Биомеханика короткосегментарной мультистержневой задней внутренней инструментальной фиксации «взрывных» переломов поясничных позвонков: результаты сравнительного трехмерного компьютерного моделирования

В структуре существующих способов хирургического лечения пострадавших с «взрывными» (групп А3 и А4 по классификации АО) переломами грудного и поясничного отделов позвоночника как в России, так и в зарубежных странах лидирующие позиции уже достаточно давно заняли технологии транспедикулярной фиксации (ТПФ) [1; 2]. При этом наиболее спорным моментом для данного спондилосинтеза продолжает оставаться выбор между коротким и протяженным вариантами его клинической реализации. Короткосегментарная ТПФ (не распространяющаяся далее смежных с поврежденным позвонков) бесспорно привлекательна в плане уменьшения инвазивности хирургического вмешательства со всеми вытекающими из этого факта и широко известными положительными физиологическими моментами, а также с точки зрения сохранения большей подвижности позвоночного столба. С другой стороны, существенным контраргументом здесь может стать высокая вероятность потери коррекции его посттравматической деформации в послеоперационном периоде. В качестве первостепенного способа разрешения этого противоречия было предложено вводить транспедикулярные винты в тело сломанного позвонка [3]. Однако имеющиеся сведения о биомеханической и клинической эффективности существующих способов короткосегментарной ТПФ противоречивы, что обусловливает необходимость дальнейшего опытноконструкторского поиска и исследований в этой области.

Цель исследования

На основании результатов трехмерного компьютерного моделирования методом конечных элементов дать сравнительную биомеханическую оценку эффективности разработанного авторами способа короткосегментарной мультистержневой задней внутренней инструментальной фиксации «взрывных» переломов поясничных позвонков, предполагающего совместное использование транспедикулярных и ламинарных систем.

Материал и методы

Авторами разработан новый способ короткосегментарной мультистержневой задней инструментальной фиксации (КСМСФ) позвоночника при переломах тел поясничных позвонков (Патент РФ на изобретение

№2749823 от 17.06.2021) [4]. Его принципиальными отличительными особенностями от традиционно используемых на сегодняшний день технологий транспедикулярной, ламинарной и гибридной задней фиксации является совместное использование двух коротких транспедикулярных и двух коротких ламинарных имплантатов, располагаемых по обеим сторонам от остистых отростков в пределах двух смежных с поврежденным позвонков.

Для изучения и сравнительной оценки деформаций и напряжений, возникающих в элементах металлоконструкций, а также в поясничном отделе позвоночника методом конечных элементов была создана его трехмерная биомеханическая модель, основанная на результатах компьютерной томографии пострадавшего 27 лет с полным оскольчатым («взрывным») (группы А4 по классификации АО) переломом тела L2 позвонка. Модель включала в себя пять позвонков (от Th12 до L4) с соединяющими их хрящевыми и связочными структурами. При моделировании поврежденного позвонка снижение высоты его тела по переднему краю составило 25% от нормы; механические свойства его задней трети, а также ножек дуг остались неизменными — это условие было предусмотрено для создания возможности последующего моделирования фиксации этого позвонка двумя транспедикулярными винтами. Удалены дужки данного позвонка, частично резецированы его остистый отросток и дугоотростчатые суставы L2-L3, в результате чего было смоделировано состояние позвоночника после выполнения расширенной ламинэктомии. Здесь следует отметить, что в практической вертебрологии при соблюдении принципа максимально раннего хирургического лечения подобные ситуации относительно редки, поскольку добиться адекватной репозиции возможно за счет лигаментотаксиса [5]. Однако, в настоящей работе все же было принято решение использовать именно такой подход к построению модели с целью уменьшения стабилизирующего влияния заднего опорного комплекса позвоночного столба и повышения, тем самым, нагрузки на системы фиксации.

