Моделирование механического поведения спинного диска при различных условиях загрузки
Механическое поведение спинного диска имеет основополагающее значение для понимания здоровья позвоночника, диагностики заболеваний спины и разработки эффективных методов лечения. За последние два десятилетия вычислительное моделирование - особенно анализ конечных элементов (FEA) - стало незаменимым инструментом для исследователей, стремящихся предсказать, как межпозвоночные диски реагируют на сложные, реальные условия нагрузки. Предоставляя неинвазивное окно во внутренние стрессы, штаммы и потоки жидкости, которые происходят в диске, эти модели помогают объяснить механизмы травмы, направлять проектирование имплантата и совершенствовать хирургические и реабилитационные протоколы. Эта статья расширяет основные концепции, представленные в первоначальном обзоре, погружаясь глубже в анатомию диска, сценарии загрузки, передовые методы моделирования, ключевые результаты и новые направления исследований.
Анатомия и функция межпозвоночного диска
Межпозвоночный диск представляет собой специализированный фиброкартилагиновый сустав, который находится между смежными телами позвонков в позвоночнике. Его основные роли заключаются в том, чтобы выдерживать и распределять осевые нагрузки, разрешать ограниченное движение (сгибание, расширение, боковое изгибание и вращение) и поглощать шок во время повседневной деятельности, такой как ходьба, подъем и прыжки. Здоровый диск состоит из трех отдельных, но интегрированных областей: пульпоз ядра, фиброзного аннулуса и хрящевых эндплит.
Ядро Пульпоз
Ядро пульпоза представляет собой гидратированное гелеобразное ядро, занимающее центральную часть диска. В молодом здоровом диске оно содержит примерно 70-90% воды по весу, наряду с протеогликанами (в основном аггреканом), волокнами коллагена II типа и эластином. Это высокое содержание воды делает ядро по существу несжимаемой жидкостью, которая оказывает давление при сжатии, позволяя ему противостоять вертикальным силам и распределять давление радиально по отношению к окружающему аннулусу. Ядро также проявляет вязкоупругое поведение: при устойчивой нагрузке оно теряет жидкость (ползучесть), а при разгрузке оно регидратирует (восстановление). Это взаимодействие между потоком жидкости и твердой матрицей имеет решающее значение для механики диска.
Аннул Фиброз
Аннулус фиброз образует жесткое внешнее кольцо диска. Он состоит из 15-25 концентрических ламелл, каждая из которых состоит в основном из коллагеновых волокон типа I, ориентированных под переменными углами (приблизительно ±30° к горизонтали). Эта ламелярная структура придает аннулусу исключительную устойчивость к растяжению и торсионным напряжениям. Аннулус имеет двойную роль: он содержит ядро под давлением и обеспечивает структурную стабильность спинномозгового сегмента. Внутренний аннулус постепенно переходит к более фиброкартилагинному составу, подобному ядру, в то время как внешний аннулус плотнее и более фиброзный. Слезы или трещины в аннулусе могут привести к грыже диска, где ядерный материал выступает наружу и может ударяться о нервные корни.
Хрящевые эндплиты
Хрящевые эндплиты представляют собой тонкие слои гиалинового хряща, которые покрывают верхние и нижние поверхности диска, отделяя его от тел позвонков. Они служат проницаемым интерфейсом для обмена питательными веществами посредством диффузии из кровоснабжения позвонков — процесс, необходимый для здоровья диска, потому что зрелый диск является аваскулярным. Эндплиты также играют механическую роль: они равномерно распределяют сжимающие нагрузки по диску и помогают предотвратить экструдирование ядра в позвонки. Кальцификация или повреждение эндплит может нарушить транспорт питания и ускорить дегенерацию диска.
Виды условий загрузки на спинальный диск
Позвоночник подвергается широкому разнообразию механических нагрузок в повседневной жизни. Для точного моделирования поведения диска исследователи рассматривают несколько фундаментальных режимов нагрузки, часто сочетающихся для воссоздания реалистичных условий in vivo. Ниже приводится расширенное обсуждение основных типов нагрузки.
