Конечно-элементное моделирование анатомо‑конституциональных типов позвоночно-тазового комплекса (Roussouly) в аспекте изучения их биомеханических особенностей

Введение. Сагиттальные морфотипы позвоночника Roussouly отличаются специфичностью биомеханики позвоночно-тазового комплекса (ПТК), для изучения которой в последнее время все чаще используется метод конечно-элементного (КЭ) моделирования.
Цель работы — построение трехмерных реалистичных моделей, имитирующих анатомо-конституциональные типы ПТК с последующей оценкой деформативно-прочностных свойств построенных моделей при компрессионной нагрузке.
Материалы и методы. Добровольцам, согласившимся принять участие в исследовании (n = 169), выполнены профильные спондилограммы с захватом костей черепа, таза и верхней трети бедренных костей в положении стоя. После интерпретации рентгенограмм (Surgimap 2.3.2.1.) отобраны лица (n = 5) со средними сагиттальными параметрами для каждого из пяти морфотипов Roussouly (I, II, III, IIIA, IV), которым проведена компьютерная томография (КТ) ПТК. Данные КТ использованы в дальнейшем для  моделирования (SolidWorks) пяти параметрических конечно-элементных моделей нормальных морфотипов ПТК и изучения их деформативно-прочностных свойств.
Результаты. При компрессионной нагрузке наибольшие эквивалентные напряжения по Мизесу локализовались следующим образом: модель I типа — тела и межпозвонковые диски (МПД)  ThX–LI (2,961 Мпа), задние опорные структуры LIV–SI (2,515 Мпа); модель II типа — тела позвонков и МПД грудного и поясничного отделов, преимущественно на уровнях ThXII–LI (3,082 МПа) и LIV–LV (3,120 МПа); модель III типа — передние отделы тел и МПД ThXI–LII, задние трети тел, ножки и фасеточные суставы LI–SI  (1,720 МПа); модель IIIA типа — тела и МПД ThIX–LII позвонков (1,811 МПа), задние опорные структуры LI–SI (1,650 МПа); модель IV типа — остистые отростки и суставные отделы дуг LI–SI позвонков (3.232 МПа).
Обсуждение. Профильная конфигурация ПТК оказывает ключевое влияние на сегментарное распределение гравитационной силы, а, следовательно, определяет специфичность сагиттальной биомеханики позвоночника, его устойчивость к динамическим нагрузкам и склонность к различной дегенеративной патологии.
Заключение. Наиболее биомеханически сбалансированными были типы III и IIIA, при гиполордотичной форме (типы I и II) перегружались преимущественно передние структуры позвонков, в том числе МПД, а в случае гиперлордоза (тип IV) — задние опорные структуры.

1. Diebo BG, Varghese JJ, Lafage R, et al. Sagittal alignment of the spine: What do you need to know? Clin Neurol Neurosurg. 2015;139:295‑301. doi: 10.1016/j.clineuro.2015.10.024.

2. Le Huec JC, Saddiki R, Franke J, et al. Equilibrium of the human body and the gravity line: the basics. Eur Spine J. 2011;20(Suppl 5):558-563. doi: 10.1007/s00586-011-1939-7.

3. Hasegawa K, Okamoto M, Hatsushikano S, et al. Standing sagittal alignment of the whole axial skeleton with reference to the gravity line in humans. J Anat. 2017;230(5):619-630. doi: 10.1111/joa.12586.

4. Duval-Beaupère G, Schmidt C, Cosson P. A Barycentremetric study of the sagittal shape of spine and pelvis: the conditions required for an economic standing position. Ann Biomed Eng. 1992;20(4):451-62. doi: 10.1007/BF02368136.

5. Berthonnaud E, Dimnet J, Roussouly P, Labelle H. Analysis of the sagittal balance of the spine and pelvis using shape and orientation parameters. J Spinal Disord Tech. 2005;18(1):40-47. doi: 10.1097/01.bsd.0000117542.88865.77.

6. Roussouly P, Gollogly S, Berthonnaud E, Dimnet J. Classification of the normal variation in the sagittal alignment of the human lumbar spine and pelvis in the standing position. Spine (Phila Pa 1976). 2005;30(3):346-53. doi: 10.1097/01.brs.0000152379.54463.65.

7. Roussouly P, Pinheiro-Franco JL. Biomechanical analysis of the spino-pelvic organization and adaptation in pathology. Eur Spine J. 2011;20 Suppl 5(Suppl 5):609-18. doi: 10.1007/s00586-011-1928-x.

8. Naoum S, Vasiliadis AV, Koutserimpas C, et al. Finite Element Method for the Evaluation of the Human Spine: A Literature Overview. J Funct Biomater. 2021;12(3):43. doi: 10.3390/jfb12030043.

9. Коссович Л.Ю., Харламов А.В., Лысункина Ю.В., Шульга А.Е. Математическое моделирование и прогнозирование эффективности оперативного лечения в хирургии позвоночно-тазового комплекса. Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Физико-математические науки». 2019;23(4):744-755. doi: https://doi.org/10.14498/vsgtu1702.

