Напряженно-деформированное состояние системы "поясничный отдел позвоночника - крестец - таз" при фронтальном наклоне таза

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Н.А. Корж, В.А. Стауде, А.В. Кондратьев, М.Ю. Карпинский

Напряженно-деформированное состояние системы «поясничный отдел позвоночника - крестец - таз» при фронтальном наклоне таза

The goal: to analyze the stress-strain state of the sacroiliac joints with central, interosseous, dorsal sacroiliac ligaments in normal condition and in the conditions ofpelvis tilt in the frontal plane. The methods: for this study virtual model was elected, it was synthesized on the base of CT scan of the lumbar spine, sacroiliac joints (SIJ) and pelvis of 20 patients and MRI of SIJ of 10 patients. Synthesized finite element models of lumbosacral spine and SIJ were loaded on the upper vertebrae LI along the axis of spine with compressive force that was equal to 400 and 2000 N. The results: obtained qualitative picture of the stress-strain distribution in the lumbosacral spine model during pelvic tilt suggest changes in the nature of work in all joints. Pelvis tilt causes additional compression on SIJ that located below (left). Being loaded sacrum provokes additional rotation around SIJ that located below (left). This leads to a shift of conventional axis ofrotary pelvis motion forward and down on one side, back and top to bottom -- on the other, that was accompanied by a significant increase in the relative compressive deformation of soft tissue structures of SIJ on one side (left). Under the conditions of loading (400 N) combined with pelvis tilt compared to its normal state an increase in tension values in all SIJ ligaments on left side was recorded especially in dorsal, interosseous, cross-iliac and iliac-lumbar ligaments. Relative deformity of hyaline cartilage increased significantly on the left side in interosseous ligaments towards compression direction. An increasing of loading up to 2000 N provided an increased role of sacro-tuber, sacro-spinous, iliac-lumbar ligaments where stresses value increased by 5-10 times. In this situation the values of relative tensile deformations also increases in ventral, interosseous, dorsal, iliac-transverse and iliac-lumbar ligaments on the right side.

Key words: sacro-iliac joints, lumbar spine, sacrum, ligaments.

деформированный крестцовый подвздошный сустав

Мета: проаналізувати напружено-деформований стан крижово-клубового суглоба з вентральними, міжкістковими, дорсальними крижово-клубовими зв'язками в нормальному стані та під час нахилу таза у фронтальній площині. Методи: для дослідження обрано віртуальну модель, синтезовану на основі сканів комп'ютерної томографії поперекового відділу хребта, крижово-клубових суглобів (ККС) і таза 20 пацієнтів та магнітно-резонансної томографії ККС 10 пацієнтів. Синтезовані кінцево-елементні моделі попереково-крижового відділу та ККС навантажували по верхньому хребцю L{ уздовж осі хребта стискальною силою, яка дорівнювала 400 та 2000 Н. Результати: отримані якісні картини розподілу напруження і деформацій у моделі попереково-крижового відділу під час нахилу таза свідчать про зміни характеру роботи всіх суглобів. Нахил таза призводить до додаткового стискання розташованого нижче ККС (лівого). Під час навантаження крижі здійснюють додаткове обертання відносно розташованого нижче ККС (лівого). Це призводить до зміщення умовної осі ротаційної рухомості таза вперед і донизу з одного боку, назад і доверху -- з другого, що супроводжується значним збільшенням відносних стискальних деформацій м'якотканинних структур ККС з одного боку (зліва). Під час навантаження в 400Н за умов нахилу таза порівняно з його нормальним станом зафіксовано зростання значень напруження у всіх зв'язках ККС зліва, особливо в дорсальних, міжкісткових, клубово-поперечних та клубово-поперекових. Зліва значно збільшуються відносні деформації гіалінового хряща та міжкісткових зв'язок у напрямку стискання. У разі підвищення навантаження до 2000 Н збільшується роль крижово-горбових, крижово-остистих, клубово-поперекових зв'язок, в яких величини напружень збільшуються в 5-10разів. У цій ситуації також зростають величини відноснихрозтягувальних деформацій у вентральних, міжкісткових, дорсальних, клубово-поперечних та клубово- поперекових зв'язках справа. Ключові слова: крижово-клубові суглоби, поперековий відділ хребта, крижі, зв'язки.

