МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ?Я УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ МЕДИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Маврич Володимир Васильович

УДК: 611.711.6: 001.891.57

Структурно-функціональні основи організації поперекового відділу хребта
людини в онтогенезі

14.03.01 — нормальна анатомія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора медичних наук

Харків – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Луганському державному медичному університеті МОЗ
України.

Науковий консультант: доктор медичних наук, професор Ковешніков
Володимир Георгійович, лауреат Державної премії України, заслужений діяч
науки і техніки України, Луганський державний медичний університет МОЗ
України, завідувач кафедри анатомії людини.

Офіційні опоненти:

доктор медичних наук, професор Калашнікова Світлана Миколаївна,
Харківський державний медичний університет МОЗ України, завідувач
кафедри анатомії людини;

доктор медичних наук, професор Федонюк Ярослав Іванович, заслужений діяч
науки і техніки України, Тернопільський державний медичний університет
ім. І. Горбачевського МОЗ України, завідувач кафедри анатомії людини;

доктор медичних наук, професор Пикалюк Василь Степанович, Кримський
державний медичний університет ім. С.І. Георгієвського МОЗ України,
завідувач кафедри анатомії людини.

Провідна установа: Івано-Франківський державний медичний університет

МОЗ України, кафедра анатомії людини.

Захист відбудеться “23” лютого 2006 р. об 11.00 годині на засіданні
спеціалізованої Вченої ради Д 64.600.03 при Харківському державному
медичному університеті (61022, м. Харків-22, пр. Правди, 12).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного
медичного університету (61022, м. Харків, пр. Леніна, 4).

Автореферат розісланий “22” грудня 2005 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат медичних наук, професор
Терещенко А.О

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Хребтовий стовп у філогенетичному відношенні є одним
з найважливіших елементів скелету (Корж М.О., Бариш О.Є., 2005).
Морфогенез і вікові особливості хребтового стовпа, вивчення ступеня його
мінералізації й міцностних властивостей давно цікавили дослідників, але
й зараз далеко не всі питання вікової та індивідуальної морфології
хребтового стовпа людини розроблені належною мірою (Денисов-Никольский
Ю.И., Жилкин Б.Л., Докторов А.А., 2002; Сак Н.Н., 2003; Бруско А.Т.,
Гайко Г.В. 2005). Хребет — одне з найбільш частих місць переломів у
пацієнтів з остеопорозом (Подрушняк Е.П., 1997). Чверть усіх жінок
України у віці 70 років і половина жінок у віці 80 років мають поодинокі
або множинні компресійні переломи тіл хребців (Поворознюк В.В., 2003).
Захворюваність, пов’язана з остеопорозом і переломами хребців, має
величезний соціально-економічний вплив. На теперішній час захворювання
поперекового відділу хребтового стовпа широко поширені, а в розвинутих
країнах, за даними експертів ВООЗ, досягли розмірів неінфекційної
епідемії, що пов’язано зі зростаючою гіподинамією та урбанізацією (Риггз
Б. Л., Мелтон Л. Дж., 2000). Економічні збитки, які пов’язані з
непрацездатністю пацієнтів із болем у нижній частині спини, оцінюється
як величезні. За даними ВООЗ, у 2000 році ці цифри складали $25-28 млрд.
для США і 6 млрд. фунтів стерлінгів для Великобританії, що дозволяє
віднести лікування цих захворювань до одних із самих коштовних (Norris
R.J., 1992).

З іншого боку, одним із пріоритетних напрямків сучасної морфології є
“віртуальна” анатомія. Створення і дослідження адекватних тривимірних
комп’ютерних моделей різноманітних органів людини має як теоретичний
інтерес так і велике практичне значення (Feipel V., De Mesmaeker T.,
Klein P., 2001; Радченко В.А., Шимон В.М., 2002). На теперішній час
кінцево-елементні комп’ютерні моделі використовуються як у техніці, так
і в практичній медицині. Дослідження цих систем дозволяє оптимізувати
різноманітні хірургічні втручання, знаходити матеріали з необхідними
механічними властивостями, удосконалювати біомеханічні конструкції,
глибше зрозуміти патогенез різних захворювань (Aihara T. at all, 2000;
Климовицкий В.Г. и соавт., 2005). Особливо велике значення це має в
травматології й ортопедії: сучасні оперативні втручання потребують
ретельного підготування і попередніх розрахунків (Belkoff S.M., Mathis
J.M., Erbe E.M., 2000; Ayhan A. at all, 2003). Використання тривимірного
моделювання на основі отриманих даних істотно розширить можливості
хірургів, допоможе спрогнозувати результат оперативного втручання,
дозволить точно визначити матеріал, розміри і форму використаного
імплантату (Ковешников В.Г. и соавт., 2002; Baroud G. at all, 2003;
Zander T. at all, 2003).

На теперішній час анатомічних робіт зі створення бази тривимірних
комп’ютерних моделей поперекового відділу хребта в залежності від статі,
віку й конституції в Україні практично немає. Все вищевикладене й
обумовлює актуальність даного дослідження.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Тема дисертації і основні напрямки її виконання обговорені та
затверджені Проблемною комісією МОЗ і АМН України «Морфологія людини»
(протокол № 01/4990 від 14 грудня 2001 року) і Вченою радою Луганського
державного медичного університету (протокол № 2 від 12 лютого 2002
року). Дисертаційна робота виконана в рамках плану наукових досліджень
Луганського державного медичного університету і є складовою частиною
науково-дослідних тем кафедри нормальної анатомії людини: “Особливості
росту, будови i формоутворення кісток скелета під впливом деяких
зовнішньосередовищних i ендогенних чинників при різних фізіологічних
станах організму” № держреєстрації 0199U001811; “Особливості морфогенезу
кісткової, імунної та ендокринної систем під впливом екологічних
чинників” № держреєстрації 0103U006652. Автор даного дослідження є
виконавцем складової частини вказаних науково-дослідних робот.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження явилося встановлення меж
вікових особливостей, статевої та індивідуальної мінливості поперекового
відділу хребта за допомогою остеометричних, морфометричних,
гістоморфометричних, біохімічних, біомеханічних методів,
рентгеноструктурного аналізу, тривимірного комп’ютерного моделювання та
методу кінцево-елементного аналізу.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

створити апаратно-програмний комплекс для кількісного морфометричного
дослідження анатомічних макро-, мікрооб’єктів, ЯМР- і рентгенівських
зображень; вивчити статеві й індивідуальні особливості остеометричних
показників поперекових хребців людини різноманітних періодів онтогенезу;

вивчити вікові зміни морфометричних показників поперекових хребців,
міжхребцевих дисків, хребтового каналу і кутових розмірів поперекового
відділу хребта, а також межі їх статевої і вікової мінливості за
аналізом ЯМР-томограм;

створити адекватні тривимірні комп’ютерні моделі поперекових хребців,
міжхребцевих дисків і в цілому поперекових відділів хребтового стовпа
відповідно до отриманих даних морфометрії;

виявити вікові особливості архітектоніки трабекулярної структури
різноманітних зон тіл поперекових хребців;

вивчити вікові і статеві особливості мінералізації і хімічного складу
кістки різноманітних зон поперекових хребців;

дослідити особливості ультраструктурної організації кісткового мінералу
різноманітних зон поперекових хребців у різні періоди онтогенезу;

вивчити вікові й статеві особливості міцностних властивостей поперекових
хребців;

створити комп’ютерні тривимірні моделі хребцевих сегментів і
досліджувати їх за допомогою методу кінцевих елементів.

