Модель субаксиальной части шейного отдела позвоночного столба

Полезная модель относится к области медицины и биотехнологий, а именно к способу изготовления и применению модели шейного отдела позвоночного столба.
Наиболее близкими к предлагаемому устройству являются модели шейного отдела позвоночника различных производителей (3B Scientific, Maximed), выполненных из пластмассового материала.
Недостатками прототипа являются:
1. необходимость использования для производства материала модели дорогостоящего специального оборудования;
2. модель статичная, так как промежутки между телами позвонков выполнены твердым материалом;
3. не дает возможность достоверно оценить прочностные характеристики фиксационных устройств, так как пластмассовый материал по своим свойствам не подобен костной ткани шейного позвонка.
Поэтому поставлены следующие задачи - создание анатомически точной модели субаксиальной части шейного отдела позвоночного столба для изучения прочностных и фиксирующих свойств позвоночных фиксаторов при различных вариантах повреждений.
Изготовление модели субаксиальной части шейного отдела позвоночного столба включает в себя создание трехмерной модели субаксиального шейного позвонка в программе Blender 2.78c, изготовление модели на фрезеровочном станке и соединение элементов в единую модель.
При изготовлении трехмерной модели пятого шейного позвонка был применен метод компьютерного полигонального моделирования, в процессе которого использованы основные функции и инструменты Blender 2.78c (фиг. 1-4).
При выборе материала для изготовления модели учтены основные принципы биомеханики костной ткани:
1) Костная структура является одновременно жесткой и эластичной, поэтому требует применения материалов с жесткими и эластичными свойствами.
2) Оптимальная модель по своим свойствам должна быть подобна живой ткани, то есть обладать эластичностью, иметь близкую к ней диаграмму напряжение - деформация и присущую тканям величину гистерезиса на диаграмме нагрузка - разгрузка.
3) В биологических системах (ткани организма и растения) между величиной напряжения и деформацией при приложении нагрузки к живым тканям нет прямой зависимости, соответствующей закону Гука. Существует гистерезисная зависимость между напряжением и деформацией в условиях нагрузки и разгрузки, которая выражается в эластичном поведении и возврате деформации (более 2%) в исходное состояние. Деформация возврата в биологических материалах на порядок превышает деформацию возврата в "неживых" металлических или иных твердых материалах [5].
Материалом для изготовления модели была выбрана древесина, так как ее биомеханические характеристики наиболее сопоставимы с костной тканью [3]. Для изготовления моделей позвонков использованы твердые породы дерева, плотностные характеристики которых в определенной мере близки к таковым костной ткани, а их отличия не влияют существенно на результаты исследования [1]. Согласно данным справочной литературы, удельная прочность сдавливания древесины дуба поперек волокна составляет Е = 84,1×106Нм-2, в то время как удельная прочность сдавливания тела третьего шейного позвонка составляет Е = 70,0×105Нм-2 [2, 4].
Вытачивание образца произведено из твердой породы дерева (бук) на трехкоординатном станке с числовым программным управлением.
Пространство между телами позвонков выполнено силиконом, послужившим аналогом межпозвонкового диска и придающим позвоночному сегменту упруго-эластические свойства (фиг.5). В результате чего модель стала динамичной. Модель обеспечивает подвижность в каждом двигательном сегменте в пределах, близких к естественным, и позволять проводить статические и динамические исследования.
В результате, созданная анатомически точная модель субаксиальной части шейного отдела позвоночного столба является полезным, недорогим инструментом в серийных исследованиях, связанных с изучением прочностных и фиксационных свойств оригинальных и стандартных вертебральных фиксаторов, где необходимо большое количество расходного однотипного материала. Полезная модель может быть использована при проведении серийных испытаний под действием внешних нагрузок, а также при обучении технике различных вариантов фиксации шейного отдела позвоночника.
Помимо этого, модель субаксиальной части шейного отдела позвоночного столба, изготовленная на основе трехмерного моделирования, позволяет обосновать и внедрить в клиническую практику инновационные методы фиксации вертебральных сегментов при различных вариантах их повреждений.
Список литературы:
1. Барыш А.Е., Михайлов С.Р. Физическая модель для экспериментального биомеханического исследования шейного отдела позвоночника // Ортопедия. - 2006. - №1 - С. 55-61.
2. Березовский В.А., Колотилов Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека: Справочник. - К.: Наук. думка, 1990. - 224 с.
3. Уголев Б.Н, Боровиков А.М. Справочник по древесине: Справочник/Под ред. Б.Н. Уголева. - М.: Лесн. пром-сть, 1989. С 12.
4. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1972. - 544 с.
5. Хлусов И.А. Основы биомеханики биосовместимых материалов и биологических тканей: учебное пособие/ Хлусов И.А., Пичугин В.Ф., Рябцева М.А. - Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2007. С 47-49.