10. Zhang S, Bai T, Zhang X, et al. Application of Finite Element Analysis in Biomechanical Research of Degenerative Diseases of Lumbar Spine. JBM. 2022;(10):21-33. doi: 10.4236/jbm.2022.103004.

11. Kudo N, Yamada Y, Xiang X, et al. Concept of mathematical modeling of lumbar and thoracic spine based on elastic beam theory. JBSE. 2022;17(2):21-00331. doi: 10.1299/jbse.21-00331.

12. Sciortino V, Pasta S, Ingrassia T, Cerniglia D. On the Finite Element Modeling of the Lumbar Spine: A Schematic Review. Appl Sci. 2023;13(2):958. doi:10.3390/app13020958.

13. Cho PG, Yoon SJ, Shin DA, Chang MC. Finite Element Analysis of Stress Distribution and Range of Motion in Discogenic Back Pain. Neurospine. 2024;21(2):536-543. doi: 10.14245/ns.2347216.608.

14. Колмакова Т.В., Рикун Ю.А. Исследование деформационного поведения межпозвоночного диска при наклоне сегмента позвоночника. Вестник Бурятского государственного университета: Математика, информатика. 2017;(2):54-60.

15. Григорьев А.И., Воложин А.И., Ступаков Г.П. Минеральный обмен у человека в условиях измененной гравитации. В кн.: Проблемы космической биологии. М.: Наука; 1994;74:192-212.

16. Березовский В.А., Колотилов Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека: справочник. Киев; Наук. Думка: 1990:224.

17. Чумаченко Е.Н., Логашина И.В. Расчет напряженно-деформированного состояния двигательного сегмента позвоночника при нагрузках. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2014;48(5):51-57.

18. Tan SH, Teo EC, Chua HC. Quantitative three-dimensional anatomy of cervical, thoracic and lumbar vertebrae of Chinese Singaporeans. Eur Spine J. 2004;13(2):137-146. doi: 10.1007/s00586-003-0586-z.

19. Berry JL, Moran JM, Berg WS, Steffee AD. A morphometric study of human lumbar and selected thoracic vertebrae. Spine (Phila Pa 1976). 1987;12(4):362-367. doi: 10.1097/00007632-198705000-00010.

20. Laouissat F, Sebaaly A, Gehrchen M, Roussouly P. Classification of normal sagittal spine alignment: refounding the Roussouly classification. Eur Spine J. 2018;27(8):2002-2011. doi: 10.1007/s00586-017-5111-x.

21. Abelin-Genevois K. Sagittal balance of the spine. Orthop Traumatol Surg Res. 2021;107(1S):102769. doi: 10.1016/j.otsr.2020.102769.

22. Galbusera F, Brayda-Bruno M, Costa F, Wilke HJ. Numerical evaluation of the correlation between the normal variation in the sagittal alignment of the lumbar spine and the spinal loads. J Orthop Res. 2014;32(4):537-544. doi: 10.1002/jor.22569.

23. Wang W, Pei B, Wu S, et al. Biomechanical responses of human lumbar spine and pelvis according to the Roussouly classification. PLoS One. 2022;17(7):e0266954. doi: 10.1371/journal.pone.0266954.

24. Bassani T, Casaroli G, Galbusera F. Dependence of lumbar loads on spinopelvic sagittal alignment: An evaluation based on musculoskeletal modeling. PLoS One. 2019;14(3):e0207997. doi: 10.1371/journal.pone.0207997.

25. Remus R, Selkmann S, Lipphaus A, et al. Muscle-driven forward dynamic active hybrid model of the lumbosacral spine: combined FEM and multibody simulation. Front Bioeng Biotechnol. 2023;11:1223007. doi: 10.3389/fbioe.2023.1223007.

26. Cosgun Z, Dagistan E, Dagistan Y. Effects of sagittal balance differences on spondylolisthesis. Acta Ortop Bras. 2019;27(2):120-123. doi: 10.1590/1413-785220192702205665.

27. Yüksel S, Özmen E, Barış A, et al. Publication Trends in the Pelvic Parameter Related Literature between 1992 and 2022 : A Bibliometric Review. J Korean Neurosurg Soc. 2024;67(1):50-59. doi: 10.3340/jkns.2023.0047.

28. Müller A, Rockenfeller R, Damm N, et al. Load Distribution in the Lumbar Spine During Modeled Compression Depends on Lordosis. Front Bioeng Biotechnol. 2021;9:661258. doi: 10.3389/fbioe.2021.661258.

29. Naserkhaki S, Jaremko JL, El-Rich M. Effects of inter-individual lumbar spine geometry variation on load-sharing: Geometrically personalized Finite Element study. J Biomech. 2016;49(13):2909-2917. doi: 10.1016/j.jbiomech.2016.06.032.

30. Filardi V, Simona P, Cacciola G, et al. Finite element analysis of sagittal balance in different morphotype: Forces and resulting strain in pelvis and spine. J Orthop. 2017;14(2):268-275. doi: 10.1016/j.jor.2017.03.007.