Возможности персонализированного конечно-элементного сегментарного анализа шейного отдела позвоночника для прогнозирования течения дорсопатии

СтатьяМЕД СОВЕТ. 2022; № 14: 38–56. DOI:10.21518/2079-701X-2022-16-14-38-56

Яковлев Е.В.^[1,2,3,4]

Овсепьян А.Л.^[5]

Живолупов С.А.^[6]

Смирнов А.А.^[3]

Гневышев Е.Н.^[2,4,7]

^[1]Медицинский центр «Адмиралтейские верфи»

^[2]Институт прикладного психоанализа и психологии Университета при Межпарламентской Ассамблее ЕврАзЭС

^[5]Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова/Ленина/

^[6]Военно-медицинская академия им. С. М. Кирова (Санкт-Петербург)

^[3]Московский государственный областной университет

^[4]Институт прикладного психоанализа и психологии Университета при Межпарламентской Ассамблее ЕврАзЭС

^[7]3-й военный госпиталь войск национальной гвардии РФ

Введение.Введение. Применение методов математического моделирования в клинической практике позволяет идентифицировать патогенетические формы дорсопатий и тем самым обоснованно использовать концепцию таргетного лечения при ведении пациентов данной категории.Цель – оценить возможности конечно-элементного сегментарного анализа шейного отдела позвоночника для персонализированного лечения и прогнозирования течения дорсопатий.Материалы и методы.Материалы и методы. На основании сочетанных данных компьютерной и магнитно-резонансной томографии пациента (женщина 1951 года рождения) генерировалась модель сегмента C5 – C7, включающая позвонки C5, C6, C7, межпозвонковые диски, переднюю и заднюю продольные связки, две пары фасеточных суставов, спинной мозг, выйную связку. Средствами компьютерного моделирования и методом конечных элементов проводился анализ напряженно-деформированного состояния шейного отдела позвоночника пациента с дегенеративно-дистрофическими изменениями в сегментах C2 – C7. В программном обеспечении Abaqus/CAE 6.14 проводился конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния C5 – C7 в состоянии флексии, ротации и компрессии. Полученные при компрессии данные для нормы сравнивались с ранее проведенными экспериментами in silico и in vitro.Результаты.Результаты. Для каждого состояния получены эпюры напряжений и перемещений, кривые «нагрузка – перемещение», профили напряжений в межпозвонковых дисках. Осевая подвижность сегмента при компрессионной нагрузке ниже в два раза в сравнении с нормой при тех же граничных условиях и моделях материалов. Исследована степень вовлеченности спинного мозга в конфликты с окружающими его анатомическими структурами. При повороте модели вправо наблюдались конфликты корешков спинного мозга с костными структурами позвонков в фораминальных зонах, а также на уровне дисков С5 – С6 и С6 – С7 с левыми заднебоковыми поверхностями фиброзных колец. При повороте модели влево наблюдались конфликты спинного мозга во всех фораминальных зонах, а также на уровне диска С6 – С7 с левыми заднебоковыми поверхностями фиброзных колец. На основании данных о напряжениях в исследуемом сегменте прогнозировалось дальнейшее развитие дорсопатий и дегенеративных изменений в шейном отделе позвоночника.Выводы.Выводы. Использование конечно-элементного сегментарного анализа шейного отдела позвоночника создает объективные предпосылки для формирования комбинированного персонализированного лечения и прогнозирования течения дорсопатий.

персонализированное моделирование

боль в шее

дорсопатия

межпозвонковый диск

напряженно-деформированное состояние

конечно-элементный анализ

In vitro методы

Больные

Женщины

Комплемента компонент 2

Комплемента компонент 5

Комплемента компонент 6

Комплемента компонент 7

Методы

Нога

Прогнозирование

Продольные связки

Санкт-Петербург

Спина

Тело позвонка

Томография

Фиброзное кольцо

Элементы

Safiri S., Kolahi A.A., Hoy D., Buchbinder R., Mansournia M.A., Bettampadi D. et al. Global, regional, and national burden of neck pain in the general population, 1990–2017: systematic analysis of the Global Burden of Disease Study 2017. BMJ. 2020;368:m791. https://doi.org/10.1136/bmj.m791..
DOI: 10.1136/bmj.m791