Данные о механических характеристиках материалов, использованных при разработке вышеуказанных моделей, представлены в таблице 1. Все материалы рассматривались как линейно-упругие, однородные и изотропные.

Асланов Р.А., Донник А.М., Дулаев А.К. и др.

БИОМЕХАНИКА КОРОТКОСЕГМЕНТАРНОЙ МУЛЬТИСТЕРЖНЕВОЙ ЗАДНЕЙ ВНУТРЕННЕЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ФИКСАЦИИ «ВЗРЫВНЫХ» ПЕРЕЛОМОВ ПОЯСНИЧНЫХ ПОЗВОНКОВ: РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНОГО ТРЕХМЕРНОГО КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Табл. 1. Механические характеристики материалов, использованные при построении трехмерных биомеханических моделей поясничного отдела позвоночника (по Донник А.М. и др., 2022 [6])

Наименование материала	Механические характеристики материала
	Модуль Юнга, МПа	Коэффициент Пуассона
Кортикальный костный слой позвонка	12000	0,3
Губчатый костный слой позвонка	100	0,2
Интактный межпозвонковый диск	24	0,49
Поврежденный межпозвонковый диск	12	0,49
Дугоотростчатые суставы	10	0,3
Титановый сплав «Ti6Al4V ELI Titanium Alloy»	112000	0,32

Трехмерные модели были построены с использованием программного обеспечения Mimics (версии 21, Materialise), 3-Matic (версии 21, Materialise) и SolidWorks (2018). Для расчетов были использованы следующие размеры сеточных элементов: кортикальный и губчатый слой позвонков — 1,5 мм, межпозвонковый диск, дугоотростчатые суставы, титановые фиксирующие конструкции — 2 мм. Структуры связочного аппарата были смоделированы посредством построения пружинных элементов в конечно-элементном пакете ANSYS 19.2 (Табл. 2).

На основе данной базовой модели повреждения позвоночника были созданы три ее экспериментальных варианта в зависимости от способа задней инструментальной фиксации травмированного сегмента. Модель сравнения –стандартная протяженная ТПФ на основе 8 винтов, введенных попарно в тела Th12, L1, L3 и L4 позвонков и соединенных двумя несущими стержнями без поперечных штанг. Опытная модель I типа — один способов реализации предложенной философии КСМСФ: компоновка фиксирующей системы состояла из двух коротких транспедикулярных фиксаторов, базирующихся на трех винтах каждый, причем промежуточный из них вводился в тело сломанного позвонка, и двух ламинарных систем в виде, соответственно, дистрактора и контрактора, каждый из которых имел по два крючка. Опытная модель II типа отличалась от вышеописанной сокращением общего количества транспедикулярных опорных элементов до четырех (без введения винтов в тело сломанного позвонка) и увеличением количества опор ламинарных имплантатов до восьми с расположением их таким образом, чтобы каждая их пара обеспечивала циркулярный захват дуги выше- и нижележащего позвонка. В любой модели диаметр ножки транспедикулярного винта принимали равным 6,5 мм, длину ножки винта — 50 мм, диаметр соединительных стержней — 5,5 мм (Рис. 1).

Каждую из разработанных моделей подвергали действию шести видов физиологических нагрузок: положение стоя, сгибание, разгибание, боковой наклон вправо, боковой наклон влево, осевое вращение вправо и осевое вращение влево. При каждом режиме нагруже-

Табл. 2. Коэффициенты жесткости связок трехмерных биомеханических моделей поясничного отдела позвоночника, Н/мм (по Putzer M.A. et al., 2016 [7])

Позвоночно-двигательный сегмент	Наименование связки
	Передняя продольная	Задняя продольная	Межостистая	Надостная	Межпоперечная
Th12-L1	32,9	10	12,1	15,1	50
L1-L2	32,4	17,1	10,0	23	50
L2-L3	20,8	36,6	9,6	24,8	50
L3-L4	39,5	10,6	18,1	34,8	50

Рис. 1. Экспериментальные трехмерные модели поясничного отдела позвоночника с установленными металлоконструкциями: А — модель сравнения: протяженная 8-винтовая ТПФ; Б — опытная модель I типа: КСМСФ с винтовой фиксацией сломанного позвонка; В — опытная модель II типа: КСМСФ без фиксации сломанного позвонка.

