Введение 5
1 Строение Позвоночника 7
1.1 Позвонки 8
1.2 Соединение тел между собой 11
1.3 Межпозвоночный диск 14
2 Дегенеративные изменения структурных составляющих позвоночника 17
3 Механические свойства структурных составляющих позвоночника 23
3.1 Позвонки 23
3.2 Суставы 26
3.3 Межпозвоночный диск 26
4 Современное состояние дел в области исследования механического
поведения позвоночника и его структурных составляющих методами компьютерного моделирования 30
5 Описание используемой модели сегмента шейного отдела позвоночника 37
Заключение 39
Список используемых источников 41
В последнее время ярко проявляется тенденция к преждевременному старению человечества, что выражается в увеличении количества хронических заболеваний и онкологии, которые в свою очередь приводят к деградации органов и тканей организма. Решение проблемы повышения качества и продолжительности жизни человечества - замена потерявших работоспособность органов на имплантаты. Внедряемый имплант должен обладать не только биологической и химической совместимостью с телом, но и механической совместимостью.
Неправильный выбор конструкции и материала протеза может со временем привести к деградации органов и тканей организма. Задачи механики имплантатов решаются на основе изучения механического поведения самих биологических структур и их структурных компонентов. Отсутствие, например, информации о напряженно-деформированном состоянии позвоночника и его изменении при структурной деградации компонентов позвоночника делает невозможным адекватную разработку и выбор имплантата, обеспечивающего нормальное функционирование позвоночника и восстановление его деградирующих элементов.
Использование методов компьютерного моделирования позволит более глубоко изучить закономерности механического поведения позвоночника, что будет способствовать разработке рекомендаций по созданию и подбору индивидуальных протезов.
Сегодня существует множество моделей и исследований механического поведения сегментов позвоночника при физиологических нагрузках [7,9-14]. Однако сведений о влиянии изменений плотности губчатой костной ткани тел позвонков на напряженно-деформированное состояние позвоночника нет.
В связи с этим целью данной работы является изучение напряженно - деформированного состояния сегмента шейного отдела позвоночника при изменении плотности губчатой костной ткани позвонка С3.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи.
1. Изучить литературу и выполнить литературный обзор по строению позвоночника, деградации его структурных составляющих, изучить современное состояние дел в области исследования механического поведения позвоночника методами компьютерного моделирования.
2. Изучить разработанные на языке программирования APDL ANSYS алгоритмы построения геометрических моделей тел позвонков и сегмента позвоночника, включающего наличие межпозвоночного диска, компактной и губчатой костных тканей, фасеточных суставов и межостистой связки.
3. Провести расчеты и проанализировать результаты напряженно- деформированного состояния сегмента шейного отдела позвоночника при изменении плотности губчатой костной ткани позвонка С3, средней высоты и модулей упругости межпозвоночного диска.
В результате проделанной работы получены следующие результаты и выводы:
1. Выполнен литературный обзор по строению позвоночника, деградации его структурных составляющих, изучено современное состояние дел в области исследования механического поведения позвоночника методами компьютерного моделирования. Выявлено, что исследований влияния деградации костной ткани и межпозвоночного диска на напряженно-деформированное состояние позвоночника методами компьютерного моделирования не проводилось.
2. Изучены разработанные на кафедре прочности и проектирования алгоритмы построения геометрических моделей тел позвонков и сегмента позвоночника, включающего наличие межпозвоночного диска, компактной и губчатой костных тканей, фасеточных суставов и межостистой связки.
3. Проведены расчеты и проанализированы результаты напряженно- деформированного состояния сегмента шейного отдела позвоночника при изменении плотности губчатой костной ткани позвонка С3, средней высоты и модулей упругости межпозвоночного диска.
Выявлено, что с уменьшением плотности костной ткани подвижность позвонка в направлениях осей X и Z (вперед и вниз соответственно) повышается, снижается степень выпячивания межпозвоночного диска в направлении изгиба сегмента. Эти изменения проявляются незначительно для здорового межпозвоночного диска, характеризуемого средней высотой МПД 6.0 мм, и модулем упругости МПД 2.5 МПа, и более отчетливо проявляются при повышении модуля упругости межпозвоночного диска.
Независимо от плотности губчатой костной ткани позвонка С3 в сегменте при наклоне вперед реализуются как растягивающие, так и сжимающие компоненты нормальных напряжений и деформаций.
С уменьшением плотности губчатой ткани позвонка С3 наибольшие сжимающие и растягивающие нормальные деформации, принадлежащие поверхности межпозвоночного диска и межостистой связки, повышаются, как и наибольшие растягивающие и сжимающие нормальные напряжения, принадлежащие боковой и верхней поверхности позвонка С3 соответственно. При увеличении модуля упругости МПД происходит смена локализации наибольших сжимающих осевых деформаций с межпозвоночного диска на фасеточные суставы.
Уменьшение плотности губчатой костной ткани позвонка С3 приводит к снижению осевых сжимающих напряжений и деформаций в центральной точке МПД, к уменьшению осевых сжимающих напряжений и увеличению осевых сжимающих деформаций в центральной точке позвонка С3. Влияние изменения плотности губчатой костной ткани на осевые напряжения центральной точки МПД усиливается, а на осевые деформации центральной точки позвонка С3 снижается с уменьшением средней высоты и повышением модуля упругости МПД.
Влияние изменения плотности губчатой косной ткани позвонка С3 на напряженно-деформированное состояние сегмента незначительно в случае здорового межпозвоночного диска.