Sun M.S., Cai X.Y., Liu Q., Du C.F., Mo Z.J. Application of Simulation Methods in Cervical Spine Dynamics. J Healthc Eng. 2020:7289648. https://doi.org/10.1155/2020/7289648..
DOI: 10.1155/2020/7289648

Guo R., Zhou C., Wang C., Tsai T.Y., Yu Y., Wang W. et al. In vivo primary and coupled segmental motions of the healthy female head-neck complex during dynamic head axial rotation. J Biomech. 2021;123:110513. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2021.110513..
DOI: 10.1016/j.jbiomech.2021.110513

Whyte T., Melnyk A.D., Van Toen C., Yamamoto S., Street J., Oxland T.R., Cripton P.A. A neck compression injury criterion incorporating lateral eccentricity. Sci Rep. 2020;10(1):7114. https://doi.org/10.1038/s41598-020-63974-w..
DOI: 10.1038/s41598-020-63974-w

Ivancic P.C. Facet joint and disc kinematics during simulated rear crashes with active injury prevention systems. Spine (Phila Pa 1976). 2011;36(18):E1215–1224. https://doi.org/10.1097/BRS.0b013e31820545b1..
DOI: 10.1097/BRS.0b013e31820545b1

Ghaderi F., Javanshir K., Jafarabadi M.A., Moghadam A.N., Arab A.M. Chronic neck pain and muscle activation characteristics of the shoulder complex. J Bodyw Mov Ther. 2019;23(4):913–917. https://doi.org/10.1016/j.jbmt.2019.02.019..
DOI: 10.1016/j.jbmt.2019.02.019

Fice J.B., Siegmund G.P., Blouin J.S. Neck muscle biomechanics and neural control. J Neurophysiol. 2018;120(1):361–371. https://doi.org/10.1152/jn.00512.2017..
DOI: 10.1152/jn.00512.2017

Corrales M.A., Cronin D.S. Importance of the cervical capsular joint cartilage geometry on head and facet joint kinematics assessed in a Finite element neck model. J Biomech. 2021;123:110528. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2021.110528..
DOI: 10.1016/j.jbiomech.2021.110528

Corrales M.A., Cronin D.S. Sex, Age and Stature Affects Neck Biomechanical Responses in Frontal and Rear Impacts Assessed Using Finite Element Head and Neck Models. Front Bioeng Biotechnol. 2021;9:681134. https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.681134..
DOI: 10.3389/fbioe.2021.681134

Ke W., Chen C., Wang B., Hua W., Lu S., Song Y. et al. Biomechanical Evaluation of Different Surgical Approaches for the Treatment of Adjacent Segment Diseases After Primary Anterior Cervical Discectomy and Fusion: A Finite Element Analysis. Front Bioeng Biotechnol. 2021;9:718996. https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.718996..
DOI: 10.3389/fbioe.2021.718996

Nishida N., Kanchiku T., Kato Y., Imajo Y., Yoshida Y., Kawano S., Taguchi T. Biomechanical analysis of cervical myelopathy due to ossification of the posterior longitudinal ligament: Effects of posterior decompression and kyphosis following decompression. Exp Ther Med. 2014;7(5):1095–1099. https://doi.org/10.3892/etm.2014.1557..
DOI: 10.3892/etm.2014.1557

Okazaki T., Kanchiku T., Nishida N., Ichihara K., Sakuramoto I., Ohgi J. et al. Age-related changes of the spinal cord: A biomechanical study. Exp Ther Med. 2018;15(3):2824–2829. https://doi.org/10.3892/etm.2018.5796..
DOI: 10.3892/etm.2018.5796

Fradet L., Wang X., Lenke L.G., Aubin C.E. Biomechanical analysis of proximal junctional failure following adult spinal instrumentation using a comprehensive hybrid modeling approach. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2016;39:122–128. https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2016.10.008..
DOI: 10.1016/j.clinbiomech.2016.10.008

Rong X., Wang B., Ding C., Deng Y., Chen H., Meng Y. et al. The biomechanical impact of facet tropism on the intervertebral disc and facet joints in the cervical spine. Spine J. 2017;17(12):1926–1931. https://doi.org/10.1016/j.spinee.2017.07.009..
DOI: 10.1016/j.spinee.2017.07.009

Fakhoury J., Dowling T.J. Cervical Degenerative Disc Disease. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2022. Available at: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK560772/.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK560772/

