Влияние фасеточных суставов на биомеханическое поведение позвоночно-двигательного сегмента L4-L5: трехмерная модель межпозвоночного диска с идеальной жидкостью
Автор: Хорошев Д.В.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 2 (104) т.28, 2024 года.
Бесплатный доступ
Боль в поясничном отделе позвоночника - это заболевание, которое затрагивает значительную часть общества и оказывает существенное влияние на качество жизни и работоспособность населения планеты. Определить причину/источник боли на уровне сегмента L 4- L 5 в клинической практике является достаточно трудной задачей, поскольку далеко не каждый специалист способен отличить подвывих фасеточных суставов от грыжи межпозвоночного диска из-за достаточно близкого расположения объектов. Анализ литературы по моделированию позвоночно-двигательного сегмента показал, что в исследованиях не акцентируется внимание на сплошном моделировании фасеточных суставов. Цель работы - представить постановку задачи позвоночно-двигательного сегмента L 4- L 5 с учетом наличия жидкости в фасеточных суставах и анализ результатов поведения модели. Описана математическая постановка задачи в смешанной форме (сочетание упругой задачи и задачи об идеальной жидкости) для позвоночно-двигательного сегмента L 4- L 5 с использованием Ansys. Согласно текущей постановки задачи описывается осевое травматичное нагружение позвоночно-двигательного сегмента L 4- L 5, при котором появляется подвывих фасеточных суставов, что характерно для профессии водителя, тракториста и спортсменов. В качестве допущения синовиальная жидкость принята идеальной жидкостью. Моделирование напряженно-деформированного состояния сегмента при сжимающей осевой нагрузке в 100 кг показало, что давление жидкости в правой и левой капсулах фасеточных суставов составило 69,2 и 84,7 кПа соответственно. Различие между значениями давлений 18 % в капсулах суставов подтверждает, что в сегменте присутствует асимметричное распределение осевой сжимающей нагрузки и сжатию подвергается правая капсула сустава. Это исследование подчеркивает необходимость учитывать фасеточные суставы на уровне пояснице при моделировании позвоночно-двигательного сегмента.
Межпозвоночный диск, фасеточный сустав, капсула, конечно-элементная модель, поясница, позвоночник
Короткий адрес: https://sciup.org/146282973
IDR: 146282973 | УДК: 531/534: | DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.2.13
Impact of facet joints on biomechanical behavior of the vertebromotor segment L4-L5: a three-dimensional model of the intervertebral disc with ideal fluid
An under-researched potential cause of low back pain is the subject of a review. Pain in the lumbar spine is a disease that affects a large part of society and has a significant impact on the life quality and performance of the world's population. Determining the cause/source of pain at the level of segment L 4- L 5 in clinical practice is a difficult task, because not every specialist is able to distinguish facet joint subluxation from disc herniation. Literature analysis on modeling of the vertebromotor segment has shown that studies do not focus on continuous modeling of facet joints. The research aim is to present the problem formulation of the vertebromotor segment L 4- L 5 taking into account the presence of fluid in the facet joints and to analyze the results of the model behavior. The mathematical formulation of a mixed form problem (a combination of elastic and ideal fluid problems) for the vertebromotor segment L 4- L 5 using Ansys is described. The current problem formulation models axial traumatic loading of the vertebromotor segment L 4- L 5 with subluxation of the facet joints, which is typical for drivers, tractor drivers and sportsmen. As an assumption, synovial fluid is assumed to be an ideal fluid. Modeling of the segment stress-strain state under a compressive axial load of 100 kg showed that the fluid pressure in the right and left facet joint capsules was 69.2 and 84.7 kPa, consequently. The difference between the joint capsule pressures 18 % confirms that there is an asymmetrical distribution of axial compressive load in the segment and that the right joint capsule is compressed. This study highlights the need to consider the facet joints at the lumbar level when modeling the vertebromotor segment.
Список литературы Влияние фасеточных суставов на биомеханическое поведение позвоночно-двигательного сегмента L4-L5: трехмерная модель межпозвоночного диска с идеальной жидкостью
- Global, regional and national burden of low back pain 19902019: A systematic analysis of the Global Burden of Disease study 2019 / S. Chen, M. Chen, X. Wu, S. Lin, C. Tao, H. Cao, Z. Shao, G. Xiao // Journal of Orthopaedic Translation. - 2022. - Vol. 32. - P. 49-58.
