Возможности персонализированного конечно-элементного сегментарного анализа шейного отдела позвоночника для прогнозирования течения дорсопатии

Введение. Применение методов математического моделирования в клинической практике позволяет идентифицировать патогенетические формы дорсопатий и тем самым обоснованно использовать концепцию таргетного лечения при ведении пациентов данной категории.

Цель – оценить возможности конечно-элементного сегментарного анализа шейного отдела позвоночника для персонализированного лечения и прогнозирования течения дорсопатий.

Материалы и методы. На основании сочетанных данных компьютерной и магнитно-резонансной томографии пациента (женщина 1951 года рождения) генерировалась модель сегмента C5 – C7, включающая позвонки C5, C6, C7, межпозвонковые диски, переднюю и заднюю продольные связки, две пары фасеточных суставов, спинной мозг, выйную связку. Средствами компьютерного моделирования и методом конечных элементов проводился анализ напряженно-деформированного состояния шейного отдела позвоночника пациента с дегенеративно-дистрофическими изменениями в сегментах C2 – C7. В программном обеспечении Abaqus/CAE 6.14 проводился конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния C5 – C7 в состоянии флексии, ротации и компрессии. Полученные при компрессии данные для нормы сравнивались с ранее проведенными экспериментами in silico и in vitro.

Результаты. Для каждого состояния получены эпюры напряжений и перемещений, кривые «нагрузка – перемещение», профили напряжений в межпозвонковых дисках. Осевая подвижность сегмента при компрессионной нагрузке ниже в  два раза в сравнении с нормой при тех же граничных условиях и моделях материалов. Исследована степень вовлеченности спинного мозга в конфликты с окружающими его анатомическими структурами. При повороте модели вправо наблюдались конфликты корешков спинного мозга с костными структурами позвонков в фораминальных зонах, а также на уровне дисков С5 – С6 и  С6 – С7 с левыми заднебоковыми поверхностями фиброзных колец. При повороте модели влево наблюдались конфликты спинного мозга во всех фораминальных зонах, а также на уровне диска С6 – С7 с левыми заднебоковыми поверхностями фиброзных колец. На основании данных о напряжениях в исследуемом сегменте прогнозировалось дальнейшее развитие дорсопатий и дегенеративных изменений в шейном отделе позвоночника.

Выводы. Использование конечно-элементного сегментарного анализа шейного отдела позвоночника создает объективные предпосылки для формирования комбинированного персонализированного лечения и прогнозирования течения дорсопатий.

1. Safiri S., Kolahi A.A., Hoy D., Buchbinder R., Mansournia M.A., Bettampadi D. et al. Global, regional, and national burden of neck pain in the general population, 1990–2017: systematic analysis of the Global Burden of Disease Study 2017. BMJ. 2020;368:m791. https://doi.org/10.1136/bmj.m791.

2. Sun M.S., Cai X.Y., Liu Q., Du C.F., Mo Z.J. Application of Simulation Methods in Cervical Spine Dynamics. J Healthc Eng. 2020:7289648. https://doi.org/10.1155/2020/7289648.

3. Guo R., Zhou C., Wang C., Tsai T.Y., Yu Y., Wang W. et al. In vivo primary and coupled segmental motions of the healthy female head-neck complex during dynamic head axial rotation. J Biomech. 2021;123:110513. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2021.110513.

4. Whyte T., Melnyk A.D., Van Toen C., Yamamoto S., Street J., Oxland T.R., Cripton P.A. A neck compression injury criterion incorporating lateral eccentricity. Sci Rep. 2020;10(1):7114. https://doi.org/10.1038/s41598-020-63974-w.

5. Ivancic P.C. Facet joint and disc kinematics during simulated rear crashes with active injury prevention systems. Spine (Phila Pa 1976). 2011;36(18):E1215–1224. https://doi.org/10.1097/BRS.0b013e31820545b1.

6. Ghaderi F., Javanshir K., Jafarabadi M.A., Moghadam A.N., Arab A.M. Chronic neck pain and muscle activation characteristics of the shoulder complex. J Bodyw Mov Ther. 2019;23(4):913–917. https://doi.org/10.1016/j.jbmt.2019.02.019.

7. Fice J.B., Siegmund G.P., Blouin J.S. Neck muscle biomechanics and neural control. J Neurophysiol. 2018;120(1):361–371. https://doi.org/10.1152/jn.00512.2017.

8. Corrales M.A., Cronin D.S. Importance of the cervical capsular joint cartilage geometry on head and facet joint kinematics assessed in a Finite element neck model. J Biomech. 2021;123:110528. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2021.110528.

9. Corrales M.A., Cronin D.S. Sex, Age and Stature Affects Neck Biomechanical Responses in Frontal and Rear Impacts Assessed Using Finite Element Head and Neck Models. Front Bioeng Biotechnol. 2021;9:681134. https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.681134.

10. Ke W., Chen C., Wang B., Hua W., Lu S., Song Y. et al. Biomechanical Evaluation of Different Surgical Approaches for the Treatment of Adjacent Segment Diseases After Primary Anterior Cervical Discectomy and Fusion: A Finite Element Analysis. Front Bioeng Biotechnol. 2021;9:718996. https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.718996.

