Математичне моделювання міжтілового спондилодезу в шийному відділі хребта

Abstract

Mathematical modeling with method of finite element analysis is widely used in experimental studies of the cervical spine. The scientific literature presents advantages and disadvantages of cervical rigid constructions (CRC) and cervical dynamic con­structions (CDC). Objective: to study the stress-strain state of the finite-element model of the cervical functional spinal units CIII/СVII when modeling bi-level anterior interbody fusion CIV/CVI by means of vertical cylindrical mesh implants, and RC and hybrid DC. Methods: A newly developed mathematical model of the cer­vical functional spinal units CIII/СVII consists of 33,590 ten-noded izoparametrical finite elements and has 55,163 nodes. Bi-level anterior interbody fusion we modeled using prototypes of cervical plates and vertical cylindrical mesh implants developed at the SI «Sytenko Institute for Spine and Joints Pathology of the National Academy of Medical Sciences of Ukraine». Results: When using CRC versus CDC there were found significantly higher levels of Mises stresses on the cranial and caudal terminal cartilage plates of CIV vertebral body, pedicles of CIV and CVI, laminas of CIV, in perifocal bone tissue in the area of screws in cranial part of the plate and teeth at cranial and caudal parts of the construction, ac­tually in the construction, and reduction of the Mises stresses — at the pedicles of CV . In case of using of CDC we noticed increasing value of the Mises stresses at the pedicles of CV , in perifocal bone tissue in the area of screws in caudal part of the plate and on the teeth of the central part of the plate, and decreasing of them in the entire construction and restored interbody pillar. Conclusion: The stress shielding phenomenon was confirmed upon condition of CRC using and was found more optimal distribution of load in biomechanical system «functional spinal units — implants» in case of CDC using.Математическое моделирование методом конечных элементов широко применяют в экспериментальных исследованиях шейного отдела позвоночника. В литературе представлены преимущества и недостатки ригидных (РК) и динамических (ДК) конструкций.Цель: провести исследования напряженно-деформированного состояния конечно-элементной модели шейных позвоночных двигательных сегментов СІІІ/СVII в случае моделирования бисегментарного переднего межтелового спондилодеза CIV/CVI вертикальными цилиндрическими сетчатыми имплантатами и вентральной стабилизации позвонков CIV и CVI ригидной и динамической гибридной конструкциями.Методы: разработана математическая модель шейных позвоночных двигательных сегментов СІІІ/СVII, состоящая из 33 590 десятиузловых изопараметрических конечных элементов и имеющая 55 163 узла. Бисегментарный передний межтеловой спондилодез моделировали с использованием прототипов пластин и вертикального цилиндрического сетчатого имплантата, разработанных в ИППС. Для проведения расчетов использовали лицензионную программу ANSYS.Результаты: при использовании РК по сравнению с ДК выявлены значительно более высокие показатели напряжения Мизеса на краниальной терминальной и каудальной замыкательной пластинах тела СIV позвонка, корнях дуг позвонков СIV и СVI, пластинах дуги позвонка СIV, в перифокальной костной ткани в зоне винтов в краниальном отделе пластины и зубцов краниального и каудального отделов конструкции, собственно в конструкции, а уменьшение величины напряжения Мизеса — на корнях дуг позвонка СV. При ДК увеличиваются величины напряжения Мизеса в зоне корней дуг позвонка СV, перифокальной костной ткани в области винтов в каудальном отделе пластины и зубцов центрального отдела конструкции, а уменьшаются они в конструкции и восстановленной межтеловой опоре.Вывод: подтверждено явление экранирования нагрузки при использовании РК и выявлено более оптимальное распределение нагрузки в биомеханической системе «позвоночные двигательные сегменты – имплантаты» при применении ДК.Математичне моделювання методом кінцевих елементів широко застосовують в експериментальних дослідженнях шийного відділу хребта. У літературі представлені переваги та недоліки ригідних (РК) та динамічних (ДК) конструкцій.Мета: провести дослідження напружено-деформованого стану кінцево-елементної моделі шийних хребтових рухових сегментів СIII/СVII у разі моделювання бісегментарного переднього міжтілового спондилодезу CIV/CVI вертикальними циліндричними сітчастими імплантатами та вентральної стабілізації хребців CIV та CVI ригідною й динамічної гібридною конструкціями.Методи: розроблено математичну модель шийних хребтових рухових сегментів СIII/СVII, що складається із 33 590 десятивузлових ізопараметричних кінцевих елементів та має 55 163 вузли. Бісегментарний передній міжтіловий спондилодез моделювали з використанням прототипів пластин та вертикального циліндричного сітчастого імплантата, розроблених в ІПХС. Для проведення розрахунків використовували ліцензійну програму ANSYS. Результати: за умов використання РК порівняно з ДК виявлено значно вищі показники напруження Мізеса на краніальній термінальній та каудальній замикальній пластинах тіла СIV хребця, коренях дуг хребців СIV та СVI, пластинах дуги хребця СIV, у перифокальній кістковій тканині в зоні гвинтів у краніальному відділі пластини та зубців краніального і каудального відділів конструкції, власне в конструкції, а зменшення величини напруження Мізеса — на коренях дуг хребця СV. За ДК збільшуються величини напруження Мізеса в зоні коренів дуг хребця СV, перифокальній кістковій тканині в ділянці гвинтів у каудальному відділі пластини та зубців центрального відділу конструкції, а зменшуються вони у конструкції та відновленій міжтіловій опорі.Висновок: підтверджено явище екранування навантаження за умов використання РК та виявлено оптимальніший розподіл навантаження у біомеханічній системі «хребтові рухові сегменти – імплантати» в разі застосування ДК.