Об’єкт дослідження. Онтогенез поперекового відділу хребтового стовпа
людини.

Предмет дослідження. Поперекові хребці, ЯМР-томограми.

Методи дослідження: остеометричний — для дослідження темпів росту і
формоутворення поперекових хребців; морфометричний — для дослідження
поперекових хребців, міжхребцевих дисків на ЯМР-томограмах;
гістоморфометричний — для дослідження трабекулярної структури
різноманітних зон тіл хребців; метод рентгеноструктурного аналізу — для
дослідження ультраструктури мінерального компоненту кістки і кількісної
оцінки етапів мінералізації; біохімічний (ваговий, фотоколориметрія,
атомно-абсорбційна спектрофотометрія) — для оцінки мінерального, макро-
і мікроелементного складу кістки; біомеханічний — для визначення
показників міцності хребців; метод тривимірного твердотільного
комп’ютерного моделювання — для створення адекватних моделей
поперекового відділу хребта, метод кінцевих елементів — для
математичного аналізу отриманих 3-D моделей в умовах статичного стиску;
статистичний метод — для аналізу й інтерпретації отриманих даних.

Наукова новизна одержаних результатів. У нашому дослідженні застосований
принципово новий комплексний підхід до вивчення поперекового відділу
хребтового стовпа людини.

Вперше, на основі великого фактичного матеріалу, визначений діапазон
статевої і індивідуальної мінливості форми поперекових хребців у всі
періоди постнатального онтогенезу і побудовані адекватні тривимірні
комп’ютерні моделі для кожного вікового періоду. Проведено їх аналіз,
визначені деформації і напруги для різноманітних елементів моделі.

В ході дослідження встановлені закономірності онтогенезу трабекулярної
структури губчастої кістки різноманітних зон тіл поперекових хребців,
описані їх якісні і кількісні особливості.

Вперше досліджені особливості мінерального складу різноманітних ділянок
поперекових хребців, вміст макро- і мікроелементів, проведено кореляції
за віковими і статевими ознаками.

Проведено кристалографічне дослідження (методом рентгеноструктурного
аналізу) кісткового мінералу різноманітних зон поперекових хребців.

На основі великого фактичного матеріалу вивчені міцностні властивості
губчастої речовини кістки тіл перших поперекових хребців у всі періоди
постнатального онтогенезу й отримані формули регресійної залежності
біомеханічних показників від віку.

На основі отриманих даних, побудовані тривимірні комп’ютерні моделі
поперекових хребців різноманітних типів: твердотільні й з трабекулярною
структурою.

Методом комп’ютерного морфометричного аналізу великої бази даних
ЯМР-томограм, визначено діапазон індивідуальної мінливості поперекових
хребців, виявлені крайні геометричні форми і частота, з якою вони
зустрічаються. На основі отриманих даних побудовані тривимірні
комп’ютерні моделі і з використанням кінцево-елементного аналізу,
визначені деформації і напруги для них.

Вперше, із використанням методу кінцевих елементів, визначена
біомеханічна роль кожного елемента хребтового сегмента, досліджено
поводження 3-D моделі при статичному стиску і різноманітних рухах.

Практичне значення отриманих результатів. Результати дослідження
відбивають діапазон статевої та індивідуальної мінливісті поперекового
відділу хребта людини, а також закономірності етапів його онтогенезу.
Отримані нові дані, які доповнюють і розширюють існуючі уявлення про
вікові зміни трабекулярної структури різних зон тіл поперекових хребців,
їх мінерального й хімічного складу, міцностних властивостей та
ультраструктури мінерального компоненту.

Проведене компьютерне тривимірне моделювання анатомічних утворень
поперекового відділу хребтового стовпа дозволило розрахувати розподіл
напруг та ступінь деформації різноманітних елементів хребтових сегментів
в різні періоди онтогенезу, визначити межі та найбільшь несприятливі
місця механічних навантажень.

Отримані результати доповнили уявлення про структуру і функцію
поперекових хребців, ролі міжхребцевих дисків і зв’язок. Ці дані
дозволяють розрахувати доступи при ряді оперативних утручань на
поперековому відділі хребтового стовпа, дати морфологічне обгрунтування
використанню спеціальних фізичних вправ, визначити анатомічні межі
ергономических вимог для сидінь транспортних засобів.

Отримані дані використовуються при навчанні студентів медичних
університетів на морфологічних кафедрах та у практичній роботі
ортопедів-травматологів, хірургів, неонатологов, онкологів, геронтологів
при лікуванні пацієнтів, що страждають різноманітними формами
захворювань поперекового відділу хребта.

Створена комп’ютерна морфометрична програма “MORPHOLOG” використовується
при анатомічних дослідженнях в морфологічних лабораторіях ряду медичних
універсітетів при дослідженнях біологічних макро- та мікрооб’єктів.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом самостійно виконаний
патентно-інформаційний пошук, визначені мета та задачі дослідження,
розроблені методичні підходи побудови тривимірних моделей і їх аналізу,
відповідно до котрих автором особисто виконані всі дослідження нативних
препаратів і ЯМР-томограм. Автором особисто створені всі тривимірні
комп’ютерні моделі хребців, хребтових сегментів і в цілому поперекових
відділів хребтового стовпа, проведений їх аналіз із використанням методу
кінцевих елементів. Дисертантом проведене статистичне опрацювання
отриманих даних, оформлення їх у вигляді таблиць, графіків, цифрових
зображень, зроблений аналіз результатів, сформульовані основні положення
і висновки роботи. Основною є участь автора в підготувці статей до
преси, а також наукових розробок для оформлення Деклараційного патенту
України й Авторського посвідчення на комп’ютерну програму (в
співавторстві). У актах впровадження приводяться дані, що особисто
отримані автором у процесі виконання роботи. Автором не були використані
результати виконаної ним кандидатської дисертації та ідеї співавторів
публікацій.