Сжатие
Осевое сжатие возникает из таких действий, как стояние, сидение и подъем. Во время сжатия ядро пульпоза оказывает давление, генерируя гидростатическое давление, которое выталкивается наружу против нитей аннулуса. Затем аннулус испытывает напряжение в окружном (обходном) направлении. В здоровом диске распределение давления относительно равномерно, но дегенерация изменяет это соотношение. Сжимающие нагрузки 500-1000 Н типичны для поясничного отдела позвоночника во время световых действий, но пиковые нагрузки во время тяжелого подъема могут превышать 3000 Н. Моделирование показывает, что жесткость сжатия сильно зависит от целостности торцевых пластин и от содержания воды в ядре.
Торсион (осевое вращение)
Торсион возникает, когда позвоночник скручивается — например, во время качания в гольфе или при вращении туловища. Поскольку коллагеновые волокна диска уже находятся под напряжением от давления ядра, дополнительные кручительные нагрузки заставляют кольцевые ламелы растягиваться с одной стороны и сжиматься с другой. Угол волокна (≈30°) оптимизирован для сопротивления этим скручивающимся моментам. Однако избыточное или повторяющееся кручение является известным фактором риска кольцевых слез: моделирование показывает, что пиковые напряжения концентрируются в постеролатеральной области аннулуса, которая также является наиболее распространенным местом грыжи диска. Дегенерированные диски показывают уменьшенную жесткость кручения и измененное распределение напряжения, предрасполагая их к дальнейшему повреждению.
Сгибание и расширение
Форвардный изгиб (сгибание) и обратный изгиб (расширение) являются фундаментальными спинномозговыми движениями. Во время сгибания передняя часть диска сжимается, а задняя область находится в напряжении. Эта асимметричная картина напряжения может толкать ядро пульпоз задней. Со временем, как полагают, повторяющаяся нагрузка на сгибание способствует дегенерации диска и задней кольцевой недостаточности. И наоборот, во время расширения задний аннулус сжимается, а передний аннулус напряжен. Циклы сгибания-расширения часто включают комбинацию момента сгибания и осевого сжатия, что делает их более сложными для имитации. Для точного захвата этих условий нагрузки необходимы модели конечных элементов, которые включают реалистичные силы связок и фасетные взаимодействия.
Погрузка сдвига
Силы сдвига действуют параллельно плоскости диска, заставляя соседние позвонки скользить относительно друг друга. Передний-задний сдвиг происходит во время движений, таких как передний легкий или подъем с закругленной спиной; боковой сдвиг происходит во время бокового сгибания. Сковывающая жесткость диска значительно ниже, чем его сжимающая жесткость, что делает его уязвимым для травм при высоких нагрузках на сдвига, особенно в сочетании с спинальным сгибанием. Многие травмы ручной работы являются результатом комбинации сжатия, сгибания и сдвига. Недавние исследования моделирования показали, что сдвига может вызвать большие деформации в границе ядра-аннулуса, потенциально инициируя расслоение между кольцевыми ламеллами.
Комбинированная погрузка
В Vivo загрузка почти всегда многоосная. Например, подъем коробки с пола включает сжатие (от веса объекта и верхней части тела), сгибание (сгибание вперед) и сдвиг (наклон вперед). Расширенные модели включают эти комбинированные условия путем применения одновременных векторов силы и момента. Такие анализы показали, что комбинированная загрузка создает концентрации напряжений и структуры потока жидкости, которые не предсказуемы только из отдельных режимов загрузки. Эти модели имеют решающее значение для оценки порогов отказа диска и для разработки эргономических вмешательств.
Методы моделирования: анализ конечных элементов в деталях
Анализ конечных элементов (FEA) остается наиболее широко используемым вычислительным методом для изучения механики дисков. Техника дискретизирует геометрию диска на тысячи или миллионы мелких элементов, каждому из которых присвоены конкретные свойства материала. Решая наборы уравнений частных дифференциалов, FEA предсказывает смещение, напряжение, напряжение и давление жидкости по всей модели при приложенных нагрузках. Ниже мы рассмотрим ключевые компоненты надежной модели диска FEA.