Введение. В кинематической цепи опорного скелета «поясничный отдел позвоночника - крестец - таз» крестцово-подвздошные суставы (КПС) играют важную роль [1]. По мнению А. Vleeming и соавт. [1], при воздействии вертикальной нагрузки натягиваются связки КПС и замыкается сустав. Это позволяет рационально передавать вертикальные нагрузки с позвоночника на таз и нижние конечности. При этом в КПС осуществляется ротационная подвижность в объеме 4-5° [2, 3]

Рис. 1. Схема смещения условной оси ротационной подвижности крестца по R. Irvin [4]

Рис. 2. Используемая для моделирования схема подвздошно поясничных и крестцово-подвздошных связок [8]: вид сзади (а) и спереди (б). Верхняя (1) и нижняя (2) порция подвздошно-поясничных связок; подвздошно-поперечная связка крестца (3); дорсальные крестцово-подвздошные связки крестца (4); их поверхностный слой (5); крестцово-остистая (6), крестцово-бугорная (7), вентральные крестцово-подвздошные (8, 9) связки

По данным R. Irvin [4], около 85 % хронических пояснично-тазовых болей связаны с механическими причинами. Одной из них является неадекватная поза, которая обуславливает хроническое вредное воздействие перегрузки и ведет к возникновению приспособительных изменений в системе «поясничный отдел позвоночника - крестец - таз». Для большинства взрослых линия, проведенная по проекции краниальной пластинки крестца во фронтальной плоскости, горизонтальна. Однако одностороннее смещение ее даже на 2 мм вверх может быть клинически значимым (рис. 1). Поясничный отдел позвоночника при этом имеет тенденцию к латеральному наклону в сторону более высокого края крестца и более поднятого крыла таза для сохранения вертикальной оси [4].

A. Kiapour и соавт. [5], исследуя на своей математической модели таза с бедренными костями напряженно-деформированное состояние в КПС без выделения конкретных связок при трех вариантах разницы длины бедер (1-3 см), пришли к выводу, что величина напряжений Мизеса в области КПС значительно возрастает уже при разнице длины бедер в 1 см и прогрессивно увеличивается при нарастании этой разницы.

При анализе научной литературы мы не нашли работ, посвященных математическому моделированию напряженно-деформированного состояния КПС с учетом основных связок, влияющих на подвижность КПС при наклоненном во фронтальной плоскости крестце и крыльях таза.

В связи с изложенным целью данной работы стало изучение напряженно-деформированного состояния крестцово-подвздошного сустава с вентральными, межкостными, дорсальными крестцово-подвздошными связками при нормальном стоянии и при наклоне таза во фронтальной плоскости.

Материал и методы. Для исследования выбрана предложенная нами ранее математическая модель [6-8], синтезированная на основе сканов компьютерной томографии поясничного отдела позвоночника, КПС и таза 20 пациентов. Материалы исследования утверждены комитетом по биоэтике ГУ «ИППС им. проф. М. И. Ситенко НАМН» (протокол № 99 от 12.03.2012). Конфигурацию основных связок, влияющих на функцию КПС и положение нижнепоясничных сегментов относительно крестца, смоделировали на основе сканов магнитно-резонансной томографии 10 пациентов и схемы их расположения по А. И. Капанджи [8] (рис. 2).

Параметры напряженно-деформированного состояния КПС с поясничным отделом позвоночника и связками при действии сжимающей вертикальной силы вдоль оси позвоночника

Выявлено увеличение значений относительных деформаций на растяжение в правых вентральных связках КПС от 6,5 до 15,7 %, дорсальных--от 10,6 до 21,0 % (почти в 2 раза), межкостных -- от 6,5 до 21 % (более чем в 3 раза), подвздошно-поперечной - от 3,2 до 19,5 %, (почти в 6 раз).

В подвздошно-поясничных связках относительная деформация увеличилась от 0,65 до 7,0 % (почти в 10 раз), несколько больше справа. В крестцовоостистых связках -- от 0,18 до 0,8 % (в 4 раза) и равномерно с двух сторон; в крестцово-бугорных - от 0,13 до 0,7 %, также равномерно с обеих сторон.

Слева отмечено увеличение относительных деформаций на сжатие в гиалиновом хряще, вентральных, межкостных и дорсальных связках КПС. Полученные нами данные согласуются с результатами других авторов [14-19].