Апробація результатів дослідження. Основні положення дисертації
оприлюднені на II, III, IV і V регіональних науково-практичних
конференціях «Морфогенез i патологія кicткової системи в умовах
промислового регіону» (Луганськ, 2001, 2002, 2003, 2005); на III
Національному Конгресі анатомів, гістологів, ембріологів і
топографоанатомів України (Київ, 2002); на VI Конгресі міжнародної
асоціації морфологів (Уфа, 2002); на „IX конгресі світової федерації
українських лікарських товариств» (Луганськ-Київ-Чикаго — 2002); на IV
Українській науково-практичній конференції «Остеопороз: епідеміологія,
клініка, діагностика, профілактика та лікування» (Луганськ, 2001); на
науково-практичній конференції «Ендокринний остеопороз: епідеміологія,
клініка, діагностика, профілактика та лікування» (Чернівці, 2002); на
науково-практичній конференції «Актуальні проблеми геріатричної
ортопедії» (Тернопіль, 2002); на міжнародній науково-практичній
конференції “Актуальні проблеми педіатричної остеології” (Євпаторія,
2003); на I Всеукраїнській науково-практичній конференції „Актуальні
проблеми біомінералогії” (Луганськ, 2004); на 99 конгресі анатомів
Германії (Відень, 2004); на VII конгресі міжнародної асоціації
морфологів (Казань, 2004); на Всеукраїнській науково-практичній
конференції “Проблеми захисту інтелектуальної власності в медицині та
біології” (Луганськ, 2005).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 42 наукові праці. Серед них
36 публікацій у наукових профільних виданнях, рекомендованих ВАК України
(28 самостійних); 1 деклараційний патент України на винахід; 5
публікацій у матеріалах і тезах конференцій, конгресів, з’їздів в яких
автор приймав участь.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 387
сторінках друкованого тексту, з котрих власне тексту 298 сторінок.
Робота включає такі розділи: вступ, огляд літератури, матеріал і методи
дослідження, результати дослідження (9 розділів), обговорення
результатів дослідження та аналіз отриманих даних, висновки, практичні
рекомендації, список використаних першоджерел літератури, що складається
з 412 найменувань (191 робота вітчизняних авторів, 221 — іноземних) і
додатки. Дисертаційна робота ілюстрована 162 малюнками (обсяг 2
сторінки) та 45 таблицями (обсяг 46 сторінок).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Матеріал і методи дослідження. Матеріалом дослідження послужили
препарати поперекових відділів хребта, що отримані від 212 нефіксованих
трупів осіб, різноманітних вікових періодів (від новонароджених до 88
річних) і 383 ЯМР-томограми поперекового відділу хребта пацієнтів (від 2
до 82 років). Всі препарати були отримані від осіб загиблих від травм
(без пошкодження хребта), гострих отруєнь, асфіксії або померлих раптово
від гострих серцевих та судинних захворювань. Комісією з біоетики
Луганського державного медичного університету (протокол № 3 від
10.11.05) встановлено, що проведені наукові дослідження препаратів та
ЯМР-томограм поперекового відділу хребта відповідають етичним вимогам
згідно наказу МОЗ України № 231 від 01.11.2000 року.

Матеріал розподілявся за 11 віковими групами, відповідно до вікової
періодизації, схваленої Академією педагогічних наук СРСР (1964) і
відображав усі періоди постнатального онтогенезу людини, окрім
довгожителів. У цілому, досліджувалися поперекові відділи хребтового
стовпа 595 суб’єктів, із них 304 чоловіки та 291 жінка.

ЯМР-томограми вивчалися за допомогою авторської комп’ютерної програми
для морфометричних досліджень “MORPHOLOG” (Свідоцтво про реєстрацію
авторського права на твір № 9604 від 19.03.2004). При цьому, томограми з
кістковою патологією виключалися з дослідження, а інші зображення
приводилися до формату *.bmp зображень і завантажувалися в програму.
Вимірювалися передня і задня висота тіла, верхній і нижній сагітальний
діаметр хребців, товщина середини міжхребцевих дисків, сагітальний
діаметр хребтового каналу, кут поперекового лордозу, попереково-крижовий
кут.

Вивчення нативних препаратів поперекового відділу хребтового стовпа
полягало в наступному: після вилучення хребці розділяли та скелетували,
далі проводилася остеометрія за методом Алексєєва В.П. (1966) у
модифікації автора. Програма остеометрії включала вимір наступних
розмірів для кожного хребця: передняя і задня висота тіла хребця;
верхній і нижній сагітальні діаметри тіла хребця; верхня, середня
(“талія хребця”) і нижня ширина тіла хребця, сагітальний та фронтальний
діаметри хребцевого отвору, висота й ширина ніжки хребця, довжина
верхнього і нижнього суглобових відростків, довжина поперечного й
остистого відростків. Далі розраховували такі індекси тіл поперекових
хребців:

k1 — висотний покажчик тіла хребця (відношення передньої висоти тіла
хребця до його задньої висоти);

k2 — подовжній покажчик тіла хребця (відношення верхнього сагітального
діаметра тіла хребця до нижнього);

k3 висотно-подовжній покажчик (відношення середньої висоти тіла хребця
до середнього сагітального діаметра).

Потім, за допомогою спеціального пристрою, розробленого автором
(“Пристрій для виготовлення серійних розпилів кісток скелета”
Деклараційний патент України № 64175А від 16.02.2004, Бюл. № 2), хребці
розпилювали в трьох взаємо-перпендикулярних площинах на окремі
фрагменти, після чого зразки зважували на аналітичних вагах ВЛА-200 із
точністю до 1 мг. П’ятнадцять зразків кісткової тканини стандартним
чином забиралися з кожного хребця в таких зонах: № 1 — переднє-верхній
відділ тіла хребця, № 2 — переднє-нижній відділ тіла хребця, № 3 —
верхнє-бічний відділ тіла хребця, № 4 — нижнє-бічний відділ тіла хребця,
№ 5 — верхнє-задній відділ тіла хребця, № 6 — нижнє-задній відділ тіла
хребця. Крім того, вивчалися зони середньої частини тіла хребця: № 1,5 —
передня, № 3,5 — бічна і № 5,5 — задня зони. Інші зразки забиралися з
дуги хребця праворуч — № 7 та ліворуч — № 8, із правого поперечного
відростка — № 9, із верхнього — № 10 і нижнього — № 11 правих суглобових
відростків, з остистого відростка — №12.

Цифрові зображення отриманих зразків одержували у форматі *.bmp 720 х
576 пікселей, 96 крапок на дюйм, із глибиною кольору 24 біта на
апаратно-програмному комплексі, реалізованому на основі комп’ютера
Celeron-800 Mh, RAM 256 Mb, HDD 40 Gb і videopresenter Samsung SVP-5500.
Далі проводили морфометрію отриманої бази зображень трабекулярної
структури різноманітних зон поперекових хребців за допомогою
оригінальної морфометричної програми “MORPHOLOG”. Вимірювали довжину і
діаметр вертикальних і горизонтальних трабекул та ширину
міжтрабекулярних просторів.

Далі проводився хімічний аналіз досліджуваних зон. Вміст води,
органічних і мінеральних речовин визначали ваговим методом, послідовно
висушуючи фрагменти кістки при температурі 105°С до постійної ваги в
сухожаровій шафі й озоляючи в муфельній печі при температурі 450-500°С
протягом 12 годин (Воложин А.И., 1976). Отриману кісткову золу розтирали
в порцеляновій ступці і зберігали в герметичних мікропробірках. Для
дослідження елементного складу кісток брали 5 мг кісткової золи і
розчиняли в 2 мл 0,1 Н хімічно чистої соляної кислоти, після розчинення
доводили обсяг розчину до 25 мл дистильованою водою. Визначення
мікроелементного складу кісткової золи проводили на атомно-абсорбційному
спектрофотометрі С-115, визначали вміст Zn, Mn, Mg, Fe, Cu. Визначення
макроелементів — Са, Na і К виконували на полум’яному фотометрі ПАЖ-3,
аналізовані зразки розпорошувалися в полум’ї пропан-бутан-повітря.
Визначення вмісту фосфору проводили на медичному аналітичному фотометрі
МЕФАН-8001. Довжина хвилі, при якій реєстрували оптичну щільність
розчинів, відповідала 405 нм, товщина поглинаючого шару складала 10 мм.