Геометрия и сетчатая генерация
Точная геометрия необходима для реалистичного моделирования. Ранние модели использовали идеализированные симметричные формы (например, эллипсовидные диски), но современные модели часто получают специфические для пациента геометрии из магнитно-резонансной томографии (МРТ) или компьютерной томографии (КТ) сканирования. Ядро и аннулус обычно представлены в виде отдельных объемов, а аннулус дополнительно подразделяется на несколько ламелл для захвата ориентации волокна. Плотность сетки должна быть достаточной для разрешения градиентов напряжения, особенно вблизи эндплит и в постеролатеральном аннулусе, где часто начинается сбой. Некоторые модели также включают соседние позвонки (кортикальная кость, канцельная кость и эндплиты) и связки (передняя продольная, задняя продольная, межспинная и т. Д. Типичная модель конечного элемента поясничного диска может содержать 100 000-500 000 элементов, в зависимости от сложности).
Свойства материала
Диск проявляет сложное, нелинейное и анизотропное поведение материала. Ядро часто моделируется как почти несжимаемый, гиперэластичный материал (например, с использованием функции энергии напряжения Муни-Ривлина или Огдена) в сочетании с пороэластичностью потока жидкости. Аннулус моделируется как армированный волокнами композит: основное вещество является гиперэластичным, а коллагеновые волокна представлены как пружины только для натяжения или как встроенный арматричный усиливающий слой. Волокнам дается начальная обжимка (нарастание), которая разворачивается по мере увеличения напряжения, что приводит к нелинейному напряжению-деформации. Конечные пластины часто идеализируются как линейно-упругие материалы с различными свойствами для хрящевых и костных компонентов.
Параметры материала обычно выводятся из экспериментальных исследований тканей трупов человека. Ключевые ссылки включают: Ширази-Адл и др. (1986), Шмидт и др. (2006) и О'Коннелл и др. (2012). Эти работы обеспечивают базовые значения жесткости коллагеновых волокон, протеогликанового осмотического давления и коэффициентов проницаемости.
Условия границы и погрузки
Граничные условия должны воспроизводить физиологическую среду. Как правило, нижняя конечность нижнего позвонка полностью фиксирована, в то время как нагрузки и/или смещения применяются к верхней конечной пластине верхнего позвонка. Загрузка может применяться как сила (контролируемая нагрузка) или как смещение (контролируемая жесткость). Для имитации физиологического движения часто накладываются последующие нагрузки, которые примерно соответствуют силе сжатия, создаваемой мышцами ствола. Это помогает поддерживать стабильность позвоночника при сжатии. Для динамической нагрузки (например, циклы походки или задачи подъема) нагрузки применяются как функции времени, и модели могут включать инерционные эффекты.
Проверка и проверка
Модель полезна только в том случае, если она точно воспроизводит известные экспериментальные или клинические наблюдения. Валидация обычно включает сравнение прогнозируемого выпуклости диска, внутридискового давления, сегментарного диапазона движения и моделей отказа с опубликованными данными in vitro. Например, валидированная модель должна показать, что при сжатии 1000 Н внутридисковое давление в поясничном диске L4-L5 составляет примерно 0,5-0,7 МПа, что согласуется с Wilke et al. (1992). Верификация гарантирует, что численное решение является точным и независимым от сетки. Без строгой проверки результаты моделирования могут вводить в заблуждение.
Ключевые выводы из симуляций
Десятилетия исследований FEA дали богатый объем знаний о механике дисков. Ниже приведены расширенные ключевые выводы, которые выходят за рамки пунктов из оригинальной статьи.
