Учёные из Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского впервые биомеханически обосновали пороговое значение плотности костной ткани, которое может помочь оценить риск осложнений при операциях на позвоночнике. В перспективе результаты исследования позволят хирургам заранее оценивать вероятность нестабильности металлоконструкций и при необходимости выбирать другие методы лечения или заранее укреплять костную ткань пациентов.
Исследование учёных посвящено дегенеративным заболеваниям поясничного отдела позвоночника, для лечения которых применяется операция спондилодеза (сращения позвонков) с установкой металлоконструкций.
Команда учёных провела биомеханическое исследование с использованием метода конечных элементов и компьютерной томографии. Сначала исследователи создали трёхмерную модель здорового поясничного сегмента позвоночника L4–L5, а затем смоделировали операцию спондилодеза с установкой транспедикулярных винтов и межтелового кейджа (имплантата). Главная задача состояла в том, чтобы определить значение, при котором напряжения в губчатой (трабекулярной) кости начинают превышать её предел прочности.
В результате экспериментов исследователи определили биомеханически обоснованное пороговое значение HU, при котором существенно возрастает риск механической несостоятельности фиксации после операции. Плотность костной ткани исследователи оценивали в единицах Хаунсфилда (HU) – показателях, которые определяются по данным компьютерной томографии и отражают плотность кости. Они выяснили: при плотности кости ниже 125 единиц Хаунсфилда (HU) напряжения в губчатой кости начинают превышать её предел прочности сразу при нескольких типах нагрузки.
Во время работы учёные варьировали плотность кости от 90 до 256 HU и для каждого значения рассчитывали возникающие в кости напряжения, которые сравнивали с пределом прочности костной ткани. Это необходимо, чтобы понять, при какой плотности кость начинает разрушаться.
Как рассказывают исследователи, самые высокие нагрузки возникли в местах контакта кости с винтами при разгибании и вращении и в местах контакта кости с имплантатом при сжатии и разгибании. Наружный (кортикальный) слой кости остался неповреждённым даже при очень низкой плотности (HU = 90). Полученные результаты показывают, что первым звеном разрушения становится именно внутренняя (трабекулярная) кость, что впоследствии может привести к расшатыванию имплантатов.
Полученный порог (HU = 125) является результатом биомеханического моделирования конкретного сегмента позвоночника и не рассматривается авторами как универсальный клинический критерий. Авторы исследования подчёркивают необходимость дальнейшей проверки полученных данных на разных группах пациентов и с использованием более сложных методов моделирования, чтобы подтвердить применимость этого значения в клинической практике.
При ударе нагрузки могут существенно превышать те, которые рассматривались в наших статических сценариях. Кроме того, механический отклик системы “позвоночник – имплантаты” зависит от скорости нарастания нагрузки, инерционных эффектов и скоростной зависимости свойств тканей, которые в использованной модели не учитывались, – уточняет участник проекта – начальник Управления цифровых и информационных технологий, доцент кафедры математической теории упругости и биомеханики СГУ Л.В. Бессонов. – Логичным продолжением работы мы считаем два направления: динамическое моделирование кратковременных интенсивных воздействий и циклическое моделирование повторных повседневных нагрузок. В перспективе это позволит перейти от одного порогового значения HU к более персонализированной оценке механического запаса для разных сценариев нагрузки. Для клинического применения такие модели, конечно, должны быть отдельно проверены на экспериментальных и клинических данных.
В перспективе результаты исследования помогут хирургам лучше планировать операции на позвоночнике. Значение HU, определяемое по данным компьютерной томографии, может стать дополнительным инструментом для оценки риска послеоперационных осложнений – расшатывания винтов и проседания кейджа. Это позволит заранее выбирать более щадящие методики или назначать дополнительное лечение для укрепления костей, что снизит количество повторных операций и улучшит качество жизни пациентов.
Исследование проводилось междисциплинарной командой Саратовского университета и Национального научно-исследовательского медицинского центра травматологии и ортопедии имени Н.Н. Приорова при финансовой поддержке научного Фонда Бортника (ФАСИ).
Результаты работы опубликованы в European Journal of Orthopaedic Surgery and Traumatology.
Текст: Альфия Тимошенко
Фото: Дмитрий Ковшов
Источник: Минобрнауки России