Для дослідження ультраструктури мінерального компонента кістки
використовували метод рентгеноструктурного аналізу (Подрушняк Е.П.,
Новохатский А.И., 1983). Аналіз кісткового порошку проводили на
рентгенівському дифрактометрі ДРОН-3 із гоніометричною приставкою ГУР-5.
Використовували Кб випромінювання міді з довжиною хвилі 0,15433 нм,
напруга на анодній трубці складала 30 кВ, сила анодного струму — 20 мА.
Дифраговані рентгенівські промені реєстрували в кутовому діапазоні від
2° до 37° зі швидкістю запису 1° за 1 хв. На отриманих дифрактограмах
досліджували найбільш виразні дифракційні піки, за кутовим положенням
яких розраховували параметри елементарної комірки кісткового мінералу
(Миркин Л.И., 1981). Набори дифракційних максимумів відповідали
з’єднанню Са5(РО4)3(ОН) (гідроксіапатит). Досліджували дифракційний пік,
розташований у кутовому діапазоні 30° — 34°, визначали його амплітуду.
Розрахунок параметрів гексагональної елементарної комірки
гідроксіапатиту проводився уздовж осей А і С, розрахунок її обсягу,
виконаний із урахуванням гексагональної сингонії кристалів. Розрахунки
проводили за дифракційними максимумами з міжплощинними відстанями
d/n=2,814100 (211), d/n=2,77860 (112), d/n=2,72060 (300). Розміри
кристалитів визначали за методом Селякова-Шерера.

Частину отриманих нативних препаратів хребців випробували на стиск. За
допомогою циркулярних фрез отримували стандартні зразки тіла L1, які
потім випробували на статичний стиск. Методика дослідження міцності
хребців при іспитах відповідала основним положенням ГОСТ 25.503-80
“Метод испытания на сжатие”. В якості випробувальної машини
застосовувалася електромеханічна машина Tiratest-2300 (Німеччина), що
відповідає вимогам ГОСТ 7855-84 і ГОСТ 8905-73. Випробувальна машина
була обладнана перетворювачем сили і переміщень із самописним приладом.
Помилка виміру стискального навантаження F перетворювачем сили не
перевищувала ±1%, самописний прилад ЛДА-01 забезпечував запис діаграми F
= f (?h). Швидкість переміщення активного захоплення випробувальної
машини підтримувалася постійною та дорівнювала 1,5 мм/хв, при цьому
швидкість відносної деформації не перевищувала 0,001с-1. За діаграмами
F=f(?h) будували діаграми напруг у = f(е) і розраховували межу міцності,
модуль Юнга, питому роботу руйнування.

Побудову тривимірних моделей поперекових хребців, міжхребцевих дисків,
зв’язок і в цілому поперекових відділів хребтового стовпа для осіб усіх
вікових груп (із використанням отриманих раніше даних остеометрії
нативних препаратів і морфометрії ЯМР-томограм) здійснювали на
комп’ютері Athlon-XP2000+, ATI-Raderon 9200, RAM 512Mb, HDD 60Gb із
використанням алгоритмів твердотільного параметричного моделювання.
Математичний аналіз отриманих 3-D моделей здійснювався методом кінцевих
елементів по Гауссу та Н’ютону-Рафсону при статичному аналізі на стиск,
з врахуванням попередньо отриманих даних біомеханічних іспитів нативних
препаратів (Зенкевич О., Морган К., 1986). Для генерації
кінцево-елементної сітки використовувалися параболічні трикутні і
тетраїдні елементи.

Статистичне опрацювання отриманих даних проводили використовуючи методи
параметричної статистики, кореляційного, дисперсійного й регресійного
аналізів.

