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

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 С 3 до С7. Позвонок С 5 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.

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.