезу вертикальним цилтдрич-ним стчастим мплантатюм/Бариш O.G., Бузницький PI.;
Бариш О.£., Бузницький Р.1., Яресько А.В.
ДУ «Нститут патологи хребта й суглобв
iM. проф. М.1. Ситенка НАМН Украни», м. Харкв
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПЕРЕДНЬОГО МiЖТiЛОВОГО ЦЕРВкОСПОНДИЛОДЕЗУ iМПЛАНТАТАМИ ТА ПЛАСТИНАМИ
Резюме. Проведено дослвдження напружено-деформованого стану юнцево-елементно! моделi шийних хребтових семенив CIII/ CVII при моделювант рiзних варiантiв переднього мiжIiлового спондилодезу CIV/CVI вертикальними цилшдричними спчастими iмплангатами i стабшзацп хребщв CIV i CVI вентральною пластиною. Поршняно з дослщженням без моделювання фжсацп пластиною в диянщ контакту тиа CIV з термшальним вщдиом мiжгiло-во'1 опори визначаеться несуттеве пщвищення i бшьш ршнотрний розподи величин напруги Мiзеса. Для аналогично! дослщжувано! длянки на ршт CVI мае мсце зниження величин i менш ршнотрний розподл напруги. Напружено-деформований стан пластини прямо пропорцшний напругам Мiзеса в диянщ контакту тш хребщв iз вертикальними цилшдричними спчастими iмплангатами. Ршень напруги юстково'1 тканини навколо гвинпв у 2 рази вищий для CVI хребця, нж для CIV хребця, в уск варiангах моделей.
Ключовi слова: математичне моделювання, метод к1нцевих еле-ментш, передн1й мiжтiловий церв1коспондилодез, вертикальнi ци-лiндричнi сiтчастi iмплантати, вентральна стабшзащя пластинами.
патентовласник ДУ «1нститут патологи хребта та су-гжбю м. проф. М.1. Ситенка НАМН Украгни». — № u2012 02362;заявл. 28.02.2012;опубл.. 27.08.2012, Бюл,. № 16.
11. Шимон В.М. Хгрурггчне лгкування переломо-звихгв в шийному вгддглг хребта з застосуванням кейджа та ггдроксилапатитног керамки / В.М. Шимон, М.М. Ва-силинець, АА Мезгв [та т.] // Травма. — 2009. — Т. 10, № 3. — С. 339-342.
12. Galbusera F. Anterior cervical fUsion: a biomechanical comparison of4 techniques. Laboratory investigation/F. Galbusera, C.M. Bellini, F. Costa [et al.]//J. Neurosurg. Spine. — 2008. — Vol. 9, № 5. — P. 444-449.
13. Harms J. Instrumented spinal surgery; principles and techni-gue / J. Harms, G. Tabasso. — Stuttgart — New York: Thieme, 1999. —198p.
14. Hee H.T. Complications of multilevel cervical corpectomies and reconstruction with titanium cages and anterior plating / H.T. Hee, M.E. Majd, R.T. Holt [et al.] // J. Spinal Disord. Tech. — 2003. — Vol. 16, № 1. — P. 1-8.
15. NingX. Anterior locking plate-related complications;prevention and treatment recommendations / X Ning, Y. Wen, Y. Xiao-Jian [et al.]//International Orthopaedics. — 2008. — Vol. 32, № 5. — P. 649-655.
16. Reidy D. Cervical spine loading characteristics in a cadaveric C5 corpectomy model using a static and dynamic plate / D. Reidy, J. Finkelstein, A Nagpurkar [et al.] // J. Spinal Disord. Tech. — 2004. — Vol. 17, № 2. — P. 117-122.
17. Shams S. Anterior cervical reconstruction using titanium mesh cages / S. Shams, M.J. Rashid// J. Ayub. Med. Coll. Abbot-tabad. — 2007. — Vol. 19, №1. — P. 23-25.
18. Thalgott J.S. Single stage anterior cervical reconstruction with titanium mesh cages, local bone graft, and anterior plating / J.S. Thalgott, C. Xiongsheng, J.M. Giuffre//Spine. — 2003. — Vol. 3, № 4. — P. 294-300.
Получено 12.10.12 □
Barysh A.Ye., BuznitskyR.I., Yaresko A.V. State Institution «Institute of Spine and Joint Pathology named after M.I. Sitenko of Academy of Medical Sciences of Ukraine», Kharkiv, Ukraine
MATHEMATICAL MODELING OF ANTERIOR CERVICAL
SPINE INTERBODY VERTEBRAL FUSION WITH IMPLANTS AND PLATES
Summary. The investigation of the stress-strain state of the finite element model of the cervical spine segments CIII/CVII in modeling different options of anterior interbody fusion CIV/CVI with vertical cylindrical mesh implants and ventral vertebral stabilization of CIV and CVI with plate. Compared with the study without simulation of plate fixation in area of CIV contact with terminal body of interbody support, insignificant increase and more uniform distribution of Mises stress values is determined. For the same study area at CVI, decline in values and less uniform distribution of tension is observed. Stress-strain state of the plate is directly proportional to Mises stresses in area of contact of vertebral bodies with vertical cylindrical mesh implants. The voltage level of bone around the screws is 2 times higher for CVI vertebra than for CIV vertebra in all variants of models.
Key words: mathematical modeling, finite element method, anterior cervical spine interbody vertebral fusion, vertical cylindrical mesh implants, ventral plate stabilization.
TOM 13, №4 • 2012
www.mif-ua.com
69
