Человеческий позвоночник оптимизировался в ходе эволюционного процесса, что привело к уникальной структурной комбинации твёрдых (т. е. костей) и мягких тканей (т. е. межпозвонковых дисков, сухожилий, связок, хрящей). Позвоночник и окружающая его мускулатура обеспечивают гибкость и структурную устойчивость при нагрузках различной величины и направления в повседневной деятельности, предохраняют спинной мозг и нервные окончания от чрезмерного напряжения. Эти биологические ткани обладают сложными гетерогенными, анизотропными, нелинейными и иерархическими свойствами, что затрудняет их биомеханическую характеристику. Более того, старение, заболевания и травмы зачастую влияют на биомеханическую стабильность, приводя к переломам позвонков и/или дегенерации межпозвоночных дисков (МПД), что может вызывать боль и инвалидность. Доступны различные вмешательства для фиксации или замедления прогрессирования повреждения поражённых тканей, от фармакологического и консервативного лечения до хирургического вмешательства. Однако из-за сложности микроструктуры и свойств материала тканей, из которых состоит позвоночник, оценка прогрессирования заболевания или воздействия лечения на биомеханические свойства позвоночника не является тривиальной задачей.
Экспериментальные способы оценки, такие как визуализация посредством технологии захвата движения (MoCap — motion capture), сложная механическая нагрузка с использованием специальных многоосевых установок, анализ деформации с помощью тензодатчиков, цифровое сканирование или объёмная корреляция, использовались для характеристики биомеханических свойств позвоночника на разных уровнях измерения. Но, как оказалось, пока всем этим инновационным методам не хватает гибкости испытания одной и той же конструкции в различных условиях нагрузки.
Кроме того, внутренняя изменчивость геометрических, структурных и материальных свойств в зависимости от пола человека, возраста, размера, прогрессирования заболевания, лечения и т. д. затрудняет экспериментальную проверку всех возможных сценариев. В частности, очень сложно измерить влияние свойств микроструктурных компонентов (например, реконструированной кости, волокон в фиброзном кольце) на свойства объёмного тканевого материала. Накопление повреждений этих вязкоупругих и пороупругих тканей с возрастом или болезнью также усложняет выявление проблем при характеристике поведения их материала.
Поэтому были разработаны компьютерные модели сегментов позвоночника и всего поясничного, грудопоясничного и шейного отделов позвоночника для оценки биомеханических свойств здоровых и больных позвоночников (например, у пациентов с остеопорозом, остеоартритом, метастазами в кости, травматических переломах), а также для оптимизации лечения позвоночника. В то время как общие или специализированные вычислительные модели могут быть подвергнуты параметрическому цифровому моделированию, учёные продолжают эффективно тестировать и всесторонне изучать биомеханику позвоночника при различных условиях нагрузки. Результаты этих экспериментальных исследований остаются бесценным материалом для информирования, калибровки и проверки других цифровых моделей. На самом деле, повышение достоверности модели на основе её проверки, валидации, анализа чувствительности и количественной оценки неопределённости имеет основополагающее значение для разработки инструментов, которые в последствии можно использовать для поддержки эффективных клинических решений.
Целью этой статьи является рассмотрение нескольких уникальных исследований, которые расширяют наши знания о биомеханике позвоночника и стимулируют дискуссии по совершенствованию методов, используемых для разработки и валидации вычислительных моделей.
В четырёх исследованиях использовались многотельные динамические (MDB — multi-body dynamics) модели для оценки объёма движений, распределения нагрузки, мышечных сил и активации как грудопоясничного, так и шейного отделов позвоночника. Использовались также модели с индивидуальной геометрией для прогнозирования распределения нагрузки в здоровом поясничном отделе позвоночника в зависимости от угла лордоза. Эти исследования подтверждают более ранние предположения о том, что большие углы лордоза вызывают большую нагрузку на фасеточные суставы, но меньшую нагрузку на тела позвонков и межпозвонковые диски. Этот результат важен как для оптимизации терапевтических мер, так и для определения граничных условий для вычислительных моделей в более низких размерных масштабах, например, методов конечных элементов (FEM — Finite Element Method).
Алеми и его единомышленники (Alemi et al.) использовали инверсную кинематику, основанную на анализе движения семи здоровых участников, для оценки влияния различных кинематических ограничений на производительность многотельных динамических моделей грудопоясничного отдела позвоночника. Они пришли к выводу, что кинематические ограничения с пятью степенями свободы являются лучшим компромиссом для отслеживания измерений и обеспечения плавного движения позвоночника. Аршад со своей командой исследователей (Arshad et al.) разработали обратную динамическую модель комплекса голова-шея, включающую голову, позвонки C1-T1 и детализированные мягкие ткани (517 нелинейных волокон связок и 258 мышечных пучков).
Комплексный анализ чувствительности показал, что:
- увеличение массы сегмента приводило к увеличению нагрузки на диск и мышечной активности;
- жёсткость диска влияла только на трансляцию диска;
- при увеличении мышечной силы мышечная активность в значительной степени снижалась.
Эти результаты показывают, что эти модели можно использовать для изучения влияния заболеваний и методов лечения после соответствующей проверки модели.
