Структурно-функціональні основи організації поперекового відділу хребта людини в онтогенезі

Размещено на http://allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВЯ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ МЕДИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора медичних наук

14.03.01 - нормальна анатомія

СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНІ ОСНОВИ ОРГАНІЗАЦІЇ ПОПЕРЕКОВОГО ВІДДІЛУ ХРЕБТА ЛЮДИНИ В ОНТОГЕНЕЗІ

Виконав Маврич Володимир Васильович

Харків - 2005

АНОТАЦІЯ

Маврич В.В. Структурно-функціональні основи організації поперекового відділу хребта людини в онтогенезі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора медичних наук за спеціальністю 14.03.01 - нормальна анатомія. - Харківський державний медичний університет МОЗ України, Харків - 2005.

Дисертація присвячена вивченню меж вікових особливостей, статевої і індивідуальної мінливості поперекового відділу хребта людини у всі періоди постнатального онтогеза. У роботі були використані остеометричні, морфометричні, біохімічні, гістоморфометричні, біомеханічні методи, метод ЯМР-томографії, рентгеноструктурного аналізу, тривимірного комп'ютерного моделювання і кінцево-елементного аналізу. В ході роботи створений апаратно-програмний комплекс для морфометричних досліджень, розроблене обладнання для підготування кісткових зразків і новий засіб створення тривимірних комп'ютерних моделей поперекового відділу хребта.

Застосування тривимірного моделювання дозволило розширити уявлення про біомеханіку хребтового стовпа. Кінцево-елементний аналіз довів, що звичайна форма поперекового хребця є оптимальною для передачі відповідних навантажень на стиск, а крайні форми індивідуальної мінливості хребців (які зустрічаються у 0,4% - 4,0% випадків), змінюючи його геометрію, призводять до зниження функціональності системи. Методом кінцевих елементів були розраховані напруги і деформації у всіх поперекових хребцях і міжхребцевих дисках на основі створених тривимірних комп'ютерних моделей хребта для усіх вікових груп. З'ясовано, що до періоду формування поперекового лордозу (у новонароджених і грудних дітей), має місце цілком інший принцип їх розподілу.

хребет онтогенез міжхребцевий лордоз

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Хребтовий стовп у філогенетичному відношенні є одним з найважливіших елементів скелету (Корж М.О., Бариш О.Є., 2005). Морфогенез і вікові особливості хребтового стовпа, вивчення ступеня його мінералізації й міцностних властивостей давно цікавили дослідників, але й зараз далеко не всі питання вікової та індивідуальної морфології хребтового стовпа людини розроблені належною мірою (Денисов-Никольский Ю.И., Жилкин Б.Л., Докторов А.А., 2002; Сак Н.Н., 2003; Бруско А.Т., Гайко Г.В. 2005). Хребет - одне з найбільш частих місць переломів у пацієнтів з остеопорозом (Подрушняк Е.П., 1997). Чверть усіх жінок України у віці 70 років і половина жінок у віці 80 років мають поодинокі або множинні компресійні переломи тіл хребців (Поворознюк В.В., 2003). Захворюваність, пов'язана з остеопорозом і переломами хребців, має величезний соціально-економічний вплив. На теперішній час захворювання поперекового відділу хребтового стовпа широко поширені, а в розвинутих країнах, за даними експертів ВООЗ, досягли розмірів неінфекційної епідемії, що пов'язано зі зростаючою гіподинамією та урбанізацією (Риггз Б. Л., Мелтон Л. Дж., 2000). Економічні збитки, які пов'язані з непрацездатністю пацієнтів із болем у нижній частині спини, оцінюється як величезні. За даними ВООЗ, у 2000 році ці цифри складали $25-28 млрд. для США і 6 млрд. фунтів стерлінгів для Великобританії, що дозволяє віднести лікування цих захворювань до одних із самих коштовних (Norris R.J., 1992).

З іншого боку, одним із пріоритетних напрямків сучасної морфології є “віртуальна” анатомія. Створення і дослідження адекватних тривимірних комп'ютерних моделей різноманітних органів людини має як теоретичний інтерес так і велике практичне значення (Feipel V., De Mesmaeker T., Klein P., 2001; Радченко В.А., Шимон В.М., 2002). На теперішній час кінцево-елементні комп'ютерні моделі використовуються як у техніці, так і в практичній медицині. Дослідження цих систем дозволяє оптимізувати різноманітні хірургічні втручання, знаходити матеріали з необхідними механічними властивостями, удосконалювати біомеханічні конструкції, глибше зрозуміти патогенез різних захворювань (Aihara T. at all, 2000; Климовицкий В.Г. и соавт., 2005). Особливо велике значення це має в травматології й ортопедії: сучасні оперативні втручання потребують ретельного підготування і попередніх розрахунків (Belkoff S.M., Mathis J.M., Erbe E.M., 2000; Ayhan A. at all, 2003). Використання тривимірного моделювання на основі отриманих даних істотно розширить можливості хірургів, допоможе спрогнозувати результат оперативного втручання, дозволить точно визначити матеріал, розміри і форму використаного імплантату (Ковешников В.Г. и соавт., 2002; Baroud G. at all, 2003; Zander T. at all, 2003).

На теперішній час анатомічних робіт зі створення бази тривимірних комп'ютерних моделей поперекового відділу хребта в залежності від статі, віку й конституції в Україні практично немає. Все вищевикладене й обумовлює актуальність даного дослідження.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження явилося встановлення меж вікових особливостей, статевої та індивідуальної мінливості поперекового відділу хребта за допомогою остеометричних, морфометричних, гістоморфометричних, біохімічних, біомеханічних методів, рентгеноструктурного аналізу, тривимірного комп'ютерного моделювання та методу кінцево-елементного аналізу.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

створити апаратно-програмний комплекс для кількісного морфометричного дослідження анатомічних макро-, мікрооб'єктів, ЯМР- і рентгенівських зображень; вивчити статеві й індивідуальні особливості остеометричних показників поперекових хребців людини різноманітних періодів онтогенезу;

вивчити вікові зміни морфометричних показників поперекових хребців, міжхребцевих дисків, хребтового каналу і кутових розмірів поперекового відділу хребта, а також межі їх статевої і вікової мінливості за аналізом ЯМР-томограм;

створити адекватні тривимірні комп'ютерні моделі поперекових хребців, міжхребцевих дисків і в цілому поперекових відділів хребтового стовпа відповідно до отриманих даних морфометрії;

виявити вікові особливості архітектоніки трабекулярної структури різноманітних зон тіл поперекових хребців;

вивчити вікові і статеві особливості мінералізації і хімічного складу кістки різноманітних зон поперекових хребців;

дослідити особливості ультраструктурної організації кісткового мінералу різноманітних зон поперекових хребців у різні періоди онтогенезу;

вивчити вікові й статеві особливості міцностних властивостей поперекових хребців;

створити комп'ютерні тривимірні моделі хребцевих сегментів і досліджувати їх за допомогою методу кінцевих елементів.