ния на модель воздействовали вертикальной нагрузкой величиной 500 Н. При режимах нагружения «Сгибание», «Разгибание», «Боковой наклон вправо» и «Боковой наклон влево» к моделям дополнительно прикладывали соответственно направленный изгибающий, а режимах нагружения «Осевое вращение вправо» и «Осевое вращение влево» — крутящий момент величиной в 7,5 Н*м. Для исключения перемещений моделей в пространстве под действием прилагаемых сил их фиксировали по нижней замыкательной пластинке каудально расположенного, в данном случае — 4-го поясничного, позвонка. Нагружения моделей проводили в конечно-элементном пакете ANSYS 19.2.

Для сравнительной оценки жесткости фиксации для каждой из построенных трехмерных моделей были рассчитаны вектора полных перемещений и диапазон движений, возникающих под действием разнонаправленных внешних нагрузок. Вычисление последнего проводили для сегмента L1-L3, включающего в себя поврежденный позвонок L2, посредством определения разности углов (∆α) между нижней замыкательной пластиной позвонка L1 и верхней замыкательной пластиной позвонка L3 до (α_0) и после (α) нагружения моделей: ∆α=|α-α_0 |. Сравнительную оценку прочности кортикального и губчатого

Асланов Р.А., Донник А.М., Дулаев А.К. и др.

БИОМЕХАНИКА КОРОТКОСЕГМЕНТАРНОЙ МУЛЬТИСТЕРЖНЕВОЙ ЗАДНЕЙ ВНУТРЕННЕЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ФИКСАЦИИ «ВЗРЫВНЫХ» ПЕРЕЛОМОВ ПОЯСНИЧНЫХ ПОЗВОНКОВ: РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНОГО ТРЕХМЕРНОГО КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Табл. 3. Локализация и величины модулей векторов максимальных смещений в экспериментальных трехмерных моделях поясничного отдела позвоночника

Вид нагрузки	Модель сравнения		Опытная модель I типа		Опытная модель II типа
	Уровень смещения	Величина смещения, мм	Уровень смещения	Величина смещения, мм	Уровень смещения	Величина смещения, мм
Положение стоя	L2	0,56	L1	0,38	L2	0,46
Сгибание	Th12	0,67	Th12	0,80	Th12	0,89
Разгибание	Th12	0,94	Th12	0,91	Th12	1,09
Боковой наклон влево	Th12	0,70	Th12	0,90	Th12	1,11
Боковой наклон вправо	Th12	0,96	Th12	1,11	Th12	1,26
Осевое вращение влево	Th12	0,71	Th12	0,59	Th12	0,68
Осевое вращение вправо	L2	0,72	Th12	0,67	Th12	0,68

Модель сравнения

Опытная модель I типа

Опытная модель II типа

Рис. 2. Величины модулей векторов полных перемещений в трехмерных моделях поясничного отдела позвоночника, мм: А — максимальные в модели; Б — на уровне поврежденного позвонка (L2).

слоев позвонков при использовании вышеуказанных способов фиксации, а также прочности собственно фиксирующих систем осуществляли посредством определения эквивалентных напряжений по Мизесу, обозначающих усилие, возникающее в теле под действием действующих на него внешних сил в условиях закрепления.

Результаты

Результаты сравнительной оценки жесткости фиксации представлены в таблице 3 и на рисунках 2–3.