Результати дослідження та їх аналіз. Поперекові хребці людини проходять
складні процеси розвитку і трансформації від сполучнотканинної стадії до
кісткової структури. Форма тіл хребців і міжхребцевих дисків тісно
пов’язана з віком. Різноманітні також й кількісні взаємовідношення між
кістковими та хрящовими частинами хребців на різних етапах онтогенезу.
Поперекові хребці в новонароджених за висотою наближаються до
міжхребцевих дисків. Тіла хребців овальної форми, із вдавленнями на
передній і задній поверхнях, що обумовлено входженням судин. У
залежності від віку, поступово змінюється форма тіла хребця і
співвідношення його з висотою диска. Форма тіла хребця до кінця першого
року життя з овальної переходить у форму паралелепіпеда з округлими
краями. Висота диска зменшується, він стає майже прямокутним. Змінюється
співвідношення між поперечними і подовжніми розмірами тіл хребців: якщо
в новонароджених воно дорівнює 6:3, то в дітей грудного віку — 5,5:3.
Протягом розвитку дитини передня поверхня тіла хребця росте більш
інтенсивно. За період раннього дитинства (до 3-х років) тіло хребця
набуває форми сектора тора з округлими фестончатими краями (що пов’язано
з початком формування додаткових точок зкостеніння апофіза), а потім, за
період першого дитинства (до 7 років) форму сектора циліндра із сильно
зкругленими верхніми і нижніми краями, на яких спостерігаються чисельні
невеликі радіальні борозни. Відповідно змінюється співвідношення
подовжніх розмірів тіла хребця до поперечних — 4,5:3. У цьому віці на
тілі хребця починає формуватися “талія”. Надалі, округлі верхні і нижні
края хребців отримують кільцеподібні вдавлення, які утворені хрящовим
краєм (крайовим валиком) і спостерігаються приблизно до 9-10 річного
віку. Точки зкостеніння в крайовому валику з’являються спочатку в
передньому більш товстому і широкому відділі апофізу. Проте вони можуть
з’являтися спочатку й у бічних, задніх ділянках крайового хрящового
валика. Суцільне зкостеніння крайового валика виявляється до 12 — 15
років, часткове злиття його з тілом хребця — до 15 — 17 років, а повний
синостоз із тілом — до 22 — 24 років. До юнацького віку поперечні і
подовжні розміри тіл хребців зрівнюються і вони набувають циліндричної
форми. Подальша трансформація тіл хребців у зрілому віці йде шляхом
поступового посилення двувигнутості суміжних поверхонь. Тіла хребців
мають у горизонтальному перетині бобоподібну форму з добре вираженою з
усіх боків “талією”. У періоді інволюції (похилий і старечий вік)
з’являються ознаки вікової остеопенії, що відбиваються, насамперед, на
вертикальних розмірах: висота тіл хребців знижується, особливо передня
(задні відділи тіл хребців зміцнюються ніжками дуги хребця). На
ЯМР-томограмах чітко видно, що форма тіл хребців із прямокутної
переходить у форму із сильно вираженою талією, увігнутими верхніми і
нижніми поверхнями. Достатньо часто виявляються явища деформуючого
спондильозу у виді крайових розростань кісткової речовини. Приведені
вище дані підтверджуються статистичними розрахунками: позитивний
кореляційний зв’язок між розміром передньої висоти тіла хребця й віком
був статистично достовірним і для чоловіків склав r = 0,57 (p<0,0001), а для жінок - r = 0,69 (p<0,0001). У новонароджених середні значення передньої висоти тіла для всіх поперекових хребців знаходиться в інтервалі 6,9 мм - 7,2 мм. Протягом першого року життя вони зростають у середньому на 20% і в дітей грудного віку даний показник реєструється в межах 8,4 мм - 8,5 мм. Найбільш інтенсивний ріст передньої висоти тіл хребців спостерігається в ранньому дитинстві (у середньому 43,4%). Причому, темпи росту поперекових хребців неоднакові - вони зростають у ряду від L1 (39,3%) до L5 (48,8%). Таким чином, у цьому віці починається диференціювання форми і розмірів поперекових хребців. Середні значення передньої висоти тіл хребців для дітей цієї групи (1-3 роки життя) відповідно зростають у каудальному напрямку відповідно до даних остеометрії від 11,7 мм до 12,5 мм. За даними морфометрії ЯМР-томограм отримано аналогічні значення - від 11,5 мм до 12,3 мм. Настільки ж інтенсивний приріст цього показника зберігається й у дітей наступної вікової групи (4-7 років життя) - у середньому 42,1% приросту (за даними ЯМР-морфометрії - 38,2%), але найбільш це характерно для L2 (50,4%) та L3 (52,9%). Відповідно, в них реєструються максимальні значення - 17,6 мм - 18,5 мм. Це, вірогідно, пов'язано з процесами формування поперекового лордоза. У періоді другого дитинства (до 11-12 років) швидкість росту хребців сповільнюється і, для передньої висоти тіл, найбільший показник (24,3%) характерний тільки для L3 (23 мм). Аналогічні дані отримані при морфометрії ЯМР-томограм: для L3 - 26,3%, при середньому значенні 20,2 мм. Для інших поперекових хребців значення цього розміру знаходилися в межах від 18,9 мм до 20,3 мм, а приріст складав у середньому 19%. У підлітковому віці темпи приросту цього розміру декілька збільшуються (другий стрибок росту), складаючи в середньому 25,2% (за даними аналізу ЯМР-томограм - 28,0%). Максимальна передня висота (28,2 мм) визначалася в L3, в інших хребцях вона складала 23,6 мм - 25,5 мм. У юнацькому віці темпи росту цього розміру хребців у середньому знижуються до 7,9% (5,9% за даними ЯМР-морфометрії), причому, мінімальні для L3 (2,8%). Але, незважаючи на це, у L3 передня висота тіла стабільно залишається найбільшою серед поперекових хребців, і в цьому віці складає 29 мм, хоча, різниця між ним та іншими хребцями декілька нівелюється. Мінімальне значення зареєстровано, як і в попередніх вікових групах, у L1. У осіб зрілого віку (1 період) приріст передньої висоти тіл поперекових хребців у середньому складає лише 2,2% (2,6% за даними ЯМР-морфометрії), що свідчить про уповільнення процесів росту і стабілізації розмірів поперекового відділу хребтового стовпа. Максимальне значення (30,8 мм) і приріст (6,2%) цього розміру визначалися для L3, а мінімальне значення - для L1 (25,5 мм). В другому періоді зрілого віку спостерігається початок інволютивних процесів, пов'язаних із віковою остеопенією: передня висота тіл хребців починає знижуватися (у цій групі в середньому на 3,4%). Найбільш повільно цей процес протікає для L5 - 0,7%, а максимально швидко в L3 - 4,9%. Середні значення передньої висоти в цій групі за даними остеометрії і ЯМР-морфометрії, склали: для L1 - 24,5 мм і 24,5 мм, для L3 - 29,3 мм і 28,2 мм та для L5 - 28 мм і 29,7 мм, відповідно. У похилому віці темпи зниження передньої висоти тіл хребців зберігаються незмінними (у середньому - 3,3% і 4,2%), а в старечому віці - декілька прогресують (становлять в середньому 4,9% і 9,7%) за даними остеометрії і ЯМР-морфометрії, відповідно. При проведенні регресійного аналізу, незважаючи на велику варіабельність даних у похилому і старечому віці, були визначені формули залежності передньої висоти тіл хребців від віку, що мають вигляд поліном: для чоловіків - ПВТ = 10,6 + 0,95 х n - 0,001 х n2, для жінок - ПВТ = 11 + 0,75 х n - 0,008 х n2, де ПВТ - передня висота тіла (у мм), n - вік (в роках). При вивченні подовжніх