Об'єкт дослідження. Онтогенез поперекового відділу хребтового стовпа людини.

Предмет дослідження. Поперекові хребці, ЯМР-томограми.

Методи дослідження: остеометричний - для дослідження темпів росту і формоутворення поперекових хребців; морфометричний - для дослідження поперекових хребців, міжхребцевих дисків на ЯМР-томограмах; гістоморфометричний - для дослідження трабекулярної структури різноманітних зон тіл хребців; метод рентгеноструктурного аналізу - для дослідження ультраструктури мінерального компоненту кістки і кількісної оцінки етапів мінералізації; біохімічний (ваговий, фотоколориметрія, атомно-абсорбційна спектрофотометрія) - для оцінки мінерального, макро- і мікроелементного складу кістки; біомеханічний - для визначення показників міцності хребців; метод тривимірного твердотільного комп'ютерного моделювання - для створення адекватних моделей поперекового відділу хребта, метод кінцевих елементів - для математичного аналізу отриманих 3-D моделей в умовах статичного стиску; статистичний метод - для аналізу й інтерпретації отриманих даних.

Наукова новизна одержаних результатів. У нашому дослідженні застосований принципово новий комплексний підхід до вивчення поперекового відділу хребтового стовпа людини.

Вперше, на основі великого фактичного матеріалу, визначений діапазон статевої і індивідуальної мінливості форми поперекових хребців у всі періоди постнатального онтогенезу і побудовані адекватні тривимірні комп'ютерні моделі для кожного вікового періоду. Проведено їх аналіз, визначені деформації і напруги для різноманітних елементів моделі.

В ході дослідження встановлені закономірності онтогенезу трабекулярної структури губчастої кістки різноманітних зон тіл поперекових хребців, описані їх якісні і кількісні особливості.

Вперше досліджені особливості мінерального складу різноманітних ділянок поперекових хребців, вміст макро- і мікроелементів, проведено кореляції за віковими і статевими ознаками.

Проведено кристалографічне дослідження (методом рентгеноструктурного аналізу) кісткового мінералу різноманітних зон поперекових хребців.

На основі великого фактичного матеріалу вивчені міцностні властивості губчастої речовини кістки тіл перших поперекових хребців у всі періоди постнатального онтогенезу й отримані формули регресійної залежності біомеханічних показників від віку.

На основі отриманих даних, побудовані тривимірні комп'ютерні моделі поперекових хребців різноманітних типів: твердотільні й з трабекулярною структурою.

Методом комп'ютерного морфометричного аналізу великої бази даних ЯМР-томограм, визначено діапазон індивідуальної мінливості поперекових хребців, виявлені крайні геометричні форми і частота, з якою вони зустрічаються. На основі отриманих даних побудовані тривимірні комп'ютерні моделі і з використанням кінцево-елементного аналізу, визначені деформації і напруги для них.

Вперше, із використанням методу кінцевих елементів, визначена біомеханічна роль кожного елемента хребтового сегмента, досліджено поводження 3-D моделі при статичному стиску і різноманітних рухах.

Практичне значення отриманих результатів. Результати дослідження відбивають діапазон статевої та індивідуальної мінливісті поперекового відділу хребта людини, а також закономірності етапів його онтогенезу. Отримані нові дані, які доповнюють і розширюють існуючі уявлення про вікові зміни трабекулярної структури різних зон тіл поперекових хребців, їх мінерального й хімічного складу, міцностних властивостей та ультраструктури мінерального компоненту.

Проведене компьютерне тривимірне моделювання анатомічних утворень поперекового відділу хребтового стовпа дозволило розрахувати розподіл напруг та ступінь деформації різноманітних елементів хребтових сегментів в різні періоди онтогенезу, визначити межі та найбільшь несприятливі місця механічних навантажень.

Отримані результати доповнили уявлення про структуру і функцію поперекових хребців, ролі міжхребцевих дисків і зв'язок. Ці дані дозволяють розрахувати доступи при ряді оперативних утручань на поперековому відділі хребтового стовпа, дати морфологічне обґрунтування використанню спеціальних фізичних вправ, визначити анатомічні межі ергономических вимог для сидінь транспортних засобів.

Отримані дані використовуються при навчанні студентів медичних університетів на морфологічних кафедрах та у практичній роботі ортопедів-травматологів, хірургів, неонатологов, онкологів, геронтологів при лікуванні пацієнтів, що страждають різноманітними формами захворювань поперекового відділу хребта.

Створена комп'ютерна морфометрична програма “MORPHOLOG” використовується при анатомічних дослідженнях в морфологічних лабораторіях ряду медичних універсітетів при дослідженнях біологічних макро- та мікрооб'єктів.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом самостійно виконаний патентно-інформаційний пошук, визначені мета та задачі дослідження, розроблені методичні підходи побудови тривимірних моделей і їх аналізу, відповідно до котрих автором особисто виконані всі дослідження нативних препаратів і ЯМР-томограм. Автором особисто створені всі тривимірні комп'ютерні моделі хребців, хребтових сегментів і в цілому поперекових відділів хребтового стовпа, проведений їх аналіз із використанням методу кінцевих елементів. Дисертантом проведене статистичне опрацювання отриманих даних, оформлення їх у вигляді таблиць, графіків, цифрових зображень, зроблений аналіз результатів, сформульовані основні положення і висновки роботи. Основною є участь автора в підготувці статей до преси, а також наукових розробок для оформлення Деклараційного патенту України й Авторського посвідчення на комп'ютерну програму (в співавторстві). У актах впровадження приводяться дані, що особисто отримані автором у процесі виконання роботи. Автором не були використані результати виконаної ним кандидатської дисертації та ідеї співавторів публікацій.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Матеріал і методи дослідження. Матеріалом дослідження послужили препарати поперекових відділів хребта, що отримані від 212 нефіксованих трупів осіб, різноманітних вікових періодів (від новонароджених до 88 річних) і 383 ЯМР-томограми поперекового відділу хребта пацієнтів (від 2 до 82 років). Всі препарати були отримані від осіб загиблих від травм (без пошкодження хребта), гострих отруєнь, асфіксії або померлих раптово від гострих серцевих та судинних захворювань. Комісією з біоетики Луганського державного медичного університету (протокол № 3 від 10.11.05) встановлено, що проведені наукові дослідження препаратів та ЯМР-томограм поперекового відділу хребта відповідають етичним вимогам згідно наказу МОЗ України № 231 від 01.11.2000 року.

Матеріал розподілявся за 11 віковими групами, відповідно до вікової періодизації, схваленої Академією педагогічних наук СРСР (1964) і відображав усі періоди постнатального онтогенезу людини, окрім довгожителів. У цілому, досліджувалися поперекові відділи хребтового стовпа 595 суб'єктів, із них 304 чоловіки та 291 жінка.

