В настоящее время математический анализ и трёхмерное моделирование являются новыми перспективными способами получения дополнительной информации, с помощью которых исследователь имеет возможность виртуально наблюдать и моделировать сложные биомеханические явления. Вопросы динамической анатомии шеи, а также биомеханических характеристик отдельных её структур составляют значительный практический и теоретический интерес для многих областей медицины.
Цель исследования: разработка виртуальной динамической модели шеи человека и на её основе воспроизведение динамических процессов с использованием метода конечных элементов.
Материалы и методы: Изучена биомеханика физиологических процессов шейного отдела позвоночника с применением МРТ. Генерация сетки конечных элементов и контактные взаимодействия выполнялись с использованием программного обеспечения HyperMesh. Конечно-элементный анализ был выполнен с использованием программного обеспечения Abaqus CAE 6.14.
Проведен ретроспективный анализ результатов 124 высококачественных МРТ исследований (40 мужчин и 84 женщины). В базу данных включены исследования, которые подходили под параметры включения и исключения. Статистическую обработку проводили с помощью программы MS Excel 2019 в надстройке «Анализ данных». Параметрические показатели проверяли на нормальное распределение в функции «описательной статистики», затем рассчитывали достоверность различия показателей с помощью двухстороннего критерия Стьюдента. Для оценки непараметрических показателей использовали χ2 -Пирсона с построением таблиц сопряженности. Для изучения зависимости значения tg α от возраста пациентов при наличии или отсутствием выпячиваний МПД применили дисперсионный анализ различий в более чем двух группах с применением метода одностороннего ANOVA.
Результаты: Разработана методика создания виртуальной динамической модели шеи. Результаты конечно-элементного анализа сегмента С3-С5 при осевой нагрузке были сопоставлены с данными in vitro.
Заключение: Результаты моделирования с использованием предложенной методики хорошо согласуются с экспериментальными данными. Сгенерированные биомеханические модели позволяют описывать динамические явления в шейном отделе позвоночника и получать широкий спектр количественных свойств объектов.
Цель исследования: разработка виртуальной динамической модели шеи человека и на её основе воспроизведение динамических процессов с использованием метода конечных элементов.
Материалы и методы: Изучена биомеханика физиологических процессов шейного отдела позвоночника с применением МРТ. Генерация сетки конечных элементов и контактные взаимодействия выполнялись с использованием программного обеспечения HyperMesh. Конечно-элементный анализ был выполнен с использованием программного обеспечения Abaqus CAE 6.14.
Проведен ретроспективный анализ результатов 124 высококачественных МРТ исследований (40 мужчин и 84 женщины). В базу данных включены исследования, которые подходили под параметры включения и исключения. Статистическую обработку проводили с помощью программы MS Excel 2019 в надстройке «Анализ данных». Параметрические показатели проверяли на нормальное распределение в функции «описательной статистики», затем рассчитывали достоверность различия показателей с помощью двухстороннего критерия Стьюдента. Для оценки непараметрических показателей использовали χ2 -Пирсона с построением таблиц сопряженности. Для изучения зависимости значения tg α от возраста пациентов при наличии или отсутствием выпячиваний МПД применили дисперсионный анализ различий в более чем двух группах с применением метода одностороннего ANOVA.
Результаты: Разработана методика создания виртуальной динамической модели шеи. Результаты конечно-элементного анализа сегмента С3-С5 при осевой нагрузке были сопоставлены с данными in vitro.
Заключение: Результаты моделирования с использованием предложенной методики хорошо согласуются с экспериментальными данными. Сгенерированные биомеханические модели позволяют описывать динамические явления в шейном отделе позвоночника и получать широкий спектр количественных свойств объектов.
Литература
1. Ovsepyan AL, Smirnov AA, Pustozerov EA, Mokhov DE, Mokhova ES, Trunin EM, Dydykin SS, Vasil’ev YuL, Yakovlev EV, Budday S, Paulsen F, Zhivolupov SA, Starchik DA, Biomechanical analysis of the cervical spine segment as a method for studying the functional and dynamic anatomy of the human neck. Annals of Anatomy – Anatomischer Anzeiger. 2022; 240: 151856. doi: 10.1016/j.aanat.2021.151856.
2. Смирнов А.А., Овсепьян А.Л., Квиндт П.А. и др. Конечно-элементный анализ при моделировании структур сердца и аорты // Альманах клинической медицины. – 2021. – №49(6). – С.375-384. doi: 10.18786/2072-0505-2021-49-043.
3. Мохов Д.Е., Беляев А.Ф., Азаренков М.Д. и др. Остеопатическая диагностика соматических дисфункций в педиатрии: клинические рекомендации. СПб.: Невский ракурс, 2015. – 60 с.
