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.

Еще

Межпозвоночный диск, фасеточный сустав, капсула, конечно-элементная модель, поясница, позвоночник

Короткий адрес: https://sciup.org/146282973

IDR: 146282973 | DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.2.13

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.

Еще

Статья научная