Биомеханические процессы в позвонково-двигательном сегменте шейного отдела позвоночника при его движении
Автор: Жарнов А.М., Жарнова О.А.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 1 (63) т.18, 2014 года.
Бесплатный доступ
Анализируются механизмы питания межпозвонковых дисков шейного отдела позвоночника для двух сегментов: наиболее подвижного ( С 5 -С 6) и наименее подвижного ( С 2- С 3). На основе численных расчетов с использованием данных планиметрического исследования рентгенофункциональных изображений позвоночника определено, что в наиболее подвижных сегментах при сгибании позвоночника давление в межпозвонковых дисках существенно возрастает. Это дает возможность рассмотреть диффузионные процессы обмена веществ из ядра в околодисковое пространство, обусловленные градиентом давления. При разгибании позвоночника в наиболее подвижных сегментах диффузионный процесс идет в обратном направлении. При любом движении в сагиттальной плоскости для наименее подвижных сегментов изменение геометрии фиброзного кольца позволяет давлению в межпозвонковом диске не изменяться. Следовательно, основным механизмом питания диска для малоподвижных сегментов можно считать диффузионный процесс за счет перераспределения гравитационных нагрузок при изменении положения позвоночника. Для более подвижных сегментов может быть реализован комбинированный механизм питания диска: как за счет перераспределения гравитационных нагрузок, так и за счет движения позвоночника в сагиттальной плоскости. Определены средняя скорость диффузии метаболитов из диска в околодисковое пространство и время релаксации сегмента из напряженного состояния в равновесное, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными данными.
Фиброзное кольцо, пульпозное ядро, давление, модель механизма питания, коллаген
Короткий адрес: https://sciup.org/146216120
IDR: 146216120
Список литературы Биомеханические процессы в позвонково-двигательном сегменте шейного отдела позвоночника при его движении
- Дементьев Е.З., Жарнов А.М., Жарнова О.А., Медведева Л.А. Биомеханика и возможности математической оценки движений в шейном отделе позвоночника в норме и при некоторых дистрофических изменениях//Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине: Вторая международная научно-практическая конференция, 26-28 октября 2011 г. -СПб, 2011. -С. 333-341.
- Жарков П.Л. Остеохондроз и другие дистрофические изменения опорно-двигательной системы у взрослых и детей. -М.: Видар-М, 2009. -375 с.
- Жарнов А.М., Жарнова О.А. Биомеханические процессы в межпозвонковом диске шейного отдела позвоночника при его движении//Российский журнал биомеханики. -2013. -Т. 17, № 1 (59). -С. 32-40.
- Киченко А.А., Тверье В.М., Няшин Ю.И., Осипенко М.А., Лохов В.А. Постановка начально-краевой задачи о перестройке трабекулярной костной ткани//Российский журнал биомеханики. -2012. -Т. 16, № 4 (58). -С. 36-52.
- Киченко А.А., Тверье В.М., Няшин Ю.И., Заборских А.А. Экспериментальное определение тензора структуры трабекулярной костной ткани//Российский журнал биомеханики. -2011. -Т. 15, № 4 (54). -С. 78-93.
- Кузнецов В.Ф. Вертеброневрология. Клиника, диагностика, лечение заболеваний позвоночника. -Минск: Книжный дом, 2004. -640 с.
- Лазерная инженерия хрящей/под ред. В.Н. Баграташвили, Э.Н. Соболя, А.Б. Шехтера. -М.: Физматлит, 2006. -488 с.
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости -М.: Физматлит, 2003. -255 с.
- Мерои Е.А., Натали А.Н., Паван П.Г., Скарпа К. Численный анализ механического поведения межпозвонкового диска с учетом структуры коллагеновых волокон//Российский журнал биомеханики. -2005. -Т. 9, № 1 (33). -С. 36-51.
- Михайлов А.Н., Жарнов А.М., Жарнова В.В. Рентгеноспондилометрическая характеристика биомеханики в шейных позвоночно-двигательных сегментах при вертикальном положении пациента//Медицинская визуализация. -2010. -№ 1. -С. 98-103.
- Натали А.Н., Карниель Э.Л., Вентурато Ч., Паван П.Д. Исследование механического поведения трабекулярной костной ткани с учетом вязкоупругопластического отклика//Российский журнал биомеханики. -2009. -Т. 13, № 3 (45). -С. 20-31.
- Образцов И.Ф. Проблемы прочности в биомеханике -М.: Высшая школа, 1988. -311 с.
- Cтупаков Г.П., Оксогоев А.А. Реакция позвоночника на продольное нагружение//Современные проблемы биомеханики. -Рига: Зинатне, 1989. -Вып. 6. -С. 19-46.
- Чижик С.А., Трушко А.В., Вежхольский К. Структура и упругие свойства хряща на микро-и наноуровне//Российский журнал биомеханики. -2008. -Т. 12, № 2 (40). -С. 13-22.
- Best B.A., Guilak F., Setton L.A., Zhu W., Saed-Nejad F., Ratcliffe A., Weidenbaum M., Mow V.C. Compressive mechanical properties of the human anulus fibrosus and their relationship to biochemical composition//Spine. -1999. -№ 19. -P. 212-221.