На основании результатов представленных выше сравнений можно заключить, что параметры жесткости фиксации поясничного отдела позвоночника разработанным способом в небольшой степени превосходят таковые, присущие традиционно используемому в аналогичных ситуациях протяженному транспедикулярному спонди-лосинтезу. Это в полной мере может указывать на то, что на практике стабильность фиксации новыми системами, как минимум, не будет уступать или же окажется выше, чем в случаях транспедикулярного спондилосинтеза. Рассматривая этот тезис более подробно, следует отметить, что величины модулей максимальных смещений в модели при нагрузках в сагиттальной и фронтальной плоскостях для обоих вариантов новой короткосегментарной фиксации оказались больше, чем для протяженной транспедикулярной. Однако данные смещения наблюдались

Рис. 3. Диапазоны движений в травмированном сегменте L1-L3 поясничного отдела позвоночника трехмерных компьютерных моделях, град.

на уровне позвоночно-двигательного сегмента Th12-L1, что с одной стороны, вполне закономерно, поскольку зафиксированные позвонки L1-L3 с биомеханической точки зрения выступают более или менее единым блоком, а с другой — указывает на сохранение подвижности в смежных с поврежденным позвоночно-двигательных сегментах. Но наиболее существенным здесь становится тот факт, что на уровне повреждения модули смещений при короткой фиксации оказались меньшими, особенно — в первом ее варианте.

Асланов Р.А., Донник А.М., Дулаев А.К. и др.

БИОМЕХАНИКА КОРОТКОСЕГМЕНТАРНОЙ МУЛЬТИСТЕРЖНЕВОЙ ЗАДНЕЙ ВНУТРЕННЕЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ФИКСАЦИИ «ВЗРЫВНЫХ» ПЕРЕЛОМОВ ПОЯСНИЧНЫХ ПОЗВОНКОВ: РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНОГО ТРЕХМЕРНОГО КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Результаты сравнительной оценки прочностных характеристик фиксации поясничного отдела позвоночника новым способом КСМСФ представлены на рисунке 4.

Как следует из полученных данных, в металлоконструкциях, используемых при реализации разработанного способа КСМСФ (опытные модели I и II типов), максимальные значения эквивалентных напряжений при всех без исключения нагрузках оказались значительно выше, чем в протяженной транспедикулярной системе (модель сравнения). В отношении нового способа фиксации необходимо отметить, что для первого его варианта (короткосегментарной мультистержневой системы с транспедикулярной фиксацией сломанного позвонка) при режимах нагружения «Положение стоя», «Сгибание», «Разгибание» и «Осевое вращение вправо» эквивалентные напряжения в металлоконструкциях были ниже, чем при втором его варианте (система без ТПФ сломанного позвонка и с увеличенным количеством крючков ламинарных фиксаторов).

В кортикальном слое позвонков при любом варианте нового способа фиксации при большинстве нагрузок максимальные значения эквивалентных напряжений были сопоставимы с таковыми для протяженной ТПФ либо несколько ниже их, а при боковых наклонах — уступали им довольно значительно. Различия этих величин этого показателя между двумя модификациями короткосегментарной мультистержневой фиксации при положении стоя, сгибании и разгибании отсутствовали. При боковых наклонах первый вариант новой фиксации характеризовался созданием меньших нагрузок на кортикальный слой позвонков, при вращениях наблюдалась обратная картина.

В губчатом слое позвонков максимальные значения эквивалентных напряжений для обоих вариантов КСМСФ при большинстве нагрузок оказались значительно меньшими, чем при использовании протяженной ТПФ, а в двух оставшихся случаях (в положении стоя и при разгибании) были равными. При этом, наличие промежуточных винтов короткосегментарных фиксаторов обеспечивало некоторое снижение нагрузки на губчатую костную ткань по сравнению со случаями их отсутствия.