Вивчення нативних препаратів поперекового відділу хребтового стовпа полягало в наступному: після вилучення хребці розділяли та скелетували, далі проводилася остеометрія за методом Алексєєва В.П. (1966) у модифікації автора. Програма остеометрії включала вимір наступних розмірів для кожного хребця: передняя і задня висота тіла хребця; верхній і нижній сагітальні діаметри тіла хребця; верхня, середня (“талія хребця”) і нижня ширина тіла хребця, сагітальний та фронтальний діаметри хребцевого отвору, висота й ширина ніжки хребця, довжина верхнього і нижнього суглобових відростків, довжина поперечного й остистого відростків. Далі розраховували такі індекси тіл поперекових хребців:

· k1 - висотний покажчик тіла хребця (відношення передньої висоти тіла хребця до його задньої висоти);

· k2 - подовжній покажчик тіла хребця (відношення верхнього сагітального діаметра тіла хребця до нижнього);

· k3 висотно-подовжній покажчик (відношення середньої висоти тіла хребця до середнього сагітального діаметра).

Далі проводився хімічний аналіз досліджуваних зон. Вміст води, органічних і мінеральних речовин визначали ваговим методом, послідовно висушуючи фрагменти кістки при температурі 105°С до постійної ваги в сухожаровій шафі й озоляючи в муфельній печі при температурі 450-500°С протягом 12 годин (Воложин А.И., 1976). Отриману кісткову золу розтирали в порцеляновій ступці і зберігали в герметичних мікропробірках. Для дослідження елементного складу кісток брали 5 мг кісткової золи і розчиняли в 2 мл 0,1 Н хімічно чистої соляної кислоти, після розчинення доводили обсяг розчину до 25 мл дистильованою водою. Визначення мікроелементного складу кісткової золи проводили на атомно-абсорбційному спектрофотометрі С-115, визначали вміст Zn, Mn, Mg, Fe, Cu. Визначення макроелементів - Са, Na і К виконували на полум'яному фотометрі ПАЖ-3, аналізовані зразки розпорошувалися в полум'ї пропан-бутан-повітря. Визначення вмісту фосфору проводили на медичному аналітичному фотометрі МЕФАН-8001. Довжина хвилі, при якій реєстрували оптичну щільність розчинів, відповідала 405 нм, товщина поглинаючого шару складала 10 мм.

Для дослідження ультраструктури мінерального компонента кістки використовували метод рентгеноструктурного аналізу (Подрушняк Е.П., Новохатский А.И., 1983). Аналіз кісткового порошку проводили на рентгенівському дифрактометрі ДРОН-3 із гоніометричною приставкою ГУР-5. Використовували Кб випромінювання міді з довжиною хвилі 0,15433 нм, напруга на анодній трубці складала 30 кВ, сила анодного струму - 20 мА. Дифраговані рентгенівські промені реєстрували в кутовому діапазоні від 2° до 37° зі швидкістю запису 1° за 1 хв. На отриманих дифрактограмах досліджували найбільш виразні дифракційні піки, за кутовим положенням яких розраховували параметри елементарної комірки кісткового мінералу (Миркин Л.И., 1981). Набори дифракційних максимумів відповідали з'єднанню Са₅(РО₄)₃(ОН) (гідроксіапатит). Досліджували дифракційний пік, розташований у кутовому діапазоні 30° - 34°, визначали його амплітуду. Розрахунок параметрів гексагональної елементарної комірки гідроксіапатиту проводився уздовж осей А і С, розрахунок її обсягу, виконаний із урахуванням гексагональної сингонії кристалів. Розрахунки проводили за дифракційними максимумами з міжплощинними відстанями d/n=2,814100 (211), d/n=2,77860 (112), d/n=2,72060 (300). Розміри кристалитів визначали за методом Селякова-Шерера.

Частину отриманих нативних препаратів хребців випробували на стиск. За допомогою циркулярних фрез отримували стандартні зразки тіла L1, які потім випробували на статичний стиск. Методика дослідження міцності хребців при іспитах відповідала основним положенням ГОСТ 25.503-80 “Метод испытания на сжатие”. В якості випробувальної машини застосовувалася електромеханічна машина Tiratest-2300 (Німеччина), що відповідає вимогам ГОСТ 7855-84 і ГОСТ 8905-73. Випробувальна машина була обладнана перетворювачем сили і переміщень із самописним приладом. Побудову тривимірних моделей поперекових хребців, міжхребцевих дисків, зв'язок і в цілому поперекових відділів хребтового стовпа для осіб усіх вікових груп (із використанням отриманих раніше даних остеометрії нативних препаратів і морфометрії ЯМР-томограм) здійснювали на комп'ютері Athlon-XP2000+, ATI-Raderon 9200, RAM 512Mb, HDD 60Gb із використанням алгоритмів твердотільного параметричного моделювання. Математичний аналіз отриманих 3-D моделей здійснювався методом кінцевих елементів по Гауссу та Н'ютону-Рафсону при статичному аналізі на стиск, з врахуванням попередньо отриманих даних біомеханічних іспитів нативних препаратів (Зенкевич О., Морган К., 1986). Для генерації кінцево-елементної сітки використовувалися параболічні трикутні і тетраїдні елементи.

Статистичне опрацювання отриманих даних проводили використовуючи методи параметричної статистики, кореляційного, дисперсійного й регресійного аналізів.

Результати дослідження та їх аналіз. Поперекові хребці людини проходять складні процеси розвитку і трансформації від сполучнотканинної стадії до кісткової структури. Форма тіл хребців і міжхребцевих дисків тісно пов'язана з віком. Різноманітні також й кількісні взаємовідношення між кістковими та хрящовими частинами хребців на різних етапах онтогенезу. Поперекові хребці в новонароджених за висотою наближаються до міжхребцевих дисків. Тіла хребців овальної форми, із вдавленнями на передній і задній поверхнях, що обумовлено входженням судин. У залежності від віку, поступово змінюється форма тіла хребця і співвідношення його з висотою диска. Форма тіла хребця до кінця першого року життя з овальної переходить у форму паралелепіпеда з округлими краями. Висота диска зменшується, він стає майже прямокутним. Змінюється співвідношення між поперечними і подовжніми розмірами тіл хребців: якщо в новонароджених воно дорівнює 6:3, то в дітей грудного віку - 5,5:3. Протягом розвитку дитини передня поверхня тіла хребця росте більш інтенсивно. За період раннього дитинства (до 3-х років) тіло хребця набуває форми сектора тора з округлими фестончатими краями (що пов'язано з початком формування додаткових точок зкостеніння апофіза), а потім, за період першого дитинства (до 7 років) форму сектора циліндра із сильно зкругленими верхніми і нижніми краями, на яких спостерігаються чисельні невеликі радіальні борозни. Відповідно змінюється співвідношення подовжніх розмірів тіла хребця до поперечних - 4,5:3. У цьому віці на тілі хребця починає формуватися “талія”. Надалі, округлі верхні і нижні края хребців отримують кільцеподібні вдавлення, які утворені хрящовим краєм (крайовим валиком) і спостерігаються приблизно до 9-10 річного віку. Точки зкостеніння в крайовому валику з'являються спочатку в передньому більш товстому і широкому відділі апофізу. Проте вони можуть з'являтися спочатку й у бічних, задніх ділянках крайового хрящового валика.