Сжатая погрузка: Жидкое и твердое фазовое взаимодействие
При чистом сжатии ядро давит, вызывая выпуклость аннулуса радиально. Этот выпуклость максимальна в средней поперечной плоскости диска. Волокна аннулуса постепенно выпрямляются, а затем растягиваются, неся большую часть напряжения растягивающего обруча. Пороэластические модели показывают, что при устойчивом постоянном сжатии жидкость испускает из ядра через эндплиты и аннулус, вызывая постепенное снижение высоты диска (ползучесть). При снятии нагрузки жидкость впитывает обратно, восстанавливая высоту. Эти зависящие от времени эффекты имеют решающее значение для понимания дегенерации диска: дегенерированные диски имеют более низкое содержание протеогликанов, пониженное давление и большую тенденцию к выпуклости диффузно. Моделирование также выявило, что проницаемость эндплит играет доминирующую роль в скорости ползучести — если эндплиты становятся кальцинированными (как при старении), обмен жидкостью затруднен, что ставит под угрозу питание диска и механическую функцию.
Торсион: кольцевая клетчатка и риск слезы
Торсиональная нагрузка производит самые высокие напряжения в аннулусном фиброзе, особенно в постеролатеральной области. Волокна на стороне, противоположной направлению вращения (сторона натяжения) становятся сильно растянутыми, в то время как волокна на той же стороне (сторона сжатия) могут пристегнуть. Повторное кручение может привести к обхватному расслоению - разделению между соседними ламеллами. Модели конечных элементов, которые включают критерии прогрессирующего повреждения, предсказали, что одно событие кручения > 20 ° вращения в дегенерированном диске может инициировать слезы. Эти результаты согласуются с клиническими наблюдениями, что кручение является основным фактором риска грыжи диска у спортсменов и ручных рабочих. Недавние работы Томпсон и др. (2015) продемонстрировали, что симулированная дегенерация диска увеличивает концентрацию кручения на 40%.
Сгибание и расширение: асимметричный стресс и риск задней протрузии
Во время сгибания передний аннулус сжимается, в то время как задний аннулус напряжен. Ядро мигрирует задним ходом, и если задний аннулус ослаблен или дегенерируется, это может привести к заднему выпуклости диска или грыже. Моделирование показало, что пиковое напряжение в заднем проходе при комбинированном сгибании-сжатии может превышать порог отказа ткани при 50-70% диапазона движения сегмента движения в вырожденном диске. В расширении задний аннулус сжимается и передний аннулус напряжен; это может усугубить передние кольцевые слезы, но реже связано с грыжей. Многие современные исследования FEA также включают фасеточные суставы, которые несут до 20% сжимающей нагрузки в расширении и помогают ограничить торсионное движение. Контактные силы Facet увеличиваются при расширении, изменяя распределение нагрузки внутри диска.
Уязвимость интерфейса Nucleus-Annulus
Нагрузка сдвига, особенно в сочетании с осевым сжатием, вызывает сдвига напряжения на границе между ядром и внутренним аннулусом. Эта область является естественной плоскостью слабости, и там может начаться расслоение. Параметрические исследования показали, что сужение высоты диска - отличительная черта дегенерации - еще больше повышает напряжения сдвига. Кроме того, ориентация кольцевых волокон относительно направления сдвига имеет значение: волокна, выровненные с направлением сдвига, несут больше нагрузки, в то время как эти перекрестные переживания пристегиваются. Эти идеи имеют значение для понимания прогрессирования кольцевых трещин и для разработки стратегий усиления аннулопластики.
Применение и клинические последствия
Конечная цель моделирования механического поведения дисков - улучшить результаты лечения пациентов. Здесь мы выделяем ключевые приложения в проектировании устройств, хирургическом планировании и реабилитации.
Дизайн замены диска Total Disc
Появление имплантатов полной замены диска (TDR) (например, Charité, ProDisc, M6) стимулировало использование FEA для оценки того, как эти устройства влияют на перенос нагрузки на соседние позвонки и задние элементы. Моделирование было использовано для оптимизации несущих поверхностей имплантата, материалов (кобальто-хром, ультра-высокомолекулярный полиэтилен) и геометрии киля / стем. Хорошо спроектированный TDR должен восстанавливать почти физиологическое сегментарное движение и внутридисциплиновое давление, тем самым снижая риск заболевания смежного сегмента. Например, исследования FEA показали, что чрезмерный размер имплантата или размещение его слишком задом наперед может вызвать гранечную перегрузку и гипермобильность. Эти идеи непосредственно повлияли на хирургические рекомендации.