Обсуждение

Разработанный авторами новый способ задней инструментальной фиксации предназначается для стабилизации переломов, прежде всего, поясничных позвонков, поскольку анатомические особенности соответствующего отдела позвоночника обеспечивают наилучшие условия для размещения необходимых для его реализации имплантатов. При этом в процессе поиска и анализа научной литературы по профилю настоящего исследования было установлено, что подобные работы посвящены, с одной стороны, повреждениям грудо-поясничного перехода (Th11 — L2), а с другой — их стабилизации с использованием только транспедикулярных систем. Однако тот

В

Модель сравнения

Опытная модель I типа

Опытная модель II типа

Рис. 4. Максимальные значения эквивалентных напряжений по Мизесу в зависимости от направления нагрузки, МПа. А — в фиксирующих металлоконструкциях; Б — в кортикальном слое позвонков; В — в губчатом слое позвонков.

факт, что целью любой из них являлось сравнение биомеханических параметров короткосегментарной фиксации с аналогичными показателями протяженной 8-винтовой ТПФ, дает полное основание рассматривать их в рамках настоящего раздела.

Стартовой точкой эволюции технологии ТПФ «взрывных» переломов позвонков стало использование коротких систем с введением винтов попарно в выше- и нижележащий позвонки. Согласно результатам многочисленных сравнительных исследований в сфере компьютерного биомеханического моделирования для такого «классического» варианта спондилосинтеза характерны наименьшая жесткость и самые высокие величины напряжений в позвонках и имплантатах [8–12]. При этом даже наличие полностью интактной задней стенки тела

Асланов Р.А., Донник А.М., Дулаев А.К. и др.

БИОМЕХАНИКА КОРОТКОСЕГМЕНТАРНОЙ МУЛЬТИСТЕРЖНЕВОЙ ЗАДНЕЙ ВНУТРЕННЕЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ФИКСАЦИИ «ВЗРЫВНЫХ» ПЕРЕЛОМОВ ПОЯСНИЧНЫХ ПОЗВОНКОВ: РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНОГО ТРЕХМЕРНОГО КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ поврежденного позвонка оказалось не способным существенным образом улучшить ситуацию [13]. На практике это может привести к нарушению консолидации осколков сломанного позвонка и возникновению осложнений со стороны внутренних конструкций [14].

С течением времени в среде хирургов-вертебрологов сформировалось более или менее общепринятое понимание того то, что добиться оптимальных биомеханических условий для адекватного протекания репаративных процессов и нормального функционирования имплантированных конструкций можно либо вовлечением в фиксацию дополнительных интактных позвонков, либо фиксацией сломанного позвонка в короткосегментарных системах [15]. Но даже такое решение, хотя и довольно существенно улучшает биомеханические характеристики фиксации, не полностью приближает их к таковым, присущим протяженной, симметричной относительно уровня повреждения, 8-винтовой конструкции [15; 16]. При этом в последнем исследовании отмечается, что дополнительная фиксация сломанного позвонка в подобной системе существенного влияния на них не оказывает, однако есть данные, что при обширных его разрушениях она необходима [17].

В качестве достаточно весомого аргумента в пользу более широкого практического применения методик короткосегментарной задней фиксации специалисты выдвигают возможность сохранения подвижности в как можно большем количестве позвоночно-двигательных сегментов [15]. В реализации этого принципа некоторые из них дошли до идеи выполнять изолированную моносегментарную ТПФ сломанного и нижележащего позвонков, однако амплитуды смещений в соответствующей компьютерной модели оказались более чем в 2 раза выше, чем при «классической» 4-винтовой фиксации [18]. Помимо этого, для короткосегментарных систем, с учетом многообразия морфологических вариантов повреждений тел позвонков при их «взрывных» переломах, были проведены исследования по изучению биомеханических параметров фиксации для случаев, когда характер повреждения позвонка оставляет возможности для введения в него только коротких винтов либо в одно-, либо в двухстороннем варианте: было установлено, что на них не влияют ни длина винтов, ни их количество [19].