4. Liem TA. T. Still’s Osteopathic Lesion Theory and Evidence-Based Models Supporting the Emerged Concept of Somatic Dysfunction. J Am Osteopath Assoc. 2016; 116(10): 654-661. doi: 10.7556/jaoa.2016.129.
5. Wagner F.M. Somatic dysfunction of the cervical spine and its complex clinical picture: The fundamentals of diagnostics of cervicobrachialgia and cervicocephalic syndrome through manual medicine. Orthopade. 2022; 51(4): 263-273. doi: 10.1007/s00132-022-04227-8.
6. Мохова Е.С., Мохов Д.Е., Яковлев Е.В. и др. Топографо-анатомический анализ и конечно-элементное моделирование динамических и биомеханических закономерностей смещения мышечно-фасциальных футляров шеи // Медицинский совет. – 2023. – Т.17. – №6. – С.330-344. doi: 10.21518/ms2023-061.
7. Патент РФ №2795175 C1. Способ оценки риска возникновения грыжевых выпячиваний межпозвонковых дисков С4-С5, С5-С6 и С6-С7 шейного отдела позвоночника: №2022118552: заявл. 06.07.2022: опубл. 28.04.2023 / Е.В. Яковлев, А.А. Смирнов, С.А. Живолупов и др.
8. Яковлев Е.В., Смирнов А.А., Живолупов С.А. и др. Анатомическая оценка изолированного влияния биомеханических факторов на процесс формирования смещений дискового материала за пределы пространства межпозвонковых дисков шейного отдела позвоночника в структуре дорсопатий // Оперативная хирургия и клиническая анатомия. – 2022. – №6(2). – С.32-44. doi: 10.17116/operhirurg2022602132.
9. Suzuki A, Daubs MD, Hayashi T, et al. Magnetic Resonance Classification System of Cervical Intervertebral Disk Degeneration: Its Validity and Meaning. Clin Spine Surg. 2017; 30(5): 547-553. doi: 10.1097/bsd.0000000000000172.
10. Hu X, Chen M, Pan J, Liang L, Wang Y. Is it appropriate to measure age-related lumbar disc degeneration on the mid-sagittal MR image? A quantitative image study. Eur Spine J. 2018; 27(5): 1073-1081. doi: 10.1007/s00586-017-5357-3.
11. Кузьмин А.И., Кон И.И., Беленький В.Е. Сколиоз, М., 1981.
12. Старчик Д.А., Акопов А.Л. Атлас распилов человеческого тела: Учебное пособие. – СПб.: ММЦ, 2020. – 172 с.
13. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2024611176 РФ. Программа для биомеханической оценки риска возникновения парамедианных выпячиваний межпозвонковых дисков на основе данных МРТ «ALPHATANG 1.0»: №2023689232. заявл. 25.12.2023. опубл. 18.01.2024. А.А. Смирнов, Е.С. Мохова, А.В. Колсанов и др.
14. Shea M, et al. Variations of stiffness and strength along the human cervical spine. Journal of biomechanics. 1991; 24(2): 95-107.
15. Amirouche F, et al. Role of posterior elements in the disc bulging of a degenerated cervical spine. International journal of spine surgery. 2015; 9.
16. Колсанов А.В., Зельтер П.М., Хобта Р.В. и др. Первые результаты применения интраоперационной навигации на основе данных КТ и МРТ у пациента с опухолью межжелудочковой перегородки // Российский электронный журнал лучевой диагностики. – 2020. – Т.10. – №4. – С.271-276. doi: 10.21569/2222-7415-2020-10-4-271-276.
17. Колсанов А.В., Линева О.И., Иванова В.Д. Разработка и внедрение российских симуляционных и виртуальных технологий в современный образовательный процесс // Акушерство и гинекология. – 2016. – №7. – С.83-87. doi: 10.18565/aig.2016.7.83-87.
18. Колсанов А.В., Манукян А.А., Зельтер П.М., Чаплыгин С.С., Капишников А.В. Виртуальное моделирование операции на печени на основе данных компьютерной томографии // Анналы хирургической гепатологии. – 2016. – №21(4). – С.16-22. doi: 10.16931/1995-5464.2016416-22.
2. Смирнов А.А., Овсепьян А.Л., Квиндт П.А. и др. Конечно-элементный анализ при моделировании структур сердца и аорты // Альманах клинической медицины. – 2021. – №49(6). – С.375-384. doi: 10.18786/2072-0505-2021-49-043.