Суцільне зкостеніння крайового валика виявляється до 12 - 15 років, часткове злиття його з тілом хребця - до 15 - 17 років, а повний синостоз із тілом - до 22 - 24 років. До юнацького віку поперечні і подовжні розміри тіл хребців зрівнюються і вони набувають циліндричної форми. Подальша трансформація тіл хребців у зрілому віці йде шляхом поступового посилення двувигнутості суміжних поверхонь. Тіла хребців мають у горизонтальному перетині бобоподібну форму з добре вираженою з усіх боків “талією”. У періоді інволюції (похилий і старечий вік) з'являються ознаки вікової остеопенії, що відбиваються, насамперед, на вертикальних розмірах: висота тіл хребців знижується, особливо передня (задні відділи тіл хребців зміцнюються ніжками дуги хребця). На ЯМР-томограмах чітко видно, що форма тіл хребців із прямокутної переходить у форму із сильно вираженою талією, увігнутими верхніми і нижніми поверхнями. Достатньо часто виявляються явища деформуючого спондильозу у виді крайових розростань кісткової речовини. Приведені вище дані підтверджуються статистичними розрахунками: позитивний кореляційний зв'язок між розміром передньої висоти тіла хребця й віком був статистично достовірним і для чоловіків склав r = 0,57 (p<0,0001), а для жінок - r = 0,69 (p<0,0001).

У новонароджених середні значення передньої висоти тіла для всіх поперекових хребців знаходиться в інтервалі 6,9 мм - 7,2 мм. Протягом першого року життя вони зростають у середньому на 20% і в дітей грудного віку даний показник реєструється в межах 8,4 мм - 8,5 мм. Найбільш інтенсивний ріст передньої висоти тіл хребців спостерігається в ранньому дитинстві (у середньому 43,4%). Причому, темпи росту поперекових хребців неоднакові - вони зростають у ряду від L1 (39,3%) до L5 (48,8%). Таким чином, у цьому віці починається диференціювання форми і розмірів поперекових хребців. Середні значення передньої висоти тіл хребців для дітей цієї групи (1-3 роки життя) відповідно зростають у каудальному напрямку відповідно до даних остеометрії від 11,7 мм до 12,5 мм. За даними морфометрії ЯМР-томограм отримано аналогічні значення - від 11,5 мм до 12,3 мм. Настільки ж інтенсивний приріст цього показника зберігається й у дітей наступної вікової групи (4-7 років життя) - у середньому 42,1% приросту (за даними ЯМР-морфометрії - 38,2%), але найбільш це характерно для L2 (50,4%) та L3 (52,9%).

Відповідно, в них реєструються максимальні значення - 17,6 мм - 18,5 мм. Це, вірогідно, пов'язано з процесами формування поперекового лордоза. У періоді другого дитинства (до 11-12 років) швидкість росту хребців сповільнюється і, для передньої висоти тіл, найбільший показник (24,3%) характерний тільки для L3 (23 мм). Аналогічні дані отримані при морфометрії ЯМР-томограм: для L3 - 26,3%, при середньому значенні 20,2 мм. Для інших поперекових хребців значення цього розміру знаходилися в межах від 18,9 мм до 20,3 мм, а приріст складав у середньому 19%. У підлітковому віці темпи приросту цього розміру декілька збільшуються (другий стрибок росту), складаючи в середньому 25,2% (за даними аналізу ЯМР-томограм - 28,0%). Максимальна передня висота (28,2 мм) визначалася в L3, в інших хребцях вона складала 23,6 мм - 25,5 мм. У юнацькому віці темпи росту цього розміру хребців у середньому знижуються до 7,9% (5,9% за даними ЯМР-морфометрії), причому, мінімальні для L3 (2,8%). Але, незважаючи на це, у L3 передня висота тіла стабільно залишається найбільшою серед поперекових хребців, і в цьому віці складає 29 мм, хоча, різниця між ним та іншими хребцями декілька нівелюється. Мінімальне значення зареєстровано, як і в попередніх вікових групах, у L1. У осіб зрілого віку (1 період) приріст передньої висоти тіл поперекових хребців у середньому складає лише 2,2% (2,6% за даними ЯМР-морфометрії), що свідчить про уповільнення процесів росту і стабілізації розмірів поперекового відділу хребтового стовпа. Максимальне значення (30,8 мм) і приріст (6,2%) цього розміру визначалися для L3, а мінімальне значення - для L1 (25,5 мм).

В другому періоді зрілого віку спостерігається початок інволютивних процесів, пов'язаних із віковою остеопенією: передня висота тіл хребців починає знижуватися (у цій групі в середньому на 3,4%). Найбільш повільно цей процес протікає для L5 - 0,7%, а максимально швидко в L3 - 4,9%. Середні значення передньої висоти в цій групі за даними остеометрії і ЯМР-морфометрії, склали: для L1 - 24,5 мм і 24,5 мм, для L3 - 29,3 мм і 28,2 мм та для L5 - 28 мм і 29,7 мм, відповідно. У похилому віці темпи зниження передньої висоти тіл хребців зберігаються незмінними (у середньому - 3,3% і 4,2%), а в старечому віці - декілька прогресують (становлять в середньому 4,9% і 9,7%) за даними остеометрії і ЯМР-морфометрії, відповідно.

При проведенні регресійного аналізу, незважаючи на велику варіабельність даних у похилому і старечому віці, були визначені формули залежності передньої висоти тіл хребців від віку, що мають вигляд поліном.