Учёные из иранского медицинского Университета имени Шахида Бехешти сравнили нагрузки на позвоночник во время статической ручной обработки материалов для мужчин и женщин, используя модель динамики для всего тела. Испытуемые женского пола имели большие сжимающие и сдвигающие нагрузки при нормировании к весу тела и большие силы в косых мышцах живота, в то время как у испытуемых мужского пола были большие силы в группе мышц-разгибателей спины. Это исследование подчёркивает важность учёта специфических параметров, зависящих от пола человека.
В нескольких научных работах использовались подробные структурные модели конечных элементов (FE — Finite Element). для оценки механических свойств межпозвонкового диска (МПД), отдельного позвонка или сегментов позвоночника. Несмотря на то, что для характеристики биомеханических свойств тел позвонков и сегментов позвоночника использовалось множество моделей, по-прежнему существуют проблемы с точным моделированием материала межпозвонкового диска, созданием эффективных моделей сегментов позвоночника и использованием прогнозов для оптимизации стратегий лечения.
Пикеринг и др. (Pickering et al.) разработали канал для создания моделей детских межпозвонковых дисков и провели анализ чувствительности исходных материалов модели. Они обнаружили, что пучки коллагеновых волокон межпозвонкового диска вносят основной вклад в механическое поведение этого элемента и, следовательно, должны быть интегрированы в цифровые модели детского позвоночника для конкретных пациентов.
В другом исследовании медики создали модели межпозвонкового диска на основе данных магнитно-резонансной томографии (МРТ) позвоночника коровы и оценили её чувствительность к различным входным геометрическим и материальным параметрам, подчеркнув, что очень важно хорошо моделировать геометрию замыкательных пластин позвонков. Следует отметить, что хотя модели конечных элементов обладают большим потенциалом в оценке биомеханического поведения сегментов позвоночника, для повышения эффективности и снижения зависимости от оператора при клиническом применении необходима автоматизация процесса.
Капрара и др. (Caprara et al.) разработали автоматический канал для создания тематических моделей конечных элементов поясничного отдела позвоночника из изображений компьютерной томографии с использованием методов глубокого обучения по сегментации геометрии, статистических моделей формы для создания сеток и моделей конечных элементов для имитации различных условий нагрузки и прогнозирования положения сегментов. Этот автоматический инструмент, результаты которого согласуются со многими научными данными, обладает потенциалом улучшения клинической применимости биомеханических симуляций.
Модели метода конечных элементов широко использовались для проверки эффекта фиксации позвоночника при лечении переломов позвонков, дегенерации МПД, деформаций позвоночника и других заболеваний. Английские исследователи выполнили проверку и анализ чувствительности для конкретных моделей одного позвонка, имплантированного двумя транспедикулярными винтами. Они сообщили, что диаметр винта более важен, чем его длина, для минимизации деформации винта и кости. Более того, они подчеркнули важность моделирования реалистичной геометрии винта. Они показали, что используемый имплантат влияет на стабильность сегмента позвоночника и что остеопороз увеличивает риск для всех протестированных конструкций.
Гириг и др. (Gierig et al.) использовали крупную модель поясничного отдела позвоночника, которая также включала таз и спино-тазовые кости, чтобы изучить наилучшую конфигурацию при фиксации переломов позвоночника и показать её превосходство по сравнению с нехирургическим лечением.
Тачи и др. (Tachi et al.) использовали электронную модель позвоночника пациентов с подростковым идиопатическим сколиозом для предварительного планирования процедуры хирургической коррекции с помощью предварительно согнутых спинномозговых стержней. Эта система предварительного планирования может быть использована для оптимизации формы стержня. Вышеупомянутые исследования показали, как моделирование методом конечных элементов могут помочь хирургам в определении наилучшего протеза в случаях различных заболеваний позвоночника.
Тем не менее, все ещё существуют проблемы с созданием более реалистичных вычислительных моделей, учитывающих иерархические свойства позвоночника с помощью многомасштабных подходов, которые, например, лучше оценивают сценарии нагрузки или эффект ремоделирования кости с течением времени, а также с проверкой результатов. модели для повышения их достоверности и их будущей клинической применимости. Хотя, в большинстве случаев (но не во всех) многомасштабная модель, разработанная на основе экспериментальных данных о механическом поведении волокон и матрицы, точно предсказывала структурную реакцию межпозвонковых дисков, подчёркивая важность моделирования волокон, взаимодействия матрица-волокно и механизма несения нагрузки на основе жидкости в этой сложной структуре.
Надо признать, что для понимания биомеханики позвоночника и дальнейшей разработки вычислительных моделей в качестве поддержки принятия клинических решений, необходимо проделать большую работу. Необходимо, чтобы эти подходы использовались регулярно. Несомненно, что будущие исследования, использующие биомеханические модели человеческого позвоночника, будут ещё более реалистичными (например, с учётом сложной индивидуальной нагрузки и граничных условий, учитывающих повседневное поведение, функциональное поведение и адаптацию после хирургических процедур или болевых ощущений, паттерны активации, индивидуальные свойства материала и т.д.). Они станут более заслуживающими доверия благодаря всестороннему и систематическому процессу валидации с использованием данных, получаемых ex vivo и in vivo. Сами исследования обязательно должны проводиться в сертифицированных регулирующими органами организациях/лабораториях/университетах. Нет никаких сомнений в том, что исследования в этой захватывающей области будут продолжать прогрессировать и улучшать наши знания о биомеханических свойствах позвоночника, а исследовательское сообщество будет поощрять и укреплять междисциплинарные совместные исследования, включающие биоинженерию, биологию и медицину.