3. Мохов Д.Е., Беляев А.Ф., Азаренков М.Д. и др. Остеопатическая диагностика соматических дисфункций в педиатрии: клинические рекомендации. СПб.: Невский ракурс, 2015. – 60 с.
4. Liem TA. T. Still’s Osteopathic Lesion Theory and Evidence-Based Models Supporting the Emerged Concept of Somatic Dysfunction. J Am Osteopath Assoc. 2016; 116(10): 654-661. doi: 10.7556/jaoa.2016.129.
5. Wagner F.M. Somatic dysfunction of the cervical spine and its complex clinical picture: The fundamentals of diagnostics of cervicobrachialgia and cervicocephalic syndrome through manual medicine. Orthopade. 2022; 51(4): 263-273. doi: 10.1007/s00132-022-04227-8.
6. Мохова Е.С., Мохов Д.Е., Яковлев Е.В. и др. Топографо-анатомический анализ и конечно-элементное моделирование динамических и биомеханических закономерностей смещения мышечно-фасциальных футляров шеи // Медицинский совет. – 2023. – Т.17. – №6. – С.330-344. doi: 10.21518/ms2023-061.
7. Патент РФ №2795175 C1. Способ оценки риска возникновения грыжевых выпячиваний межпозвонковых дисков С4-С5, С5-С6 и С6-С7 шейного отдела позвоночника: №2022118552: заявл. 06.07.2022: опубл. 28.04.2023 / Е.В. Яковлев, А.А. Смирнов, С.А. Живолупов и др.
8. Яковлев Е.В., Смирнов А.А., Живолупов С.А. и др. Анатомическая оценка изолированного влияния биомеханических факторов на процесс формирования смещений дискового материала за пределы пространства межпозвонковых дисков шейного отдела позвоночника в структуре дорсопатий // Оперативная хирургия и клиническая анатомия. – 2022. – №6(2). – С.32-44. doi: 10.17116/operhirurg2022602132.
9. Suzuki A, Daubs MD, Hayashi T, et al. Magnetic Resonance Classification System of Cervical Intervertebral Disk Degeneration: Its Validity and Meaning. Clin Spine Surg. 2017; 30(5): 547-553. doi: 10.1097/bsd.0000000000000172.
10. Hu X, Chen M, Pan J, Liang L, Wang Y. Is it appropriate to measure age-related lumbar disc degeneration on the mid-sagittal MR image? A quantitative image study. Eur Spine J. 2018; 27(5): 1073-1081. doi: 10.1007/s00586-017-5357-3.
11. Кузьмин А.И., Кон И.И., Беленький В.Е. Сколиоз, М., 1981.
12. Старчик Д.А., Акопов А.Л. Атлас распилов человеческого тела: Учебное пособие. – СПб.: ММЦ, 2020. – 172 с.
13. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2024611176 РФ. Программа для биомеханической оценки риска возникновения парамедианных выпячиваний межпозвонковых дисков на основе данных МРТ «ALPHATANG 1.0»: №2023689232. заявл. 25.12.2023. опубл. 18.01.2024. А.А. Смирнов, Е.С. Мохова, А.В. Колсанов и др.
14. Shea M, et al. Variations of stiffness and strength along the human cervical spine. Journal of biomechanics. 1991; 24(2): 95-107.
15. Amirouche F, et al. Role of posterior elements in the disc bulging of a degenerated cervical spine. International journal of spine surgery. 2015; 9.
16. Колсанов А.В., Зельтер П.М., Хобта Р.В. и др. Первые результаты применения интраоперационной навигации на основе данных КТ и МРТ у пациента с опухолью межжелудочковой перегородки // Российский электронный журнал лучевой диагностики. – 2020. – Т.10. – №4. – С.271-276. doi: 10.21569/2222-7415-2020-10-4-271-276.
17. Колсанов А.В., Линева О.И., Иванова В.Д. Разработка и внедрение российских симуляционных и виртуальных технологий в современный образовательный процесс // Акушерство и гинекология. – 2016. – №7. – С.83-87. doi: 10.18565/aig.2016.7.83-87.
18. Колсанов А.В., Манукян А.А., Зельтер П.М., Чаплыгин С.С., Капишников А.В. Виртуальное моделирование операции на печени на основе данных компьютерной томографии // Анналы хирургической гепатологии. – 2016. – №21(4). – С.16-22. doi: 10.16931/1995-5464.2016416-22.
Для цитирования
Мохова Е.С., Колсанов А.В. Компьютерное моделирование биомеханики физиологических процессов шейного отдела позвоночника. Врач и информационные технологии. 2024; 1: 60-69. doi: 10.25881/18110193_2024_1_60.
Документы
Ключевые слова