- Левин, О.С. Боль в спине в общей клинической практике / О.С. Левин. - М.: Умный доктор, 2018. - С. 80.
- Парфенов, В.А. Боль в нижней части спины: мифы и реальность / В.А. Парфенов, А.И. Исайкин. - М.: ИМА-ПРЕСС, 2016. - С. 104.
- Методика оцифровки персонализированной геометрии позвоночно-двигательного сегмента L4-L5 in vivo / Д.В. Хорошев, О.Р. Ильялов, Н.Е. Устюжанцев, Ю.И. Няшин // Российский журнал биомеханики. -2019. - Т. 23, № 4. - С. 638-646.
- Михайлов, В.В. Основы патологической физиологии: Руководство для врачей / В.В. Михайлов. -М.: Медицина, 2001. - С. 704.
- Zarei, V. Multiscale structure-based mechanical modeling of the human spine lumbar facet capsular ligament. PhD thesis / V. Zarei. - USA: Minnesota: The University of Minnesota, 2018. - P. 126.
- Хорошев, Д.В. Построение пороупругой конечно-элементной модели межпозвоночного диска в поясничном отделе / Д.В. Хорошев, О.Р. Ильялов // Master's Journal. - 2016. - Т. 1. - С. 498-507.
- Biomechanical modelling of the vertebromotor segment of the human lumbar spine the problem current state / D.V. Khoroshev, O.R. Ilyalov, N.E. Ustuyzhantsev, Y.I. Nyashin // Series on Biomechanics. - 2021. -Vol. 35, no. 1. - P. 31-44.
- Biomechanical changes at the adjacent segments induced by a lordotic porous interbody fusion cage / N.Z. Zhang, Q.S. Xiong, J. Yao, B.L. Liu, M. Zhang, C.K. Cheng // Comput. Biol. Med. - 2022. - Vol. 143. - Article no. 105320. DOI: 10.1016/j.compbiomed.2022.105320
- Biomechanical responses of the human lumbar spine to vertical whole-body vibration in normal and osteoporotic conditions / W. Fan, C. Zhang, D.-X. Zhang, L.-X. Guo, M. Zhang // Clinical Biomechanics. - 2023. - Vol. 102. -Article no. 105872.
- Comparative role of disc degeneration and ligament failure on functional mechanics of the lumbar spine / A.M. Ellingson, M.N. Shaw, H. Giambini, K.-N. An // Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. - 2016. - Vol. 19, no. 9. - P. 1009-1018.
- Jaramillo, H.E. A finite element model of the L4-L5-S1 human spine segment including the heterogeneity and anisotropy of the discs / H.E. Jaramillo, L. Gomez, J.J. Garcia // Acta of Bioengineering and Biomechanics. -2015. - Vol. 17, no. 2. - P. 15-24. DOI: 10.5277/ABB-00046-2014-02
- Biomechanical response of lumbar facet joints under follower preload: a finite element study / C.-F. Du, N. Yang, J.-C. Guo, Y.-P. Huang, C. Zhang // BMC Musculoskeletal Disorders. - 2016. - Vol. 17, no. 126. - P. 1-13.
- Load sharing in lumbar spinal segment as a function of location of center of rotation / Y. Alapan, S. Sezer, C. Demir, T. Kaner, S. Inceoglu // Journal of Neurosurgery Spine. - 2014. - Vol. 20. - P. 542-549.
- Preserving posterior complex can prevent adjacent segment disease following posterior lumbar interbody fusion surgeries: A finite element analysis / Y.-P. Huang, C.-F. Du,
- C.-K. Cheng, Z.-C. Zhong, X.-W. Chen, G. Wu, Z.-C. Li, J.-D. Ye, J.-H. Lin, L.Z. Wang // PLOS ONE. - 2016. -Vol. 11. - P. 1-13.