- Biot M.A. General theory of three-dimensional consolidation//J. Appl. Mech. -1957. -Vol. 24, № 4. -P. 594-601.
- Biot M.A. The elastic coefficients of the theory of consolidation//J. Appl. Mech. -1941. -Vol. 12, № 2. -P. 155-164.
- Bush H.D., Horton W.G., Smare D.L., Naylor A. Fluid content of the nucleus pulposus as a factor in the disk syndrome//British Medical Journal. -1956. -№ 14. -P. 81-83.
- Chou A.I., Bansal A., Miller G.J., Nicoll S.B. The effect of serial monolayer passaging on the collagen expression profile of outer and inner anulus fibrosus cells//Spine. -2006. -№ 31. -P. 1875-1881.
- Cloward R.B., Buzaid L.L. Discography, indications and evalution of the normal and abnormal intervertebral disk//Amer. J. Roentgenal. -1952. -Vol. 68, № 4. -P. 552-564.
- Cloward R.B. The clinical significance of the sinu-vertebral nerve of the cervical spine in relation to the cervical disk syndrome//J. Neurol. Neurosurg. Psychiatr. -1960. -№ 23. -P. 321-326.
- Jacson A.R. Effect of compression and anisotropy on the diffusion of glucose in annulus fibrosus//Spine. -2008. -№ 33. -P. 1-7.
- Jacson A.R. Effect of mechanical loading on electrical conductivity in human intervertebral disc//J. Biomech. Eng. -2009. -№ 131. -P. 498-505.
- Jacson A.R., Huang C.-Y., Brown M.D. 3D finite element analysis of nutrient distributions and cell viability in the intervertebral disc: effects of deformation and degeneration//J. Biomech. Eng. -2011. -Vol. 133, № 9. -P. 567-579.
- Jacson A.R., Huang C.-Y., Yong G.W. Effect of endplate calcification and mechanical deformation on the distribution of glucose in intervertebral disc: a 3D finite element study//Comp. Methods in Biomech. and Biomed. Eng. -2011. -Vol. 14, № 2. -P. 195-204.
- Jacson A.R., Yuan T.-Y., Huang C.-Y., Brown M.D. Nutrient transport in human annulus fibrosus is affected by compressive strain and anisotropy//An. of Biom. Eng. -2012. -Vol. 40, № 12. -P. 2551-2558.
- Jacson A.R., Yuan T.-Y., Huang C.-Y., Yong G.W. A conductivity approach to measuring fixed charge density in intervertebral disc tissue//An. of Biom. Eng. -2009. -Vol. 37, № 12. -P. 2566-2573.
- Huang C.-Y. Effects of low glucose concentration on oxygen consumption rates of intervertebral disc cells//Spine. -2007. -Vol. 32, № 24. -P. 2063-2069.
- Huang C.-Y. Effects of tension-compression nonlinearity on solute transport in changed hydrated fibrous tissues under dynamic unconfined compression//J. Biomech. Eng. -2007. -№ 129. -P. 423-429.
- Huang C.-Y., Yong G.W. Effects of mechanical compression on metabolism and distribution of oxygen and lactate in intervertebral disc//J. Biomech. -2008. -Vol. 41, № 6. -P. 1184-1196.
- Hutton W.C., Toribatake Y., Elmer W.A., Ganey T.M., Tomita K., Whitesides T.E. The effect of hydrostatic pressure on intervertebral disc metabolism//Spine. -1999, -Vol. 24, № 15. -P. 1507-1515.
- Nachemson A., Evans I. Some mechanical properties of the third lumbar interlaminar ligament (ligamentum flavum)//J. Biomech. -1968. -Vol. 1, № 3. -Р. 211-220.
- Neidlinger-Wilke C., Lidert A., Wuertz K., Buser Z., Rinkler C. Mechanical stimulation alters pleiotrophin an aggrecan expression by human intervertebral disc cells and influences their capacity to stimulate endothelial migration//Spine. -2009. -Vol. 34, № 7. -P. 663-669.
- Neidlinger-Wilke C., Wurtz K., Urban J.P., Börm W., Arand M., Ignatius A., Wilke H.-J., Claes L.E. Regulation of gene expression in intervertebral disc cells by low and high hydrostatic pressure//Eur. Spine J. -2006. -№ 15, Suppl. 3. -P. 372-378.
- Travascio F. Anisotropic diffusive transport in annulus fibrosus: experimental determination of the diffusion tensor by FRAP technique//Ann. Biomed. Eng. -2007. -№ 35. -P. 1739-1748.
- Yao H. Convection and diffusion in charged hydrated soft tissues: a mixture theory approach//Biomech. Model of Bioeng. -2007. -№ 6. -P. 63-72.
- Yao H. Three-dimensional inhomogeneous triphasic finite-element analysis of physical signals and solute transport in human intervertebral disc under axial compression//J. Biomech. -2007. -№ 40. -P. 2071-2077.