Как и в моделях перечисленных авторов, в нашей модели тазового кольца с основными связками наиболее напряженной оказалась область КПС. В модели А. А. Тяжелова и соавт. [14] величина напряжений Мизеса в КПС достигла 13,1 МПа, в модели Z. Hao и соавт. [16] -- 15,0 МПа. Это связано с тем, что КПС анатомически построен таким образом, чтобы воспринимать и перераспределять на таз, а затем и на нижние конечности большие вертикальные нагрузки (вес верхней половины туловища), и при этом осуществлять минимальные движения [1].

Z. Hao и соавт. [16] обнаружили наибольшую величину напряжений в крестцово-подвздошных и подвздошно-поясничных связках при вертикальном нагружении.

По данным Р. Н. Eichenseer и соавт. [18], наибольшие величины напряжений при вертикальной нагрузке возникают в межкостных крестцово-подвздошных связках. N. Hammer и соавт. [19] на своей математической модели показали, что при вертикальной нагрузке наибольшую роль в стабилизации КПС и тазового кольца играют межкостные, задние крестцово-подвздошные и подвздошно-поясничные связки. По мнению авторов, перегрузка этих связок является источником нижнепоясничных болей.

По данным М. Adams и соавт. [20], биологическая структура может быть повреждена при воздействии большой внешней силы однократно, либо значительно меньшей силы, действующей многократно. Силы малой величины могут вызывать микроскопические повреждения в виде микротрещин или незначительных пластических деформаций, которые могут проходить незамеченными, если внешняя сила была приложена один раз. Но после большого количества циклов нагрузки микроскопические повреждения могут накапливаться до тех пор, пока ослабленная структура разрушится, даже если уровень применяемой нагрузки остается небольшим. Это так называемые «усталостные повреждения», а сам процесс М. Adams и соавт. [20] определили как «усталость» структуры. Усталостные повреждения могут происходить после сотен и тысяч циклов нагружения при величине силы воздействия меньше 30 % предела прочности.

По данным Г. И. Попова [21], предел прочности связок равен 25 МПа. В связи с этим связки, в которых величины напряжений будут достигать 7,5 МПа и выше, могут подвергаться риску подобных повреждений.

Рис. 9. Смещение оси ротации крестца по Don Tigny [22]

Полученные нами данные свидетельствуют, что при наклоне таза во фронтальной плоскости при нагрузке 2000 Н увеличиваются величины напряжений до критических в межкостных крестцово-подвздошных, дорсальных крестцово-подвздошных, подвздошно-поясничных связках с обеих сторон.

Полученные данные о смещении оси ротационной подвижности крестца относительно таза с одной стороны кпереди и книзу, а с другой -- кверху и кзади созвучны с гипотезой Don Tigny [22]. По его мнению, в норме ось ротационной подвижности крестца относительно таза располагается на уровне S_n симметрично с обеих сторон. При некоторых функциональных изменениях ось ротационной подвижности крестца может смещаться кпереди и книзу на уровень S_m с одной стороны, кверху и кзади на уровень Sj -- с другой (рис. 9). При этом ось ротационной подвижности может выходить за пределы полости КПС и проецироваться в области его межкостных связок КПС, что обусловливает их дополнительную микротравматизацию. Это связано с тем, что ротация крестца происходит не вокруг анатомической области, покрытой гиалиновым хрящом, а вокруг анатомической структуры, покрытой межкостными связками. При этом меняется сила трения и характер сил, воздействующих на связки.

Подобное смещение приводит к формированию функциональной деформации тазового кольца в виде так называемого «скрученного таза». Подобная деформация вызывает нарушение передачи нагрузок в кинематической цепи «крестец - таз», и в дальнейшем, по данным Don Tigny, в кинематической цепи «крестец - таз - тазобедренные суставы». С другой стороны, по данным S. Gra- covetsky [23], нарушение распределения нагрузок в кинематической цепи «крестец - таз» вызывает негативные изменения в кинематической цепи «крестец - поясничный отдел».

Выводы. Наклон таза во фронтальной плоскости ведет к смещению условной оси ротационной подвижности крестца относительно таза кпереди и книзу, с одной стороны, и кзади и кверху -- с другой. Это сопровождается значительным увеличением относительных сжимающих деформаций мягкотканных структур КПС с нижерасположенной стороны.