Реабилитация и эргономика
Симулируя различия между здоровым и вырожденным диском в различных моделях активности, исследователи могут определить, какие движения налагают наибольший риск. Эти знания информируют протоколы реабилитации: например, упражнения, которые производят высокие кручальные нагрузки или глубокую сгибание, могут быть противопоказаны пациентам с ранней дегенерацией диска. Аналогичным образом, эргономический анализ методов подъема (стооп против приседания) был выполнен с использованием FEA, показывая, что приземистый подъем снижает нагрузку на поясничные диски примерно на 25% по сравнению с подъемом наклона. Эти результаты были использованы для обновления рекомендаций по безопасности на рабочем месте.
Прогрессивное вырождение и биологическая интеграция
Текущие исследования движутся в направлении многомасштабных и мультифизических моделей, которые включают не только механическую нагрузку, но и биологию: клеточный матричный оборот, диффузия питательных веществ и осмотическое отеки. Эти «механобиологические» модели могут имитировать, как измененная нагрузка, например, вызванная сидячим образом жизни или ожирением, может вызвать каскад клеточных реакций, приводящих к дегенерации диска в течение многих лет или десятилетий. Такие модели обещают выявить «опасные» профили загрузки задолго до появления клинических симптомов, что позволяет раннее вмешательство. Кроме того, они могут быть использованы для прогнозирования результатов биологических методов лечения, таких как инъекции фактора роста (например, BMP-7) или клеточная терапия, имитируя, как восстановленное производство протеогликана влияет на механику диска.
Будущие направления и вызовы
Несмотря на впечатляющие достижения, моделирование спинномозгового диска еще не является обычным клиническим инструментом. Во-первых, получение свойств материала для конкретного пациента по-прежнему затруднено - большинство моделей полагаются на агрегированные трупные данные, которые могут не отражать точное состояние ткани человека. Во-вторых, включение зависящих от времени биологических изменений (например, обезвоживание диска с возрастом) в прогностические модели является постоянным рубежом исследований. В-третьих, вычислительная стоимость высокоточных мультифизических моделей (в сочетании с пороэластикой, вязкоупругой и осмо-охотой поведение) может быть непомерно высокой для крупномасштабного клинического использования. Тем не менее, тенденция к моделированию с помощью машинного обучения (например, суррогаты нейронной сети для FEA) и растущая доступность данных клинической визуализации ускоряют прогресс. С продолжающейся валидации и интеграции измерений in vivo (таких как внутридисциплинальные датчики давления), моделирование механики диска готово стать стандартным компонентом персонализированной помощи позвоночнику в предстоящем десятилетии.
Заключение
Механическое поведение спинномозгового диска в различных условиях нагрузки является богатой и клинически важной областью биомеханических исследований. Благодаря подробным симуляциям FEA, основанным на анатомии диска, свойствах материала и физиологических моделях нагрузки, исследователи получили глубокое понимание компрессии, кручения, сгибания-растяжения, сдвига и комбинированной загрузки. Эти модели выявили распределение стресса, механизмы отказа и прогрессирование дегенерации диска. Эти знания уже применяются для улучшения конструкций имплантатов, хирургических методов и эргономических рекомендаций. По мере того, как вычислительные и визуализационные технологии продолжают развиваться, моделирование будет играть все более центральную роль в понимании здоровья позвоночника и в разработке целевых, специфических для пациента вмешательств для расстройств, связанных с дисками.
Для дальнейшего чтения см. Nerurkar et al. (2010) на механике аннулусного фиброза, Vergroesen et al. (2015) на дегенерации диска и питании, и Schmidt et al. (2014) для всестороннего обзора моделирования конечных элементов поясничного отдела позвоночника.