При вивченні подовжніх розмірів тіл хребців були отримані наступні результати. У новонароджених верхній і нижній сагітальні діаметри тіл поперекових хребців реєструвалися від 7,6 мм до 7,8 мм. Протягом першого року життя ці розміри збільшилися до 9,4 мм - 9,6 мм; таким чином, середній приріст склав 23%. У дітей раннього віку (від 1 до 3 років) спостерігається виражений стрибок росту сагітальних розмірів поперекових хребців (пов'язаний із змінами форми хребців, описаними раніше) - приріст склав 70,5% - 82,8%. Таким чином, середні значення верхнього сагітального діаметра в цьому віці склали 17,2 мм - 17,7 мм, а нижнього - 16,2 мм - 16,3 мм. Як і для вертикальних розмірів, у цьому віковому періоді ще не спостерігається будь яких відмінностей розмірів між п'ятьма поперековими хребцями. У дітей наступної вікової групи (перше дитинство), темпи росту сагітальних розмірів менші і за даними остеометрії складають 31% - 45,3%, а ЯМР-морфометрії - 22,6% - 27,4%. Значення верхнього сагітального діаметра для цієї групи послідовно зростали від 20,9 мм (для L1) до 24,9 мм (для L5). За даними ЯМР-морфометрії аналогічні значення склали 20,6 мм - 24,0 мм. У дітей наступної вікової групи (друге дитинство) середній приріст цього розміру склав 15,2 %- 19,9% (остеометрія) і 22,6% - 29,1% (ЯМР-морфометрія). Середні значення верхнього сагітального діаметра відповідно до даних остеометрії були від 24,6 мм (L1) до 28,8 мм (L3 і L4) і від 26,4 мм (L1) мм до 30,1 мм (L3) за даними ЯМР-морфометрії.

У підлітковому віці темпи росту сагітальних розмірів сповільнюються, складаючи для верхнього діаметра тіла 7,4% (остеометрія) і 0,9% (ЯМР-морфометрія), а для нижнього - 13,4% і 6,8%, відповідно. Середні значення верхнього сагітального діаметра послідовно зростають в ряду поперекових хребців від 27,3 мм до 31,9 мм. В юнацькому віці спостерігається аналогічна закономірність: розмір зростає від L1 (30,1 мм) до L5 (34,6 мм), а приріст складає 14% - 15,5%. Для інших вікових періодів ця закономірність зберігається. Верхні сагітальні розміри поперекових хребців у наступні вікові періоди практично не змінюються (різниця складає 0,2% - 3,7%) і для старечого віку знаходяться в інтервалі середніх значень 34,2 мм - 37,5 мм. Різниця між даними, отриманими шляхом остеометрії і ЯМР-морфометрії для різних вибірок у середньому складала 4,7%. Коефіцієнти кореляції верхнього сагітального діаметра поперекових хребців із віком для чоловіків склали r = 0,76 (p<0,0001), а для жінок - r = 0,71 (p<0,0001).

При статистичному дослідженні поперечних показників - верхньої, середньої і нижньої ширини тіл поперекових хребців було з'ясовано, що коефіцієнти кореляції цих показників із віком для чоловіків склали r = 0,78 (p<0,00001), а для жінок - r = 0,72 (p<0,0001). У новонароджених, у зв'язку з яйцеподібною формою тіла поперекових хребців, максимальною була середня ширина тіл (15,1 мм - 15,4 мм), а верхня і нижня - менше (14,5 мм - 14,9 мм). Протягом першого року життя приріст розмірів хребців у поперечному напрямку складав 16,9% - 18,8%, причому верхня і нижня ширина тіла збільшуються швидше і форма тіла хребця перетворюється в прямокутну. В результаті, інтервал середніх значень цих показників дорівнював 17,2 мм - 18,0 мм.

Найбільш інтенсивний приріст фронтальних показників (як й інших), спостерігався в періоді раннього дитинства - за період від 1 року до 3-х років ширина тіла хребців збільшується на 54,5% - 66,4% і досягає інтервалу середніх значень від 27,2 мм до 29,5 мм. У періоді першого дитинства темпи росту фронтальних розмірів декілька нижчі - 17,4% - 30,5%. У цьому віковому періоді вже спостерігається диференціювання розмірів між поперековими хребцями - зростання ширини в каудальному напрямку від 31,4 мм до 36,5 мм. У періоді другого дитинства темпи приросту поперечних розмірів ще більше знижуються (до 2,6% - 7,4%), а в підлітковому віці спостерігається другий стрибок росту і темпи приросту поперечних розмірів досягають максимуму (20,8% - 27,7%). У цьому віці середня ширина хребців складає 41,0 мм - 47,0 мм і спостерігається формування “талії хребця” - середня ширина менше верхньої і нижньої. В юнацькому віці темпи росту ширини хребців знову знижуються до 6,1% - 10,1% і в першому періоді зрілого віку складають 4,4% - 5%. Середні значення ширини хребців знаходяться в інтервалі 46,9 мм - 53,3 мм. В другому періоді зрілого віку й у похилому віці не спостерігається зменшення поперечних показників хребців, що узгоджується з даними інших авторів (Борисевич А.И., Аристархов В.И., Еремейшвили А.В., 1989). Подальші процеси трансформації фронтальних розмірів йдуть за шляхом поглиблення “талії” хребців. У старечому віці верхня і нижня ширина тіл поперекових хребців знаходяться в інтервалі середніх значень від 50,2 мм до 54,7 мм, а середня ширина - від 47,3 мм до 50,0 мм (послідовно зростаючи від L1 до L5).

Індивідуальну мінливість поперекового відділу хребтового стовпа ми вивчали на 224 ЯМР-томограмах осіб IX вікової групи - другий період зрілого віку. З одного боку, до цього віку морфометричні показники хребтового стовпа дещо стабілізуються, а з іншої сторони, достатня кількість досліджуваних об'єктів дозволяє встановити межі і крайні форми анатомічної мінливості.

При статистичному дослідженні розподілу значень індексу висоти тіла хребця - k1, ми виявили, що в каудальному напрямці L1 - L5 його середні значення зростають. Так, для L1 середнє значення склало 0,95±0,09, медіана - 0,94, сума всіх значень (224 випадки) - 231,59, мінімальне значення - 0,7, максимальне значення - 1,52, інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,89 - 1,01. Для L2 середнє значення дорівнювало 0,99±0,10, медіана - 0,98, сума всіх значень - 222,56, мінімальне і максимальне значення - 0,42 і 1,33, інтервал вірогідності (25%-75%) склав 0,93 - 1,05. Для L3 аналогічні параметри були такими: середнє значення - 1,04±0,11, медіана - 1,03, сума випадків - 232,81, діапазон значень - 0,54 - 1,59 та інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,98 - 1,10. В L4 зареєстроване середнє значення - 1,09±0,13, медіана - 1,08, сума випадків - 243,42, інтервал значень від 0,56 до 1,47, інтервал вірогідності (25%-75%) - 1,01 - 1,17. Для L5 аналогічні значення склали: середнє - 1,28±0,17, медіана - 1,25, сума значень - 285,99, їх інтервал від 0,81 до 1,79, інтервал вірогідності (25%-75%) - 1,17 - 1,38. Таким чином, форма саме п'ятого поперекового хребця має максимальний діапазон варіабельності. При аналізі цифрових даних, був підтверджений нормальний розподіл значень індексу k1 у випадку для кожного поперекового хребця, що підтверджує репрезентабельність даної вибірки. Індекс k1 послідовно зростає в ряду від L1 до L5. З одного боку це свідчить про підвищення ступеня “клиноподібності” поперекових хребців у каудальному напрямку, а з іншого боку - про існування визначених меж форми для кожного поперекового хребця окремо. У цілому, для всіх вивчених випадків (1120 хребців), середнє значення k1 дорівнювало 1,07±0,17, а межі інтервалу вірогідності (25%-75%) склали 0,96 - 1,16. Відповідно до наших розрахунків, орторахія визначається у 15,1% поперекових хребців, курторахія - у 54,6%, а койлорахія - у 30,3%. Таким чином, клиноподібна форма поперекових хребців є переважною, за рахунок цього і форми міжхребцевих дисків формується лордоз. Крайні форми курторахії k1>1,46 зареєстровані нами для 4% випадків, частіше всього для L5. Крайні форми койлорахії k1<0,7, навпаки, відзначаються для L2, L3, L4 і всього лише в 0,4% випадків.