розмірів тіл хребців були отримані наступні результати. У новонароджених верхній і нижній сагітальні діаметри тіл поперекових хребців реєструвалися від 7,6 мм до 7,8 мм. Протягом першого року життя ці розміри збільшилися до 9,4 мм - 9,6 мм; таким чином, середній приріст склав 23%. У дітей раннього віку (від 1 до 3 років) спостерігається виражений стрибок росту сагітальних розмірів поперекових хребців (пов'язаний із змінами форми хребців, описаними раніше) - приріст склав 70,5% - 82,8%. Таким чином, середні значення верхнього сагітального діаметра в цьому віці склали 17,2 мм - 17,7 мм, а нижнього - 16,2 мм - 16,3 мм. Як і для вертикальних розмірів, у цьому віковому періоді ще не спостерігається будь яких відмінностей розмірів між п'ятьма поперековими хребцями. У дітей наступної вікової групи (перше дитинство), темпи росту сагітальних розмірів менші і за даними остеометрії складають 31% - 45,3%, а ЯМР-морфометрії - 22,6% - 27,4%. Значення верхнього сагітального діаметра для цієї групи послідовно зростали від 20,9 мм (для L1) до 24,9 мм (для L5). За даними ЯМР-морфометрії аналогічні значення склали 20,6 мм - 24,0 мм. У дітей наступної вікової групи (друге дитинство) середній приріст цього розміру склав 15,2 %- 19,9% (остеометрія) і 22,6% - 29,1% (ЯМР-морфометрія). Середні значення верхнього сагітального діаметра відповідно до даних остеометрії були від 24,6 мм (L1) до 28,8 мм (L3 і L4) і від 26,4 мм (L1) мм до 30,1 мм (L3) за даними ЯМР-морфометрії. У підлітковому віці темпи росту сагітальних розмірів сповільнюються, складаючи для верхнього діаметра тіла 7,4% (остеометрія) і 0,9% (ЯМР-морфометрія), а для нижнього - 13,4% і 6,8%, відповідно. Середні значення верхнього сагітального діаметра послідовно зростають в ряду поперекових хребців від 27,3 мм до 31,9 мм. В юнацькому віці спостерігається аналогічна закономірність: розмір зростає від L1 (30,1 мм) до L5 (34,6 мм), а приріст складає 14% - 15,5%. Для інших вікових періодів ця закономірність зберігається. Верхні сагітальні розміри поперекових хребців у наступні вікові періоди практично не змінюються (різниця складає 0,2% - 3,7%) і для старечого віку знаходяться в інтервалі середніх значень 34,2 мм - 37,5 мм. Різниця між даними, отриманими шляхом остеометрії і ЯМР-морфометрії для різних вибірок у середньому складала 4,7%. Коефіцієнти кореляції верхнього сагітального діаметра поперекових хребців із віком для чоловіків склали r = 0,76 (p<0,0001), а для жінок - r = 0,71 (p<0,0001). При проведенні регресійного аналізу були отримані формули вікової залежності: для чоловіків - ВСД = 12,7 + n - 0,009 х n2, для жінок - ВСД = 13,0 + 0,9 х n - 0,008 х n2, де ВСД - верхній сагітальний діаметр (у мм), n - вік (в роках). При статистичному дослідженні поперечних показників - верхньої, середньої і нижньої ширини тіл поперекових хребців було з’ясовано, що коефіцієнти кореляції цих показників із віком для чоловіків склали r = 0,78 (p<0,00001), а для жінок - r = 0,72 (p<0,0001). У новонароджених, у зв'язку з яйцеподібною формою тіла поперекових хребців, максимальною була середня ширина тіл (15,1 мм - 15,4 мм), а верхня і нижня - менше (14,5 мм - 14,9 мм). Протягом першого року життя приріст розмірів хребців у поперечному напрямку складав 16,9% - 18,8%, причому верхня і нижня ширина тіла збільшуються швидше і форма тіла хребця перетворюється в прямокутну. В результаті, інтервал середніх значень цих показників дорівнював 17,2 мм - 18,0 мм. Найбільш інтенсивний приріст фронтальних показників (як й інших), спостерігався в періоді раннього дитинства - за період від 1 року до 3-х років ширина тіла хребців збільшується на 54,5% - 66,4% і досягає інтервалу середніх значень від 27,2 мм до 29,5 мм. У періоді першого дитинства темпи росту фронтальних розмірів декілька нижчі - 17,4% - 30,5%. У цьому віковому періоді вже спостерігається диференціювання розмірів між поперековими хребцями - зростання ширини в каудальному напрямку від 31,4 мм до 36,5 мм. У періоді другого дитинства темпи приросту поперечних розмірів ще більше знижуються (до 2,6% - 7,4%), а в підлітковому віці спостерігається другий стрибок росту і темпи приросту поперечних розмірів досягають максимуму (20,8% - 27,7%). У цьому віці середня ширина хребців складає 41,0 мм – 47,0 мм і спостерігається формування “талії хребця” - середня ширина менше верхньої і нижньої. В юнацькому віці темпи росту ширини хребців знову знижуються до 6,1% - 10,1% і в першому періоді зрілого віку складають 4,4% - 5%. Середні значення ширини хребців знаходяться в інтервалі 46,9 мм - 53,3 мм. В другому періоді зрілого віку й у похилому віці не спостерігається зменшення поперечних показників хребців, що узгоджується з даними інших авторів (Борисевич А.И., Аристархов В.И., Еремейшвили А.В., 1989). Подальші процеси трансформації фронтальних розмірів йдуть за шляхом поглиблення “талії” хребців. У старечому віці верхня і нижня ширина тіл поперекових хребців знаходяться в інтервалі середніх значень від 50,2 мм до 54,7 мм, а середня ширина - від 47,3 мм до 50,0 мм (послідовно зростаючи від L1 до L5). При проведенні регресійного аналізу були отримані формули вікової залежності: для чоловіків - ВШТ = 21,0 + 1,4 х n - 0,012 х n2, для жінок - ВШТ = 21,5 + 1,2 х n - 0,011 х n2, де ВШТ - верхня ширина тіла хребця (у мм), n - вік (в роках). Індивідуальну мінливість поперекового відділу хребтового стовпа ми вивчали на 224 ЯМР-томограмах осіб IX вікової групи - другий період зрілого віку. З одного боку, до цього віку морфометричні показники хребтового стовпа дещо стабілізуються, а з іншої сторони, достатня кількість досліджуваних об'єктів дозволяє встановити межі і крайні форми анатомічної мінливості. При статистичному дослідженні розподілу значень індексу висоти тіла хребця - k1, ми виявили, що в каудальному напрямці L1 - L5 його середні значення зростають. Так, для L1 середнє значення склало 0,95±0,09, медіана - 0,94, сума всіх значень (224 випадки) - 231,59, мінімальне значення - 0,7, максимальне значення - 1,52, інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,89 - 1,01. Для L2 середнє значення дорівнювало 0,99±0,10, медіана - 0,98, сума всіх значень - 222,56, мінімальне і максимальне значення - 0,42 і 1,33, інтервал вірогідності (25%-75%) склав 0,93 - 1,05. Для L3 аналогічні параметри були такими: середнє значення - 1,04±0,11, медіана - 1,03, сума випадків - 232,81, діапазон значень - 0,54 - 1,59 та інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,98 - 1,10. В L4 зареєстроване середнє значення - 1,09±0,13, медіана - 1,08, сума випадків - 243,42, інтервал значень від 0,56 до 1,47, інтервал вірогідності (25%-75%) - 1,01 - 1,17. Для L5 аналогічні значення склали: середнє - 1,28±0,17, медіана - 1,25, сума значень - 285,99, їх інтервал від 0,81 до 1,79, інтервал вірогідності (25%-75%) - 1,17 - 1,38. Таким чином, форма саме п'ятого поперекового хребця має максимальний діапазон варіабельності. При аналізі цифрових даних, був підтверджений нормальний розподіл значень індексу k1 у випадку для кожного поперекового хребця, що підтверджує репрезентабельність даної вибірки. Індекс k1 послідовно зростає в ряду від L1 до L5. З одного боку це свідчить про підвищення ступеня “клиноподібності” поперекових хребців у каудальному напрямку, а з іншого боку - про існування визначених меж форми для кожного поперекового хребця окремо. У цілому, для всіх вивчених випадків (1120 хребців), середнє значення k1 дорівнювало 1,07±0,17, а межі інтервалу вірогідності (25%-75%) склали 0,96 - 1,16. Відповідно до наших розрахунків, орторахія визначається у 15,1% поперекових хребців, курторахія - у 54,6%, а койлорахія - у 30,3%. Таким чином, клиноподібна форма поперекових хребців є переважною, за рахунок цього і форми міжхребцевих дисків формується лордоз. Крайні форми курторахії k1>1,46 зареєстровані нами для 4% випадків, частіше всього
