Ученые из Саратовского государственного университета и Национального медицинского исследовательского центра детской травматологии и ортопедии имени Г.И. Турнера совершили важный шаг в повышении безопасности сложных операций на позвоночнике у детей младшего возраста. Впервые в мире были изучены механические свойства губчатой кости позвонков у детей 2–5 лет, и на основе этих данных создана методика, позволяющая рассчитать максимально допустимую нагрузку во время хирургического исправления врожденных деформаций позвоночника.
В ходе исследования анализировались фрагменты костной ткани, полученные во время операций у маленьких пациентов. Из этих образцов, взятых из так называемых полупозвонков — основной причины врожденного сколиоза, — ученые подготовили 19 миниатюрных «кирпичиков» и проверили их на прочность с помощью специального мобильного испытательного стенда. Это позволило измерить ключевой параметр — эффективный модуль упругости, то есть понять, насколько кость упруга и как сопротивляется сжатию.
Оказалось, что в среднем прочность детской губчатой кости значительно ниже, чем у взрослых — около 26,9 МПа, что примерно в три раза меньше. Но самое интересное открытие ждало ученых, когда они сопоставили механические свойства с данными компьютерной томографии (КТ), а именно с единицами Хаунсфилда, которые показывают плотность кости на снимках. Анализ выявил, что образцы естественным образом делятся на две группы, вероятно, из-за разной пространственной ориентации в теле позвонка. Для каждой группы были выведены точные формулы, позволяющие по стандартной КТ пациента рассчитать прочность его костной ткани.
Эта фундаментальная работа сразу же нашла практическое применение. Ученые провели виртуальную операцию для конкретного трехлетнего ребенка с полупозвонком. На основе его собственных КТ-снимков они создали цифровую 3D-модель сегмента его позвоночника с установленными титановыми винтами и стержнями. С помощью компьютерного моделирования они смоделировали процесс коррекции деформации — то самое усилие, которое хирург прикладывает во время операции, чтобы «стянуть» позвоночник в правильное положение.
Результаты моделирования показали критически важные для хирургов цифры. Оказалось, что при нагрузке более 7 кг возникает риск повреждения костной ткани в верхних позвонках маленького пациента. Для нижних позвонков критическим порогом является нагрузка более 16 кг. Превышение этих усилий может привести к «проминанию» губчатой кости винтами или повреждению дужек позвонков, что грозит осложнениями и нестабильностью конструкции.
Таким образом, российские исследователи не только впервые установили точные механические характеристики костей дошкольников, но и создали работающий инструмент для персонализированного планирования операций. Теперь хируги перед вмешательством могут не только оценить анатомию пациента, но и точно рассчитать, какое усилие является для его костей безопасным. Этот пациенто-ориентированный подход открывает новые возможности для снижения рисков и повышения успешности лечения самых маленьких пациентов с тяжелыми ортопедическими патологиями.
Исследование опубликовано в «Российском журнале биомеханики»
Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.