- Towards intervertebral disc engineering: Bio-mimetics of form and function of the annulus fibrosus lamellae / M. Sharabi, S. Wertheimer, K.R. Wade, F. Galbusera, D. Benayahu, H.-J. Wilke, R. Haj-Ali // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. -2019. - Vol. 94. - P. 298-307.
- Williams, J.R. Inclusion of regional poroelastic material properties better predicts biomechanical behavior of lumbar discs subjected to dynamic loading / J.R. Williams, R.N. Natarajan, G.B.J. Andersson // Journal of Biomechanics. - 2007. - Vol. 40. - P. 1981-1987.
- Жарнов, А.М. Биомеханические процессы в межпозвонковом диске шейного отдела позвоночника при его движении / А.М. Жарнов, О.А. Жарнова // Российский журнал биомеханики. - 2013. - Т. 17, № 1. -С. 32-40.
- Капанджи, А.И. Позвоночник. Физиология суставов / А.И. Капанджипод ред. Е.В. Кишиневского, Т. Решетника. - М.: Эксмо, 2014. - С. 344.
- Спирин, Н.Н. Проблема хронической боли в спине: фасеточный синдром / Н.Н. Спирин, Д.В. Киселев // Русский медицинский журнал. - 2015. - № 17. - С. 10251030.
- Биомеханическое моделирование межпозвоночного диска поясничного отдела человека - современное состояние проблемы / Д.В. Хорошев, О.Р. Ильялов, Н.Е. Устюжанцев, Ю.И. Няшин // Российский журнал биомеханики. - 2019. - Т. 23, № 3. - С. 411-422.
- Доль, А.В. Биомеханическое моделирование вариантов хирургического реконструктивного лечения спондилолистеза позвоночника на уровне L4-L5 / А.В. Доль, Е.С. Доль, Д.В. Иванов // Российский журнал биомеханики. - 2018. - Т. 22, № 1. - С. 31-44.
- Донник, А.М. Поведение сегмента грудного отдела позвоночника при оскольчатом переломе позвонка до и после хирургического лечения. Биомеханический эксперимент / А.М. Донник, Л.Ю. Коссович, Е.С. Оленко // Российский журнал биомеханики. - 2022. - Т. 26, № 1. - C. 25-39.
- Жарнов, А.М. Биомеханические процессы в позвонково-двигательном сегменте шейного отдела позвоночника при его движении / А.М. Жарнов, О.А. Жарнова // Российский журнал биомеханики. - 2014. - Т. 18, № 1. -С. 105-118.
- Извлечение клинически значимых данных из биомеханического моделирования вариантов хирургического лечения травмы позвоночника при повреждении позвонков TH10, TH11 / А.М. Донник, Д.В. Иванов, С.И. Киреев, Л.Ю. Коссович, Н.В. Островский, И.А. Норкин, К.К. Левченко, С.В. Лихачев // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Математика. Механика. Информатика. - 2019. - Т.19, № 4. - С. 439-453.
- Математическое моделирование нестабильности позвоночника и методов стабилизации / С.В. Орлов, Р.Л. Седов, Н.Д. Бобарыкин, В.И. Аполлинариев // Российский журнал биомеханики. - 2010. - Т. 14, № 3. -С. 36-46.
- Математическое моделирование трехплоскостной деформации позвоночного столба человека / М.Г. Дудин, Ю.А. Балошин, С.В. Бобер, И.Ю. Поморцев // Российский журнал биомеханики. - 2016. - Т. 20, № 3. -С. 272-282.
- Моделирование поясничного позвоночно-двигательного сегмента человека: анализ научных исследований / Д.В. Хорошев, Н.Е. Устюжанцев, О.Р. Ильялов, Ю.И. Няшин // Российский журнал биомеханики. - 2021. - Т. 25, № 1. - С. 32-47.
- Нехлопочин, А.С. Анализ напряженно-деформированного состояния в системе «кортикальный винт - тело позвонка» при моделировании фиксации имплантатов для переднего шейного межпозвонкового соединения / А.С. Нехлопочин, С.Н. Нехлопочин, Г.В. Сыровой // Российский журнал биомеханики. -2017. - Т. 21, № 1. - С. 88-101.