Jaumard N.V., Welch W.C., Winkelstein B.A. Spinal facet joint biomechanics and mechanotransduction in normal, injury and degenerative conditions. J Biomech Eng. 2011;133(7):071010. https://doi.org/10.1115/1.4004493..
DOI: 10.1115/1.4004493

Naoum S., Vasiliadis A.V., Koutserimpas C., Mylonakis N., Kotsapas M., Katakalos K. Finite Element Method for the Evaluation of the Human Spine: A Literature Overview. J Funct Biomater. 2021;12(3):43. https://doi.org/10.3390/jfb12030043..
DOI: 10.3390/jfb12030043

Ovsepyan A.L., Smirnov A.A., Pustozerov E.A., Mokhov D.E., Mokhova E.S., Trunin E.M. et al. Biomechanical analysis of the cervical spine segment as a method for studying the functional and dynamic anatomy of the human neck. Ann Anat. 2022;240:151856. https://doi.org/10.1016/j.aanat.2021.151856..
DOI: 10.1016/j.aanat.2021.151856

Доль А.В., Доль Е.С., Иванов Д.В. Биомеханическое моделирование вариантов хирургического реконструктивного лечения спондилолистеза позвоночника на уровне L4–L5. Российский журнал биомеханики. 2018;22(1):31–44. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36335567.https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36335567

Agarwal A., Agarwal A., Goel V. The endplate morphology changes with change in biomechanical environment following discectomy. Int J Clin Exp Med. 2013;4(7A):8–17. https://doi.org/10.4236/ijcm.2013.47A1002..
DOI: 10.4236/ijcm.2013.47A1002

Mengoni M. Biomechanical modelling of the facet joints: a review of methods and validation processes in finite element analysis. Biomech Model Mechanobiol. 2021;20(2):389–401. https://doi.org/10.1007/s10237-020-01403-7..
DOI: 10.1007/s10237-020-01403-7

Яковлев Е.В., Смирнов А.А., Живолупов С.А., Гневышев Е.Н., Мохова Е.С., Тероева Ю.А. и др. Анатомическая оценка изолированного влияния биомеханических факторов на процесс формирования смещений дискового материала за пределы пространства межпозвонковых дисков шейного отдела позвоночника в структуре дорсопатий. Оперативная хирургия и клиническая анатомия. 2022;6(2):32–44. https://doi.org/10.17116/operhirurg2022602132..
DOI: 10.17116/operhirurg2022602132

Yakovlev E.V., Ovsepyan A.L., Smirnov A.A., Safronova A.A., Starchik D.A., Zhivolupov S.A. et al. Reproducing morphological features of intervertebral disc using finite element modeling to predict the course of cervical spine dorsopathy. Russian Open Medical Journal. 2022;11:e0118. Available at: https://romj.org/2022-0118.https://romj.org/2022-0118

Shea M., Edwards W.T., White A.A., Hayes W.C. Variations of stiffness and strength along the human cervical spine. J Biomech. 1991;24(2):95–107. https://doi.org/10.1016/0021-9290(91)90354-p..
DOI: 10.1016/0021-9290(91)90354-p

Diotalevi L., Bailly N., Wagnac É., Mac-Thiong J.M., Goulet J., Petit Y. Dynamics of spinal cord compression with different patterns of thoracolumbar burst fractures: Numerical simulations using finite element modelling. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2020;72:186–194. https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2019.12.023..
DOI: 10.1016/j.clinbiomech.2019.12.023

Stoner K.E., Abode-Iyamah K.O., Fredericks D.C., Viljoen S., Howard M.A., Grosland N.M. A comprehensive finite element model of surgical treatment for cervical myelopathy. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2020;74:79–86. https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2020.02.009..
DOI: 10.1016/j.clinbiomech.2020.02.009

Yang S., Qu L., Yuan L., Niu J., Song D., Yang H., Zou J. Finite Element Analysis of Spinal Cord Stress in a Single Segment Cervical Spondylotic Myelopathy. Front Surg. 2022;9:849096. https://doi.org/10.3389/fsurg.2022.849096..
DOI: 10.3389/fsurg.2022.849096

Kitahama Y., Ohashi H., Namba H., Sakai K., Shizuka H., Miyake H. Finite element method for nerve root decompression in minimally invasive endoscopic spinal surgery. Asian J Endosc Surg. 2021;14(3):628–635. https://doi.org/10.1111/ases.12879..
DOI: 10.1111/ases.12879

Язык текста: Русский

ISSN: 2079-701X