для L5. Крайні форми койлорахії k1<0,7, навпаки, відзначаються для L2, L3, L4 і всього лише в 0,4% випадків. При статистичному дослідженні розподілу значень подовжнього індексу тіла хребця - k2, ми виявили, що в каудальному напрямку його середні значення також зростають, тобто верхній сагітальний діаметр наближається за значеннями до нижнього (за винятком L4). Так, для L1 середнє значення k2 склало 0,95±0,08, медіана - 0,95, сума всіх значень - 213,81, мінімальне значення - 0,75, максимальне значення - 1,26, інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,91 - 1,0. Для L2 середнє значення k2 дорівнювало 0,97±0,07, медіана - 0,97, сума всіх значень - 217,94, мінімальне й максимальне значення - 0,73 і 1,30, інтервал вірогідності (25%-75%) склав 0,92 - 1,02. Для L3 аналогічні параметри були такими: середнє значення - 0,99±0,07, медіана - 0,99, сума випадків - 222,25, діапазон значень - 0,81 - 1,22 і інтервал вірогідності 25%-75% - 0,95 - 1,04. У L4 зареєстроване середнє значення 0,98±0,08, медіана - 0,97, сума випадків - 219,17, інтервал значень від 0,76 до 1,19, інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,93 - 1,02. Для L5 аналогічні значення склали: середнє - 1,03±0,10, медіана - 1,03, сума значень - 230,97, їх інтервал від 0,79 до 1,34, інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,97 - 1,09. Таким чином, максимальний діапазон варіабельності притаманий другому і п'ятому поперековим хребцям, а ширина діапазону значень k2 набагато нижча, ніж у k1. Крім того, можна помітити, що значення індексу для L4 ніби випадають із загальної спрямованості змін. Це можливо пояснити тим, що для L4 характерним є відносне збільшення нижнього сагітального діаметра, тому що максимум поперекового вигину припадає на сегмент L4/L5. Як і в попередньому випадку, аналіз підтвердив нормальний розподіл індексу k2. У цілому, середнє значення k2 дорівнювало 0,99±0,08, інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,93 - 1,03. Прямокутна форма хребців (0,98 ? k2 ? 1,02) зустрічалася в 24,6% випадків. Переважала трапецієподібна форма хребців, при котрій нижній сагітальний діаметр більше за верхній (k2<0,98). Вона була виявлена майже в половині випадків - 46,5%, крайні форми при котрих k2?0,79 зустрічалися лише в 8 випадках (0,7%). Форма хребців у вигляді зворотньої трапеції частіше спостерігалася для L5 і реєструвалася в 28,8% випадків. При крайніх значеннях k2?1,18 вона зустрічалася в 23 (2,1%) випадках. При аналізі висотно-подовжнього індексу k3, що характеризував відношення середньої висоти тіла хребця до середнього сагітального діаметра, були отримані наступні результати: середнє значення цього показника склало 0,77±0,10 при інтервалі вірогідності (25%-75%) - 0,7 - 0,83. Для L1 середнє значення k3 склало 0,78±0,10, медіана - 0,77, сума всіх значень - 173,81, мінімальне значення - 0,51, максимальне значення - 1,06, інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,71 - 0,85. Для L2 середнє значення k3 дорівнювало 0,78±0,09, медіана - 0,78, сума всіх значень - 175,05, мінімальне і максимальне значення - 0,54 і 1,0, інтервал вірогідності (25%-75%) склав 0,71 - 0,84. Для L3 аналогічні параметри склали: середнє значення - 0,78±0,09, медіана - 0,79, сума випадків - 174,67, діапазон значень - 0,48 - 1,02 та інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,73 - 0,84. В L4 зареєстроване середнє значення 0,75±0,09, медіана - 0,74, сума випадків - 167,52, інтервал значень від 0,52 до 1,0, інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,68 - 0,81. Для L5 аналогічні значення склали: середнє - 0,74±0,10, медіана - 0,74, сума значень - 165,5, їх інтервал - від 0,51 до 1,04, інтервал вірогідності (25%-75%) - 0,67 - 0,80. Індекс k3 у випадку квадрата дорівнює 1,0, тобто чим більш зплощено тіло хребця, тим показник менше. Таким чином, відповідно до наших даних, найбільш плоскими є L4 та L5. Як і в попередніх випадках, отримані значення цього індексу підпорядковувалися нормальному закону розподілу. Квадратну форму (0,98 ? k3 ? 1,02) має лише 1,6% хребців. Хребці, в котрих k3>1,02 нами виявлені лише в 3 випадках (0,3%). У інших 98,1%
поперекових хребців сагітальний діаметр тіла більший за висоту. Крайні
форми зниження висоти тіл хребців k3<0,51 спостерігалися нами лише в 4 випадках (0,4%). Поперековий лордоз відіграє надзвичайно важливу амортизуючу функцію, саме від його згину багато в чому залежить біомеханіка рухів людини. При статистичному аналізі кутових показників поперекового відділу хребтового стовпа нами були отримані наступні результати: середнє значення для кута лордоза - 151±10є, медіана - 152є, інтервал значень - від 112є до 175є, при інтервалі вірогідності (25%-75%) - 145є - 157є. Для попереково-крижового кута аналогічні значення склали: середнє - 123±10є, медіана - 123є, інтервал значень від 95є до 160є, при інтервалі вірогідності (25%-75%) - 118є - 130є. Використовуючи принцип Фергюсона ми встановили, що на досліджуваному матеріалі нормальні показники кута поперекового лордоза знаходилися в інтервалі 145є - 157є, що збігається з межами інтервалу вірогідності 25%-75%. Ці значення спостерігалися в 131 (58,5 %) випадку з 224. Гіперлордоз, коли кут був менший за 145є, спостерігався в 21,9 % випадків, при цьому мінімальне значення (112є) спостерігалося у жінки 52 років. Гіполордоз, при якому значення кута було більшим за 157є спостерігався в 19,6% випадків, при цьому максимальне значення 175є спостерігалося в 3 випадках у чоловіків 37, 39 та 43 років. При проведенні кореляційного аналізу ми встановили, що існує статистично значимий негативний кореляційний зв'язок між k1 і k3 та кутом поперекового лордоза. Таким чином, кут лордоза зменшується (виникає гіперлордоз) у випадку, якщо збільшується “клиноподібність” (зростає k1) L2 - L5 хребців, або L1 - L5 хребці “зплощуются” (зростає k3). Значний інтерес викликає той факт, що “клиноподібність” L1 ніяк не впливає на кут лордоза. Дійсно, при аналізі великої кількості ЯМР-томограм ми переконалися, що в більшості випадків L1 розташований вертикально, а максимум згину поперекового лордоза припадає на L4/L5 сегмент. Це статистично підтверджується: для L4 спостерігається максимальний негативний кореляційний зв'язок із кутом поперекового лордоза (r = -0,31). Попереково-крижовий кут пов'язаний лише з