- Оптимизация спондилосинтеза при некоторых оскольчатых повреждениях позвонков грудопоясничной локализации / С.В. Лихачев, В.Б. Арсениевич, B.В. Островский, А.Е. Шульга, А.В. Зарецков, Д.В. Иванов, А.В. Доль, А.М. Донник, В.В. Зарецков // Современные технологии в медицине. - 2020. - Т. 12, № 4. - С. 30-39.
- Оценка напряжённого состояния позвоночных столбов собак на основе данных компьютерной томографии / О.В. Герасимов, К.Р. Шарафутдинова, В.С. Караман, Г.Т. Салеева, О.А. Саченков // Российский журнал биомеханики. - 2024. - Т. 28, № 1, С. 40-53.
- Создание трехмерных твердотельных моделей позвоночника с транспедикулярной фиксацией c использованием специализированного программного обеспечения / А.М. Донник, Д.В. Иванов, Л.Ю. Коссович, К.К. Левченко, С.И. Киреев, К.М. Морозов, Н.В. Островский, В.В. Зарецков, C.В. Лихачев // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Математика. Механика. Информатика. - 2019. - Т.19, № 4. - С. 424-438.
- Численный анализ механического поведения межпозвонкового диска с учетом структуры коллагеновых волокон / Е.А. Мерои, А.Н. Натали, П.Г. Паван, К. Скарпа // Российский журнал биомеханики. - 2005. - Т. 9, № 1. - С. 36-51.
- Agarwal, A. The endplate morphology changes with change in biomechanical environment following discectomy / A. Agarwal, A.K. Agarwal, V.K. Goel // International Journal of Clinical Medicine. - 2013. - Vol. 4. - P. 8-17.
- Biomechanical analysis of lumbar decompression surgery in relation to degenerative changes in the lumbar spine -Validated finite element analysis / Q.Y. Li, H.-J. Kim, J. Son, K.-T. Kang, B.-S. Chang, C.-K. Lee, H.S. Seok, J.S. Yeom // Computers in Biology and Medicine. - 2017. -Vol. 89. - P. 512-519.
- Biomechanical analysis of press-extension technique on degenerative lumbar with disc herniation and staggered facet joint / H. Du, S. Liao, Z. Jiang, H. Huang, X. Ning, N. Jiang, J. Pei, Q. Huang, H. Wei // Saudi Pharmaceutical Journal. -2016. - Vol. 24. - P. 305-311.
- Biomechanical comparison between lumbar disc arthroplasty and fusion / S.-H. Chen, Z.-C. Zhong, C.-S. Chen, W.-J. Chen, C. Hung // Medical Engineering & Physics. -2009. - Vol. 31. - P.244-253.
- Biomechanical evaluation of two-level oblique lumbar interbody fusion combined with posterior four-screw fixation: A finite element analysis / T. Ge, B. Hu, Q. Zhang, J. Xiao, X. Wu, D. Xia // Clin. Neurol. Neurosurg. - 2023. -Vol. 225. - Article no. 107597.
- Biomechanical investigation of thoracolumbar spine in different postures during ejection using a combined finite element and multi-body approach / C. Du, Z. Mo, S. Tian, L. Wang, J. Fan, S. Liu, Y. Fan // International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering. - 2014. -Vol. 30, no. 11. - P. 1121-1131.
- Guldeniz, O. Yeditepe spine mesh: Finite element modeling and validation of a parametric CAD model of lumbar spine / O. Guldeniz, O.B. Yesil, F. Okyar // Med. Eng. Phys. - 2022. - Vol. 110. - Article no. 103911.
- Impact of material and morphological parameters on the mechanical response of the lumbar spine - A finite element sensitivity study / T. Zander, M. Dreischarf, A.-K. Timm, W.W. Baumann, H. Schmidt // Journal of Biomechanics. -2017. - Vol. 53. - P. 185-190.
- Park, W.M. Effects of degenerated intervertebral discs on intersegmental rotations, intradiscal pressures, and facet joint forces of the whole lumbar spine / W.M. Park, K. Kim, Y.H. Kim // Computers in Biology and Medicine. - 2013. -Vol. 43. - P. 1234-1240.