Еще одним действенным средством повышения стабильности короткосегментарной ТПФ ряд исследователей считает выполнение каких-либо реконструктивных манипуляций на вентральной колонне позвоночного столба (т.н. «передняя поддержка»), причем наименее инвазивной и наиболее часто рекомендуемой к практическому использованию процедурой здесь оказывается вертебро-или кифопластика тела сломанного позвонка костным цементом. По итогам сравнительного компьютерного моделирования наилучшие биомеханические параметры были получены для случаев сочетания подобной передней поддержки и транспедикулярного спондилосинтеза с фиксацией сломанного позвонка. Выполнение передней поддержки при «классическом» варианте короткосегментарной ТПФ показало наихудшие результаты, в то время как промежуточную позицию заняла модель изолированной ТПФ с фиксацией сломанного позвонка [8; 9]. Однако наилучшие показатели были получены для модели т.н. комбинированной фиксации позвоночника, включающей в себя «классическую» 4-винтовую ТПФ и сетчатый титановый протез тела позвонка [11]. Но в то же время следует иметь в виду, что такие операции крайне травматичны и по этой причине находят ограниченное применение в вертебрологической практике [20].

В нашем исследовании при использовании разработанного способа фиксации стабильность как осколков сломанного позвонка, так и его соединений со смежными неповрежденными позвонками оказалась выше, чем при протяженной ТПФ, что указывает на его способность создавать благоприятные условия для протекания послеоперационных репаративных процессов. В любой его модификации имплантированные конструкции испытывают значительно меньшие по величине нагрузки, что обеспечивает большую их устойчивость к возникновению пластических деформаций и усталостных переломов. Значительно меньшие механические напряжения в зафиксированных позвонках снижают риск их переломов в зонах контакта имплантатами, а также миграции винтов транспедикулярных систем.

Ограничения исследования

Практический смысл настоящего исследования заключался в определении биомеханической допустимости и безопасности использования принципиально нового способа стабилизации позвоночника. И хотя полученные результаты убедительно доказали наличие такой возможности, необходимо выделить ряд факторов, способных тем или иным образом повлиять на сделанные заключения:

• 1)    рассматривали переломы только одного позвонка;

• 2)    качество кортикальной и губчатой костной ткани позвонков принимали нормальным; при этом их структура, а также структура мягкотканных элементов позвоночного столба предполагалась однородной, изотропной и линейно-упругой;

• 3)    нагрузки, прикладываемые к моделям, были одноосными или одноплоскостными, однократными, а не циклическими и не отражали эффекты сокращения мышц туловища.

Заключение

Таким образом, по своим биомеханическим характеристикам новый способ фиксации можно рассматривать в качестве полноценной альтернативы широко используемому на сегодняшний день при лечении пациентов с «взрывными» переломи поясничных позвонков протяженному транспедикулярному спондилосинтезу. Экстраполируя результаты компьютерного моделирования на клиническую практику, нужно отметить, что с

Асланов Р.А., Донник А.М., Дулаев А.К. и др.

БИОМЕХАНИКА КОРОТКОСЕГМЕНТАРНОЙ МУЛЬТИСТЕРЖНЕВОЙ ЗАДНЕЙ ВНУТРЕННЕЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ФИКСАЦИИ «ВЗРЫВНЫХ» ПЕРЕЛОМОВ ПОЯСНИЧНЫХ ПОЗВОНКОВ: РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНОГО ТРЕХМЕРНОГО КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ позиции обоих изученных биомеханических параметров (жесткости и прочности фиксации) максимально целесообразным следует признать использование первого варианта предложенного способа — с транспедикулярной фиксацией сломанного позвонка и ламинарной фиксацией смежных с ним позвонков дистрактором и контрактором. При невозможности введения винтов в сломанный позвонок про причине недостаточного количества интактной костной ткани добиться сходных биомеханических характеристик фиксации можно увеличением количеством опор ламинарных систем.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов (The authors declare no conflict of interest).