При статистичному дослідженні розподілу значень подовжнього індексу тіла хребця - k2, ми виявили, що в каудальному напрямку його середні значення також зростають, тобто верхній сагітальний діаметр наближається за значеннями до нижнього (за винятком L4). Так, для L1 середнє значення k2 склало 0,95±0,08, медіана - 0,95, сума всіх значень - 213,81, мінімальне значення - 0,75, максимальне значення - 1,26, інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,91 - 1,0. Для L2 середнє значення k2 дорівнювало 0,97±0,07, медіана - 0,97, сума всіх значень - 217,94, мінімальне й максимальне значення - 0,73 і 1,30, інтервал вірогідності (25%-75%) склав 0,92 - 1,02. Для L3 аналогічні параметри були такими: середнє значення - 0,99±0,07, медіана - 0,99, сума випадків - 222,25, діапазон значень - 0,81 - 1,22 і інтервал вірогідності 25%-75% - 0,95 - 1,04. У L4 зареєстроване середнє значення 0,98±0,08, медіана - 0,97, сума випадків - 219,17, інтервал значень від 0,76 до 1,19, інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,93 - 1,02. Для L5 аналогічні значення склали: середнє - 1,03±0,10, медіана - 1,03, сума значень - 230,97, їх інтервал від 0,79 до 1,34, інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,97 - 1,09. Таким чином, максимальний діапазон варіабельності притаманий другому і п'ятому поперековим хребцям, а ширина діапазону значень k2 набагато нижча, ніж у k1. Крім того, можна помітити, що значення індексу для L4 ніби випадають із загальної спрямованості змін. Це можливо пояснити тим, що для L4 характерним є відносне збільшення нижнього сагітального діаметра, тому що максимум поперекового вигину припадає на сегмент L4/L5. Як і в попередньому випадку, аналіз підтвердив нормальний розподіл індексу k2. У цілому, середнє значення k2 дорівнювало 0,99±0,08, інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,93 - 1,03. Прямокутна форма хребців (0,98 ? k2 ? 1,02) зустрічалася в 24,6% випадків. Переважала трапецієподібна форма хребців, при котрій нижній сагітальний діаметр більше за верхній (k2<0,98). Вона була виявлена майже в половині випадків - 46,5%, крайні форми при котрих k2?0,79 зустрічалися лише в 8 випадках (0,7%). Форма хребців у вигляді зворотньої трапеції частіше спостерігалася для L5 і реєструвалася в 28,8% випадків. При крайніх значеннях k2?1,18 вона зустрічалася в 23 (2,1%) випадках.

При аналізі висотно-подовжнього індексу k3, що характеризував відношення середньої висоти тіла хребця до середнього сагітального діаметра, були отримані наступні результати: середнє значення цього показника склало 0,77±0,10 при інтервалі вірогідності (25%-75%) - 0,7 - 0,83. Для L1 середнє значення k3 склало 0,78±0,10, медіана - 0,77, сума всіх значень - 173,81, мінімальне значення - 0,51, максимальне значення - 1,06, інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,71 - 0,85. Для L2 середнє значення k3 дорівнювало 0,78±0,09, медіана - 0,78, сума всіх значень - 175,05, мінімальне і максимальне значення - 0,54 і 1,0, інтервал вірогідності (25%-75%) склав 0,71 - 0,84. Для L3 аналогічні параметри склали: середнє значення - 0,78±0,09, медіана - 0,79, сума випадків - 174,67, діапазон значень - 0,48 - 1,02 та інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,73 - 0,84. В L4 зареєстроване середнє значення 0,75±0,09, медіана - 0,74, сума випадків - 167,52, інтервал значень від 0,52 до 1,0, інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,68 - 0,81. Для L5 аналогічні значення склали: середнє - 0,74±0,10, медіана - 0,74, сума значень - 165,5, їх інтервал - від 0,51 до 1,04, інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,67 - 0,80. Індекс k3 у випадку квадрата дорівнює 1,0, тобто чим більш зплощено тіло хребця, тим показник менше. Таким чином, відповідно до наших даних, найбільш плоскими є L4 та L5. Як і в попередніх випадках, отримані значення цього індексу підпорядковувалися нормальному закону розподілу. Квадратну форму (0,98 ? k3 ? 1,02) має лише 1,6% хребців. Хребці, в котрих k3>1,02 нами виявлені лише в 3 випадках (0,3%). У інших 98,1% поперекових хребців сагітальний діаметр тіла більший за висоту. Крайні форми зниження висоти тіл хребців k3<0,51 спостерігалися нами лише в 4 випадках (0,4%).

Поперековий лордоз відіграє надзвичайно важливу амортизуючу функцію, саме від його згину багато в чому залежить біомеханіка рухів людини. При статистичному аналізі кутових показників поперекового відділу хребтового стовпа нами були отримані наступні результати: середнє значення для кута лордоза - 151±10є, медіана - 152є, інтервал значень - від 112є до 175є, при інтервалі вірогідності (25%-75%) - 145є - 157є. Для попереково-крижового кута аналогічні значення склали: середнє - 123±10є, медіана - 123є, інтервал значень від 95є до 160є, при інтервалі вірогідності (25%-75%) - 118є - 130є. Використовуючи принцип Фергюсона ми встановили, що на досліджуваному матеріалі нормальні показники кута поперекового лордоза знаходилися в інтервалі 145є - 157є, що збігається з межами інтервалу вірогідності 25%-75%. Ці значення спостерігалися в 131 (58,5 %) випадку з 224. Гіперлордоз, коли кут був менший за 145є, спостерігався в 21,9 % випадків, при цьому мінімальне значення (112є) спостерігалося у жінки 52 років. Гіполордоз, при якому значення кута було більшим за 157є спостерігався в 19,6% випадків, при цьому максимальне значення 175є спостерігалося в 3 випадках у чоловіків 37, 39 та 43 років.