- An experimental-numerical method for the calibration of finite element models of the lumbar spine / L.F. Nicolini, A. Beckmann, M. Laubach, F. Hildebrand, P. Kobbe, C. Rodrigo, de M. Roesler, E.A. Fancello, B. Markert, M. Stoffel // Medical Engineering and Physics. - 2022. -Vol. 107. - Article no. 103854.
- Application of a calibration method provides more realistic results for a finite element model of a lumbar spinal segment / H. Schmidt, F. Heuer, J. Drumm, Z. Klezl, L. Claes, H.-J. Wilke // Clinical Biomechanics. - 2007. - Vol. 22. -P. 377-384.
- Bermel, E.A. The role of the facet capsular ligament in providing spinal stability / E.A. Bermel, V.H. Barocas, A.M. Ellingson // Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. - 2018. - Vol. 21, no. 13. - P. 712721.
- Biomechanical evaluation of Percutaneous endoscopic posterior lumbar interbody fusion and minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion: a biomechanical analysis / J.R. Li, Y. Yan, X.G. Wu, L.M. He, H.Y. Feng // Comput. Methods Biomech. Biomed. Engin. - 2024. -Vol. 27, no. 3. - P. 285-295. DOI: 10.1080 /10255842.2023.2183348
- Fan, W. Influence of different frequencies of axial cyclic loading on time-domain vibration response of the lumbar spine: A finite element study / W. Fan, L.-X. Guo // Computers in Biology and Medicine. - 2017. - Vol. 86. -P. 75-81.
- Naserkhaki, S. Effects of inter-individual lumbar spine geometry variation on load-sharing: Geometrically personalized finite element study / S. Naserkhaki, J.L. Jaremko, M. El-Rich // Journal of Biomechanics. -2016. - Vol. 49. - P. 2909-2917.
- Noailly, J. Finite element study of a novel intervertebral disc substitute / J. Noailly, D. Lacroix, J.A. Planell // Spine. -2005. - Vol. 30, no. 20. - P. 2257-2264.
- Prado, M. Discectomy decreases facet joint distance and increases the instability of the spine: A finite element study / M. Prado, C. Mascoli, H. Giambini // Computers in Biology and Medicine. - 2022. - Vol. 143. - Article no. 105278. DOI: 10.1016/j.compbiomed.2022.105278.
- Sagittal imbalance may lead to higher risks of vertebral compression fractures and disc degeneration - a finite element analysis / K. Matsumoto, A. Shah, A. Kelkar, M. Mumtaz, Y. Kumaran, V.K. Goel // World Neurosurgery. - 2022. - Vol. 167. - P. E962-E971. DOI: 10.1016 /j.wneu.2022.08.119
- Strain changes on the cortical shell of vertebral bodies due to spine ageing: A parametric study using a finite element model evaluated by strain measurements / Y. Lu, E. Rosenau, H. Paetzold, A. Klein, K. Puschel, M.M. Morlock, G. Huber // Journal of Engineering in Medicine. - 2013. - Vol. 227, no. 12. - P. 1265-1274.
- Biomechanical evaluation of an oblique lateral locking plate system for oblique lumbar interbody fusion: a finite element analysis / Y. Wang, J. Wang, S. Tu, S. Li, J. Yi, H. Zhao, H. Qiao, K. Yan, B. Liao // World Neurosurgery. - 2022. -Vol. 160. - P. E126-E141. DOI: 10.1016 /j.wneu.2021.12.105
- Development and validation of two intact lumbar spine finite element models for in silico investigations: comparison of the bone modelling approaches / M. Turbucz, A.J. Pokorni, G. Szoke, Z. Hoffer, R.M. Kiss, A. Lazary, P.E. Eltes // Appl. Sci. - 2022. - Vol. 12. - Article no. 10256. DOI: 10.3390/app122010256
- Biomechanical evaluation of lateral lumbar interbody fusion with various fixation options for adjacent segment degeneration: a finite element analysis / H.J. Lee, S.-J. Lee, J.-M. Jung, T.H. Lee, Ch. Jeong, T.J. Lee, J. Jang, J.-W. Lee // World Neurosurgery. - 2023. - Vol. 173. - P. E156-E167. DOI: 10.1016/j.wneu.2023.02.023.
