Paediatric surgery.Ukraine.2021.4(73):66-71; doi 10.15574/PS.2021.73.66
Рогозинский В. А.^1,2, Левицкий А. Ф.¹, Доляницкий Н. М.^1,2, Яресько А. В.^3
1Национальный медицинский университет имени А.А. Богомольца, г. Киев, Украина
²Национальная детская специализированная больница «ОХМАТДЕТ», г. Киев, Украина
³ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов имени профессора М.И. Ситенко НАМН Украины», г. Харьков

Для цитирования: Рогозинский ВА, Левицкий АФ, Доляницкий НМ, Яресько АВ. (2021). Анализ математического моделирования биомеханической модели гало-гравитационной тракции при деформациях позвоночника у детей. Хирургия детского возраста. 4(73): 66-71; doi 10.15574/PS.2021.73.66.
Статья поступила в редакцию 11.08.2021 г., принята к печати 08.12.2021 г.

Система ГГТ широко применяется в ведущих клиниках мира как этапный метод коррекции сложных (>100°) сколиотических деформаций позвоночника у детей. На сегодняшний день не существует единого подхода к использованию данной методики, и каждый врач принимает решение относительно схемы лечения эмпирически, опираясь на собственный клинический опыт.
Цель – исследовать с помощью метода конечных элементов напряженно-деформированное состояние позвоночника разной степени деформации при использовании ГГТ.
Материалы и методы. При построении расчетной модели за основу взяты геометрические модели различных участков позвоночника, разработанные в лаборатории биомеханики ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов имени профессора М.И. Ситенко НАМН Украины». В модель внесены следующие изменения в соответствии с целью исследования: деформация позвоночника – 70° и 100°; добавлена модель черепа; добавлена модель ГГТ и ее фиксация к черепу.
Результаты. При использовании системы ГГТ с фиксацией наиболее нагруженной частью позвоночника является область позвонков T2-T5. Следует отметить, что с увеличением степени деформации становятся нагруженными позвонки T4 и T5. Система ГГТ с фиксацией и нагрузкой, равной половине массы тела, не приводит к критическим значениям напряжений костной ткани с точки зрения прочности.
Выводы. При лечении ригидных деформаций позвоночника у детей с углом деформации (>100°) с использованием системы ГГТ первым этапом математически доказана эффективность данной методики, однако максимальная рекомендованная нагрузка не должна превышать 50% массы тела пациента. Моделирование коррекции деформаций позвоночника на математических моделях позволяет без хирургического вмешательства проанализировать эффективность различных методов лечения в нескольких вариантах. Максимальное значение напряжения по Мизесу 40,1 МПа не является критическим для костной ткани с точки зрения прочности (предел прочности для кортикальной кости – 70 МПа). Однако с увеличением нагрузки вдвое, т.е. при ГГТ нагрузке, равной массе тела, уровень напряженного состояния повышается также в два раза и превышает предел прочности костной ткани.
Исследование выполнено в соответствии с принципами Хельсинкской декларации. Протокол исследования одобрен Локальным этическим комитетом всех участвующих учреждений. На проведение исследований получено информированное согласие пациентов.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Ключевые слова: метод конечных элементов, деформация позвоночника, гало-гравитационная тракция.

ЛИТЕРАТУРА

1. Fialho J. (2018). A biomechanical model for the idiopathic scoliosis using robotic traction devices// International Conference on Mathematical Modelling in Physical Sciences IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. 1141: 012022. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1141/1/012022

2. Ghista DN, Viviani GR, Subbaraj K et al. (1988). Biomechanical basis of optimal scoliosis surgical-correction. J Biomech. 21 (2): 77-88. https://doi.org/10.1016/0021-9290(88)90001-2

3. Kimsal J, Khraishi T. (2009). Experimental investigation of halogravity traction for paediatric spinal deformity correction. Int J Experimental and Computational Biomechanics. 1 (2): 204-213. https://doi.org/10.1504/IJECB.2009.029197

4. Kong WZ, Goel VK. (2003). Ability of the Finite Element Models to Predict Response of the Human Spine to Sinusoidal Vertical Vibration/SPINE. 28 (17): 1961-1967. https://doi.org/10.1097/01.BRS.0000083236.33361.C5; PMid:12973142

5. Kurowski PM. (2012, Apr 11). Engineering Analysis with Solid-Works Simulation 2012: 475. ISBN: 978-1-58503-710-0.

6. Lafage V, Dubousset J, Lavaste F, Skalli W. (2002). Finite element simulation of various strategies for CD correction. Stud Health Technol Inform. 91: 428-432.

7. Lafon Y, Steib JP, Skalli W. (2010). Intraoperative three dimensional correction during in situ contouring surgery by using a numerical model. Spine (Phila Pa 1976). 35: 453-459. https://doi.org/10.1097/BRS.0b013e3181b8eaca; PMid:20110840

8. Lalonde NM, Villemure I, Pannetier R et al. (2010). Biomechanical modeling of the lateral decubitus posture during corrective scoliosis surgery// Clin Biomech. 25: 510-516. https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2010.03.009; PMid:20413197

9. Little JP, Izatt MT, Labrom RD, Askin GN, Adam CJ. (2013, May 16). An FE investigation simulating intra-operative corrective forces applied to correct scoliosis deformity. Scoliosis. 8 (1): 9. https://doi.org/10.1186/1748-7161-8-9; PMid:23680391 PMCid:PMC3680303

10. Salmingo R, Tadano S, Fujisaki K et al. (2012). Corrective force analysis for scoliosis from implant rod deformation. Clin Biomech (Bristol, Avon). 27: 545-550. https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2012.01.004; PMid:22321374

11. Semmelink K, Hekman EEG, van Griethuysen M, Bosma J, Swaan A, Kruyt MC. (2021, Jan). Halo pin positioning in the temporal bone; parameters for safe halo gravity traction. Spine Deform. 9 (1): 255-261. https://doi.org/10.1007/s43390-020-00194-2; PMid:32915397

12. Vidal-Lesso A, Ledesma-Orozco E, Daza-Benitez L, Lesso-Arroyo R. (2014). Mechanical Characterization of Femoral Cartilage Under Unicompartimental Osteoarthritis. Ingenieria mecanica tecnologia y desarrollo. 4 (6): 239-246.

13. Voor MJ, Anderson RC, Hart RT. (1997, Sep). Stress analysis of halo pin insertion by non-linear finite element modeling. J Biomech. 30 (9): 903-909. https://doi.org/10.1016/S0021-9290(97)82887-4

14. Wang Y, Li C, Liu L, Li H, Yi X. (2021). Presurgical Short-Term Halo-Pelvic Traction for Severe Rigid Scoliosis (Cobb Angle >120): A 2-Year Follow-up Review of 62 Patients. Spine (Phila Pa 1976). 46 (2): E95-E104. https://doi.org/10.1097/BRS.0000000000003740; PMid:33038196

15. Zienkiewicz OC, Taylor RL. (2005). The Finite Element Method for Solid and Structural Mechanics. Sixth edition. Butterworth-Heinemann: 736.