При проведенні кореляційного аналізу ми встановили, що існує статистично значимий негативний кореляційний зв'язок між k1 і k3 та кутом поперекового лордоза. Таким чином, кут лордоза зменшується (виникає гіперлордоз) у випадку, якщо збільшується “клиноподібність” (зростає k1) L2 - L5 хребців, або L1 - L5 хребці “зплощуются” (зростає k3). Значний інтерес викликає той факт, що “клиноподібність” L1 ніяк не впливає на кут лордоза. Дійсно, при аналізі великої кількості ЯМР-томограм ми переконалися, що в більшості випадків L1 розташований вертикально, а максимум згину поперекового лордоза припадає на L4/L5 сегмент. Це статистично підтверджується: для L4 спостерігається максимальний негативний кореляційний зв'язок із кутом поперекового лордоза (r = -0,31). Попереково-крижовий кут пов'язаний лише з геометричною формою п'ятого поперекового хребця і збільшується з підвищенням його “клиноподібності” (ростом k1), або зі зростанням верхнього сагітального діаметра (ростом k2).

Для вивчення впливу кута поперекового лордоза на біомеханіку рухів поперекового відділу хребтового стовпа, нами були створені три моделі поперекового відділу хребтового стовпа відповідно до результатів дослідження індивідуальної мінливості даного показника по ЯМР-томограмам: 3-D модель нормолордоза - кут вигину хребтового стовпа 152є, 3-D модель гіперлордоза - 112є і третя модель - гіполордоза, для якої кут складав 175є. Ці моделі містили в собі всі поперекові хребці, міжхребцеві диски і зв'язки хребтового стовпа, а основою служила нерухомо фіксована верхня замикальна пластинка крижової кістки (S1). Для кожної моделі була згенерована мережа кінцевих елементів зі стандартними розмірами елемента - 4,15 мм і толерантністю 0,2015 мм. Кількість елементів і вузлів визначалася тривимірною геометрією моделі. Таким чином, модель нормолордоза включала 51332 елементи і 13077 вузлів із 258234 ступенями свободи, модель гіперлордоза - 59069 елементів, 14090 вузлів, 286347 ступені свободи і модель гіполордоза - 56032 елементи, 13702 вузли, 275652 ступені свободи.

Для всіх моделей були проведені розрахунки на статичний стиск в стандартних умовах: сила, прикладена на верхню замикальну пластинку L1 перпендикулярно її поверхні складала 1331 Н, замикальна пластинка S1 була нерухомо фіксована.

При іспитах 3-D моделі нормолордоза були отримані наступні результати. Напруги на передній поверхні хребців склали: L1 - 2,68 МПа, L2 - 4,64 МПа, L3 - 7,52 МПа, L4 - 12,48 МПа і на L5 - 19,33 МПа, а на передній поверхні міжхребцевих дисків - L1/2 - 0,74 МПа, L2/3 - 0,97 МПа, L3/4 - 1,5 МПа, L4/5 - 2,38 МПа і на L5/S1 - 6,2 МПа. Таким чином, по-перше - напруги на нижчерозташованому диску були менше, ніж на хребці на 68% - 81%, а по-друге - напруги в хребцях зростали в каудальному напрямку від хребця до хребця на 55% - 73%, а в міжхребцевих дисках - на 31% - 59% і лише на останньому диску - на 161%. Відповідно, L5/S1 міжхребцевий диск відрізняється від інших максимальною товщиною й обсягом рухів.

Результати кінцево-елементного аналізу двох інших моделей показали наступний характер розподілу напруг у хребцях і міжхребцевих дисках.

Так, для моделі гіперлордозу максимальні напруги реєструвалися на передній поверхні L4 й особливо L5 хребців, де розташовані зони в яких напруги перевищують рівень 20 МПа. Кількісний аналіз розподілу напруг в елементах цієї моделі дав такі результати: для хребців - L1 - 3,92 МПа, L2 - 7,00 МПа, L3 - 13,54 МПа, L4 - 25,24 МПа, L5 - 48,41 МПа і для міжхребцевих дисків - L1/2 - 0,64 МПа, L2/3 - 1,48 МПа, L3/4 - 2,93 МПа, L4/5 - 5,52 МПа і L5/S1 - 9,99 МПа. Таким чином, по-перше, напруги в хребцях перевищують напруги в нижчерозташованих міжхребцевих дисках на 78% - 84%, по-друге, вони зростають у каудальному напрямку від хребця до хребця на 79% - 93%, а від диску до диску - на 81% - 131% і, по-третє, при гіперлордозі всі напруги в хребцях перевищують аналогічні значення для нормолордоза в 1,5 - 2,5 рази, а в дисках - у 0,9 - 2,3 рази (причому різниця зростала від L1 до L5). При аналізі іспитів на стиск цієї моделі було з'ясовано, що максимально деформованими ділянками є передня й задня поверхні останнього поперекового міжхребцевого диска, при цьому значення не перевищують 3% - 4%, а до максимальних зміщень схильні L1 - L2 хребці.

При аналізі на стиск 3-D моделі гіполордоза були отримані наступні результати: до максимальних напруг схильні нижні края всіх поперекових хребців, при цьому концентрація напруг ніде не сягає рівня 20 МПа. При чисельному аналізі розподілу напруг під впливом стиску в цій моделі було з'ясовано, що напруги в хребцях дорівнюють: L1- 3,69 МПа, L2 - 4,02 МПа, L3 - 4,08 МПа, L4 - 4,07 МПа і L5 - 3,91 МПа, а в міжхребцевих дисках вони складають: L1/2 - 0,79 МПа, L2/3 - 0,78 МПа, L3/4 - 0,75 МПа, L4/5 - 0,78 МПа і L5/S1 - 0,85 МПа.

Таким чином, по-перше, як і в двох попередніх моделях напруги в міжхребцевих дисках нижчі ніж у вищерозташованих хребцях на 78% - 82%. По-друге, на відміну від попередніх моделей, не відбувається зростання рівня напруг в елементах моделі в каудальному напрямку: напруги в різних хребцях відрізняються лише на 1% - 9%. Це справедливо і для міжхребцевих дисків. І, по-третє, напруги при гіполордозі менші за аналогічні при нормолордозі в 1,2 - 4,9 рази для хребців і в 1,2 - 7,3 рази для міжхребцевих дисків. Як і в попередніх випадках, з огляду на сегментарну будову хребтового стовпа, максимальні зміщення елементів відзначені для L1 і L2, а до деформацій, у відмінності від попередніх моделей, схильні рівномірно всі міжхребцеві диски.

Таким чином, підсумувавши вище сказане, слід зазначити, що класична форма поперекового хребця є найбільш оптимальною для передачі відповідних навантажень на стиск. Крайні форми індивідуальної мінливості хребців, змінюючи геометрію конструкції, призводять до зниження функціональності системи. З іншого боку, середній кут поперекового лордозу (152є) є проміжним значенням між гіполордозом (175є) і гіперлордозом (112є). Таке розташування елементів хребтового стовпа є оптимальним і забезпечуює баланс між ступенем напруг у хребцях і дисках і амортизацією маси тіла: при гіполордозі напруги менші, але й амортизації немає; при гіперлордозі підвищується амортизація, але сильно зростають напруги в елементах системи.

