МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ТЕЛОЗАМЕЩАЮЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ СУБАКСИАЛЬНОГО ЦЕРВИКОСПОНДИЛОДЕЗА С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ


https://doi.org/10.14531/ss2017.1.37-45

Полный текст:


Аннотация

Цель исследования. Анализ особенностей напряженно-деформированного состояния шейного отдела позвоночника при замещении тел позвонков искусственными имплантатами разных конструкций.

Материал и методы. Математическое моделирование произведено путем построения трех конечно-элементных моделей шейного отдела позвоночника. Модели имитировали шейный отдел позвоночника человека на участке от позвонка С3 до С7. Позвонок С5 был замещен тремя различными конструкциями: сетчатым кейджем, сетчатым кейджем в сочетании с вентральной пластиной и телескопическим телозамещающим имплантатом с фиксацией к телам. Напряженно-деформированное состояние моделей изучали при четырех вариантах нагружения: сжатие, изгиб при наклоне вперед, изгиб при наклоне назад и ротационное воздействие.

Результаты. Получены величины напряжения в следующих структурах: верх тел позвонков, низ тел позвонков, корень дуги, пластина дуги, суставные массы, зубцы конструкции, винты конструкции (при их наличии) при различных вариантах нагружения.

Заключение. Дополнительное крепление к телам позволяет снизить уровень максимальных напряжений в костной ткани позвонков, контактирующих с имплантатом. Телескопический кейдж демонстрирует наиболее низкий уровень напряжений в элементах модели при нагрузках на сжатие и при наклоне головы вперед. При наклоне головы назад и ротации показатели напряжений имеют незначительные отличия на разных участках. 


Об авторах

Алексей Сергеевич Нехлопочин
Луганская областная клиническая больница; Луганский государственный медицинский университет
Россия


Сергей Николаевич Нехлопочин
Луганская областная клиническая больница; Луганский государственный медицинский университет
Россия


Михаил Юрьевич Карпинский
Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко
Россия


Алексей Иванович Швец
Луганский государственный медицинский университет
Россия


Елена Дмитриевна Карпинская
Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко
Россия


Александр Васильевич Яресько
Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко
Россия


Список литературы

1. Алямовский А.А. SolidWorks/COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов. М., 2004.

2. Березовский В.А., Колотилов Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека: Справочник. Киев, 1990.

3. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М., 1975.

4. Нехлопочин А.С. Телозамещающие эндопротезы для переднего спондилодеза: Обзор литературы // Хирургия позвоночника. 2015. Т. 12. № 2. С. 20-24. DOI:10.14531/ss2015.2.20-24.

5. Нехлопочин А.С., Швец А.И., Нехлопочин С.Н. Телозамещающий телескопический эндопротез для субаксиального цервикоспондилодеза // Вопросы нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко. 2016. Т. 80. № 1. С. 19-26. DOI:10.17116/neiro201680119-26.

6. Радченко В.А., Шимон В.М., Ткачук Н.А., Шманько А.П. Конечно-элементные модели для определения жесткости и прочности имплантатов из гидроксилапатитной керамики // Ортопедия, травматология и протезирование. 2002. № 3. С. 60-64.

7. Філіпенко В.А., Мітелева З.М., Зиман З.З., Мезенцев В.О., Яресько О.В. Метод кінцевих елементів у клінічній біомеханіці та прогнозування результатів пластики кісткових порожнини за допомогою різновидів кальцій-фосфатних керамік // Ортопедия, травматология и протезирование. 2006. № 2. С. 34-41.

8. Bozkus H, Ames CP, Chamberlain RH, Nottmeier EW, Sonntag VK, Papadopoulos SM, Crawford NR. Biomechanical analysis of rigid stabilization techniques for three-column injury in the lower cervical spine. Spine. 2005;30:915-922. DOI: 10.1097/01.brs.0000158949.37281.d7.

9. Gilbertson LG, Goel VK, Kong WZ, Clausen JD. Finite element methods in spine biomechanics research. Crit Rev Biomed Eng. 1995;23:411-473. DOI: 10.1615/CritRevBiomedEng.v23.i5-6.20.

10. Goel VK, Gilbertson LG. Applications of the finite element method to thoracolumbar spinal research - past, present, and future. Spine. 1995;20:1719-1727.

11. Graham RS, Oberlander EK, Stewart JE, Griffiths DJ. Validation and use of a finite element model of C-2 for determination of stress and fracture patterns of anterior odontoid loads. J Neurosurg. 2000;93(1 Suppl):117-125.