11. Nishida N., Kanchiku T., Kato Y., Imajo Y., Yoshida Y., Kawano S., Taguchi T. Biomechanical analysis of cervical myelopathy due to ossification of the posterior longitudinal ligament: Effects of posterior decompression and kyphosis following decompression. Exp Ther Med. 2014;7(5):1095–1099. https://doi.org/10.3892/etm.2014.1557.

12. Okazaki T., Kanchiku T., Nishida N., Ichihara K., Sakuramoto I., Ohgi J. et al. Age-related changes of the spinal cord: A biomechanical study. Exp Ther Med. 2018;15(3):2824–2829. https://doi.org/10.3892/etm.2018.5796.

13. Fradet L., Wang X., Lenke L.G., Aubin C.E. Biomechanical analysis of proximal junctional failure following adult spinal instrumentation using a comprehensive hybrid modeling approach. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2016;39:122–128. https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2016.10.008.

14. Mengoni M. Biomechanical modelling of the facet joints: a review of methods and validation processes in finite element analysis. Biomech Model Mechanobiol. 2021;20(2):389–401. https://doi.org/10.1007/s10237-020-01403-7.

15. Rong X., Wang B., Ding C., Deng Y., Chen H., Meng Y. et al. The biomechanical impact of facet tropism on the intervertebral disc and facet joints in the cervical spine. Spine J. 2017;17(12):1926–1931. https://doi.org/10.1016/j.spinee.2017.07.009.

16. Fakhoury J., Dowling T.J. Cervical Degenerative Disc Disease. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2022. Available at: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK560772/.

17. Jaumard N.V., Welch W.C., Winkelstein B.A. Spinal facet joint biomechanics and mechanotransduction in normal, injury and degenerative conditions. J Biomech Eng. 2011;133(7):071010. https://doi.org/10.1115/1.4004493.

18. Kitahama Y., Ohashi H., Namba H., Sakai K., Shizuka H., Miyake H. Finite element method for nerve root decompression in minimally invasive endoscopic spinal surgery. Asian J Endosc Surg. 2021;14(3):628–635. https://doi.org/10.1111/ases.12879.

19. Naoum S., Vasiliadis A.V., Koutserimpas C., Mylonakis N., Kotsapas M., Katakalos K. Finite Element Method for the Evaluation of the Human Spine: A Literature Overview. J Funct Biomater. 2021;12(3):43. https://doi.org/10.3390/jfb12030043.

20. Ovsepyan A.L., Smirnov A.A., Pustozerov E.A., Mokhov D.E., Mokhova E.S., Trunin E.M. et al. Biomechanical analysis of the cervical spine segment as a method for studying the functional and dynamic anatomy of the human neck. Ann Anat. 2022;240:151856. https://doi.org/10.1016/j.aanat.2021.151856.

21. Доль А.В., Доль Е.С., Иванов Д.В. Биомеханическое моделирование вариантов хирургического реконструктивного лечения спондилолистеза позвоночника на уровне L4–L5. Российский журнал биомеханики. 2018;22(1):31–44. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36335567.

22. Agarwal A., Agarwal A., Goel V. The endplate morphology changes with change in biomechanical environment following discectomy. Int J Clin Exp Med. 2013;4(7A):8–17. https://doi.org/10.4236/ijcm.2013.47A1002.

23. Mengoni M. Biomechanical modelling of the facet joints: a review of methods and validation processes in finite element analysis. Biomech Model Mechanobiol. 2021;20(2):389–401. https://doi.org/10.1007/s10237-020-01403-7.

24. Яковлев Е.В., Смирнов А.А., Живолупов С.А., Гневышев Е.Н., Мохова Е.С., Тероева Ю.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):32–44. https://doi.org/10.17116/operhirurg2022602132.

25. Yakovlev E.V., Ovsepyan A.L., Smirnov A.A., Safronova A.A., Starchik D.A., Zhivolupov S.A. et al. Reproducing morphological features of intervertebral disc using finite element modeling to predict the course of cervical spine dorsopathy. Russian Open Medical Journal. 2022;11:e0118. Available at: https://romj.org/2022-0118.

26. Shea M., Edwards W.T., White A.A., Hayes W.C. Variations of stiffness and strength along the human cervical spine. J Biomech. 1991;24(2):95–107. https://doi.org/10.1016/0021-9290(91)90354-p.

27. Diotalevi L., Bailly N., Wagnac É., Mac-Thiong J.M., Goulet J., Petit Y. Dynamics of spinal cord compression with different patterns of thoracolumbar burst fractures: Numerical simulations using finite element modelling. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2020;72:186–194. https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2019.12.023.

28. Stoner K.E., Abode-Iyamah K.O., Fredericks D.C., Viljoen S., Howard M.A., Grosland N.M. A comprehensive finite element model of surgical treatment for cervical myelopathy. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2020;74:79–86. https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2020.02.009.

29. Yang S., Qu L., Yuan L., Niu J., Song D., Yang H., Zou J. Finite Element Analysis of Spinal Cord Stress in a Single Segment Cervical Spondylotic Myelopathy. Front Surg. 2022;9:849096. https://doi.org/10.3389/fsurg.2022.849096.

30. Kitahama Y., Ohashi H., Namba H., Sakai K., Shizuka H., Miyake H. Finite element method for nerve root decompression in minimally invasive endoscopic spinal surgery. Asian J Endosc Surg. 2021;14(3):628–635. https://doi.org/10.1111/ases.12879.