При дослідженні трабекулярної структури губчастої речовини було виявлено, що кожна зона тіл поперекових хребців має властиві їй особливості архітектоніки. Найбільш відрізняються від інших переднє-верхня зона, через наявність у ній специфічно нахилених трабекул (раніше виявлених на рентгенограмах Tanaka Y, 1975) і переднє-середня зона, у якій розташоване незвичайне скопичення кісткових пластинок (ламел) у формі “клину”. При дослідженні середніх розмірів трабекул на серединних зрізах тіла L3 у віковому аспекті, було виявлено зростання довжини вертикальних і горизонтальних трабекул від 243,1±41,4 мкм і 208,7±34,3 у новонароджених до 1328,5±112,5 мкм і 1053,7±97,5 мкм в осіб старечого віку. Зростає з віком і ширина міжтрабекулярних просторів - від 244,5±44,7 мкм до 876,3±80,3 мкм. До зрілого віку виявляється дійсне зростання розмірів трабекул, що відповідає росту висоти тіл хребців. У процесі інволютивних змін, характерних для похилого і старечого віку, висота хребців знижується. При цьому “подовження” трабекул відбувається за рахунок руйнації й випадіння частини з них в трабекулярній мережі в результаті остеопоротичних процесів. У той же час, крива діаметра вертикальних і горизонтальних трабекул має форму параболи. Збільшуючись від 175,3±6,8 мкм і 73,2±8,2 мкм у новорожденных, діаметри вертикальних і горизонтальних трабекул сягають піка в зрілому віці - 247,8±28,6 мкм і 124,2±10,9 мкм, а потім зменшуються до 243,3±36,0 мкм і 101,4±11,7 мкм у старечому віці.

Зміни хімічного складу в губчастій речовині кістки мають яскраво виражену вікову залежність: збільшується об'ємна частка мінеральних і знижується частка органічних речовин і води. Так, у новонароджених середнє співвідношення мінеральних, органічних речовин і води складає відповідно 21%, 43% і 36%, а в осіб старечого віку - 76%, 13% і 11%. Це пов'язано з поступовим накопиченням кістковою тканиною кальцію і фосфору: їх вміст відповідно зростає від 22,23±4,82 г% і 11,89±2,29 г% у новорождених до 42,23±3,47 г% і 22,18±3,77 г% в осіб зрілого віку (потім їх вміст в зв'язку з інволюційними процесами знижується). Відповідно зростають розміри кристалів кісткового мінералу: розрахункові середні значення обсягу елементарної комірки кісткового гідроксиапатиту в осіб зрілого віку були вищими (834,859±1,561A3), ніж у новонароджених (789,309±1,721A3), що в цілому збігається з даними Подрушняка Е.П. і Новохацького А.І., (1983) для грудних хребців. Крім того, з віком змінюється і фазовий склад кісткового мінералу: в осіб зрілого віку кількість кристалітів зростає на 1,9%, а аморфного кальцію фосфату знижується на 1,33%. Збільшення розмірів кристалів і зниження кількості аморфного кальцію призводять до зниження площі обмінної поверхні, що, у свою чергу, викликає уповільнення обмінних процесів і зниження кількості елементів гідратного шару кристалів. І дійсно, кількість натрію і калію з віком зменшується: у новонароджених їх вміст складає 1,38±0,10 г% і 1,07±0,16 г%, а в осіб старечого віку - 1,04±0,22 г% і 0,50±0,11 г%, відповідно.

Не настільки однозначно поводуються мікроелементи: вміст частини з них, наприклад цинку і заліза, не залежить від віку (r = 0,04 - 0,1), а концентрація інших дуже тісно пов'язана з віком. Так, вміст магнію, що конкурує за місце в кристалічній комірці кісткового мінералу з кальцієм, збільшується від 1,7±0,32 мг% у новонароджених до 5,79±1,26 мг% в осіб старечого віку. А вміст міді й марганцю, що приймають активну участь у різноманітних ферментах, максимальний в перше десятиріччя життя, після чого знижується, відповідно, на 26% і 46%, залишаючись потім на постійному рівні протягом життя.

Вікові зміни хімічного складу (насамперед вмісту кальцію) позначаються на міцностних властивостях кістки, як матеріалу: модуль Юнга в новонароджених у середньому складає 20,8±10,0 МПа, в осіб зрілого віку досягає максимуму - 203,6±90,2 МПа, і знижується в осіб старечого віку до 71,7±38,2 МПа. Така ж динаміка характерна і для питомої роботи руйнації: вона зростає від 5,5±2,1 МДж до максимуму 46,5±12,7 МДж, а потім знижується до 18,2±11,7 МДж в аналогічні вікові періоди. Такий великий діапазон значень усіх біомеханічних показників (відповідно до даних кореляційного аналізу) пов'язаний з тим, що міцність кістки в більшій мірі залежить від стану здоров'я індивідуума, ніж від його віку. Межа міцності, що характеризує кістку як конструкцію, статистично значимо залежить від віку (r = -0,74 для чоловіків і r = -0,82 для жінок, при р<0,0001). Конструкція кістки тісно пов'язана з архітектонікою трабекулярної структури: оскільки з віком довжина трабекул збільшується, ширина міжтрабекулярних просторів теж, але діаметр трабекул знижується, відповідно знижуються міцностні властивості конструкції і межа міцності лінійно знижується від 9,6±3,2 МПа у новонароджених до 2,2±1,2 МПа в осіб старечого віку. Це підтверджує і доповнює дані Борисевич А.І. (1989), що досліджувала межу міцності поперекових хребців у чоловіків більшості вікових груп.

Оскільки хребет має сегментарну будову, тобто складається із серії однотипних одиниць, для вивчення особливостей рухів у хребтовому стовпі достатньо змоделювати рухи в одному сегменті. Але для визначення особливостей напружено-деформованого стану хребтових сегментів, при виконанні різноманітних рухів в умовах статичного стиску, потрібно вивчити передачу механічних навантажень на сусідній сегмент. Тому нами була створена тривимірна комп'ютерна модель яка включала два суміжні хребтових сегменти осіб зрілого віку (IX вікова група). Вона складалася з трьох хребців, розташованих між ними двох міжхребцевих дисків і зв'язок: передньої та задньої поздовжньої, міжпоперечних, міжостьових і надостьової. Дана 3-D модель включала 52662 кінцеві елементи та 90426 вузли із 271278 ступенями свободи. Використовувалися параболічні трикутні і тетраїдні елементи розміром 4,15 мм і толерантністю 0,2075 мм.