12. Hart R, Gillard J, Prem S, Shea M, Kitchel S. Comparison of stiffness and failure load of two cervical spine fixation techniques in an in vitro human model. J Spinal Disord Tech. 2005;18 Suppl:S115-S118. DOI: 10.1097/01.bsd.0000132288.65702.6e.

13. Kandziora F, Pflugmacher R, Schefer J, Born C, Duda G, Haas NP, Mittlmeier T. Biomechanical comparison of cervical spine interbody fusion cages. Spine. 2001;26:1850-1857. DOI: 10.1097/00007632-200109010-00007.

14. Kim SB, Bak KH, Cheong JH, Kim JM, Kim CH, Oh SH. Biomechanical testing of anterior cervical spine implants: evaluation of changes in strength characteristics and metal fatigue resulting from minimal bending and cyclic loading. J Korean Neurosurg Soc. 2005;37:217-222.

15. Kumaresan S, Yoganandan N, Pintar FA. Finite element analysis of anterior cervical spine interbody fusion. Biomed Mater Eng. 1997;7:221-230.

16. Maiman DJ, Kumaresan S, Yoganandan N, Pintar FA. Biomechanical effect of anterior cervical spine fusion on adjacent segments. Biomed Mater Eng. 1999;9:27-38.

17. Natarajan RN, Chen BH, An HS, Andersson GB. Anterior cervical fusion: a finite element model study on motion segment stability including the effect of osteoporosis. Spine. 2000;25:955-961.

18. Ng HW, Teo EC. Nonlinear finite-element analysis of the lower cervical spine (C4-C6) under axial loading. J Spinal Disord. 2001;14:201-210. DOI: 10.1097/00002517-200106000-00003.

19. Panjabi MM. Cervical Spine Models for Biomechanical Research. Spine. 1998;23:2699-2700. DOI: 10.1097/00007632-199812150-00008.

20. Pitzen TR, Matthis D, Barbier DD, Steudel WI. Initial stability of cervical spine fixation: predictive value of a finite element model. Technical note. J Neurosurg. 2002;97(1 Suppl):128-134. DOI: 10.3171/spi.2002.97.1.0128.

21. Rapoff AJ, O’Brien TJ, Ghanayem AJ, Heisey DM, Zdeblick TA. Anterior cervical graft and plate load sharing. J Spinal Disord. 1999;12:45-49. DOI: 10.1097/00002517-199902000-00007.

22. Teo EC, Yang K, Fuss FK, Lee KK, Qiu TX, Ng HW. Effects of cervical cages on load distribution of cancellous core: a finite element analysis. J Spinal Disord Tech. 2004;17:226-231. DOI: 10.1097/00024720-200406000-00010.

23. Yoganandan N, Kumaresan SC, Voo L, Pintar FA, Larson SJ. Finite element modeling of the C4-C6 cervical spine unit. Med Eng Phys. 1996;18:569-574. DOI: 10.1016/1350-4533(96)00013-6.

24. Yoganandan N, Kumaresan S, Voo L, Pintar FA. Finite element applications in human cervical spine modeling. Spine. 1996;21:1824-1834.

25. Yoganandan N, Myklebust JB, Ray G, Sances A Jr. Mathematical and finite element analysis of spine injuries. Crit Rev Biomed Eng. 1987;15:29-93.


Дополнительные файлы

Для цитирования: Нехлопочин А.С., Нехлопочин С.Н., Карпинский М.Ю., Швец А.И., Карпинская Е.Д., Яресько А.В. МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ТЕЛОЗАМЕЩАЮЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ СУБАКСИАЛЬНОГО ЦЕРВИКОСПОНДИЛОДЕЗА С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. "Хирургия позвоночника". 2017;14(1):37-45. https://doi.org/10.14531/ss2017.1.37-45

For citation: Nekhlopochin A.S., Nekhlopochin S.N., Karpinsky M.Y., Shvets A.I., Karpinskaya E.D., Yaresko A.V. MATHEMATICAL ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF DESIGN CHARACTERISTICS OF STABILIZING VERTEBRAL BODY REPLACING SYSTEMS FOR SUBAXIAL CERVICAL FUSION USING THE FINITE ELEMENT METHOD. Hirurgiâ pozvonočnika. 2017;14(1):37-45. (In Russ.) https://doi.org/10.14531/ss2017.1.37-45

Просмотров: 65

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1810-8997 (Print)
ISSN 2313-1497 (Online)