геометричною формою п'ятого поперекового хребця і збільшується з підвищенням його “клиноподібності” (ростом k1), або зі зростанням верхнього сагітального діаметра (ростом k2). Для вивчення впливу кута поперекового лордоза на біомеханіку рухів поперекового відділу хребтового стовпа, нами були створені три моделі поперекового відділу хребтового стовпа відповідно до результатів дослідження індивідуальної мінливості даного показника по ЯМР-томограмам: 3-D модель нормолордоза - кут вигину хребтового стовпа 152є, 3-D модель гіперлордоза - 112є і третя модель - гіполордоза, для якої кут складав 175є. Ці моделі містили в собі всі поперекові хребці, міжхребцеві диски і зв’язки хребтового стовпа, а основою служила нерухомо фіксована верхня замикальна пластинка крижової кістки (S1). Для кожної моделі була згенерована мережа кінцевих елементів зі стандартними розмірами елемента - 4,15 мм і толерантністю 0,2015 мм. Кількість елементів і вузлів визначалася тривимірною геометрією моделі. Таким чином, модель нормолордоза включала 51332 елементи і 13077 вузлів із 258234 ступенями свободи, модель гіперлордоза - 59069 елементів, 14090 вузлів, 286347 ступені свободи і модель гіполордоза - 56032 елементи, 13702 вузли, 275652 ступені свободи. Для всіх моделей були проведені розрахунки на статичний стиск в стандартних умовах: сила, прикладена на верхню замикальну пластинку L1 перпендикулярно її поверхні складала 1331 Н, замикальна пластинка S1 була нерухомо фіксована. При іспитах 3-D моделі нормолордоза були отримані наступні результати. Напруги на передній поверхні хребців склали: L1 - 2,68 МПа, L2 - 4,64 МПа, L3 - 7,52 МПа, L4 - 12,48 МПа і на L5 - 19,33 МПа, а на передній поверхні міжхребцевих дисків - L1/2 - 0,74 МПа, L2/3 - 0,97 МПа, L3/4 - 1,5 МПа, L4/5 - 2,38 МПа і на L5/S1 - 6,2 МПа. Таким чином, по-перше - напруги на нижчерозташованому диску були менше, ніж на хребці на 68% - 81%, а по-друге - напруги в хребцях зростали в каудальному напрямку від хребця до хребця на 55% - 73%, а в міжхребцевих дисках - на 31% - 59% і лише на останньому диску - на 161%. Відповідно, L5/S1 міжхребцевий диск відрізняється від інших максимальною товщиною й обсягом рухів. Результати кінцево-елементного аналізу двох інших моделей показали наступний характер розподілу напруг у хребцях і міжхребцевих дисках. Так, для моделі гіперлордозу максимальні напруги реєструвалися на передній поверхні L4 й особливо L5 хребців, де розташовані зони в яких напруги перевищують рівень 20 МПа. Кількісний аналіз розподілу напруг в елементах цієї моделі дав такі результати: для хребців - L1 - 3,92 МПа, L2 - 7,00 МПа, L3 - 13,54 МПа, L4 - 25,24 МПа, L5 - 48,41 МПа і для міжхребцевих дисків - L1/2 - 0,64 МПа, L2/3 - 1,48 МПа, L3/4 - 2,93 МПа, L4/5 - 5,52 МПа і L5/S1 - 9,99 МПа. Таким чином, по-перше, напруги в хребцях перевищують напруги в нижчерозташованих міжхребцевих дисках на 78% - 84%, по-друге, вони зростають у каудальному напрямку від хребця до хребця на 79% - 93%, а від диску до диску - на 81% - 131% і, по-третє, при гіперлордозі всі напруги в хребцях перевищують аналогічні значення для нормолордоза в 1,5 - 2,5 рази, а в дисках - у 0,9 - 2,3 рази (причому різниця зростала від L1 до L5). При аналізі іспитів на стиск цієї моделі було з’ясовано, що максимально деформованими ділянками є передня й задня поверхні останнього поперекового міжхребцевого диска, при цьому значення не перевищують 3% - 4%, а до максимальних зміщень схильні L1 - L2 хребці. При аналізі на стиск 3-D моделі гіполордоза були отримані наступні результати: до максимальних напруг схильні нижні края всіх поперекових хребців, при цьому концентрація напруг ніде не сягає рівня 20 МПа. При чисельному аналізі розподілу напруг під впливом стиску в цій моделі було з’ясовано, що напруги в хребцях дорівнюють: L1- 3,69 МПа, L2 - 4,02 МПа, L3 - 4,08 МПа, L4 - 4,07 МПа і L5 - 3,91 МПа, а в міжхребцевих дисках вони складають: L1/2 - 0,79 МПа, L2/3 - 0,78 МПа, L3/4 - 0,75 МПа, L4/5 - 0,78 МПа і L5/S1 - 0,85 МПа. Таким чином, по-перше, як і в двох попередніх моделях напруги в міжхребцевих дисках нижчі ніж у вищерозташованих хребцях на 78% - 82%. По-друге, на відміну від попередніх моделей, не відбувається зростання рівня напруг в елементах моделі в каудальному напрямку: напруги в різних хребцях відрізняються лише на 1% - 9%. Це справедливо і для міжхребцевих дисків. І, по-третє, напруги при гіполордозі менші за аналогічні при нормолордозі в 1,2 - 4,9 рази для хребців і в 1,2 - 7,3 рази для міжхребцевих дисків. Як і в попередніх випадках, з огляду на сегментарну будову хребтового стовпа, максимальні зміщення елементів відзначені для L1 і L2, а до деформацій, у відмінності від попередніх моделей, схильні рівномірно всі міжхребцеві диски. ¬ O V ¦ I * *’./e5-6"CHCicUOcOEAOUO?O¤OcOcOcOcOcOcOcO—cOcO?O?O‚ucOn CJ OJPJQJ ? ¬ h7q)CJ EHuey h7q)CJ OJPJQJ ???????ласична форма поперекового хребця є найбільш оптимальною для передачі відповідних навантажень на стиск. Крайні форми індивідуальної мінливості хребців, змінюючи геометрію конструкції, призводять до зниження функціональності системи. З іншого боку, середній кут поперекового лордозу (152є) є проміжним значенням між гіполордозом (175є) і гіперлордозом (112є). Таке розташування елементів хребтового стовпа є оптимальним і забезпечуює баланс між ступенем напруг у хребцях і дисках і амортизацією маси тіла: при гіполордозі напруги менші, але й амортизації немає; при гіперлордозі підвищується амортизація, але сильно зростають напруги в елементах системи. При дослідженні трабекулярної структури губчастої речовини було виявлено, що кожна зона тіл поперекових хребців має властиві їй особливості архітектоніки. Найбільш відрізняються від інших переднє-верхня зона, через наявність у ній специфічно нахилених трабекул (раніше виявлених на рентгенограмах Tanaka Y, 1975) і переднє-середня зона, у якій розташоване незвичайне скопичення кісткових пластинок (ламел) у формі “клину”. При дослідженні середніх розмірів трабекул на серединних зрізах тіла L3 у віковому аспекті, було виявлено зростання довжини вертикальних і горизонтальних трабекул від 243,1±41,4 мкм і 208,7±34,3 у новонароджених до 1328,5±112,5 мкм і 1053,7±97,5 мкм в осіб старечого віку. Зростає з віком і ширина міжтрабекулярних просторів - від 244,5±44,7 мкм до 876,3±80,3 мкм. До зрілого віку виявляється дійсне зростання розмірів трабекул, що відповідає росту висоти тіл хребців. У процесі інволютивних змін, характерних для похилого і старечого віку, висота хребців знижується. При цьому “подовження” трабекул відбувається за рахунок руйнації й випадіння частини з них в трабекулярній мережі в результаті остеопоротичних процесів. У той же час, крива діаметра вертикальних і горизонтальних трабекул має форму параболи. Збільшуючись від 175,3±6,8 мкм і 73,2±8,2 мкм у новорожденных, діаметри вертикальних і горизонтальних трабекул сягають піка в зрілому віці - 247,8±28,6 мкм і 124,2±10,9 мкм, а потім зменшуються до 243,3±36,0 мкм і 101,4±11,7 мкм у старечому віці. Зміни хімічного складу в губчастій речовині кістки мають яскраво виражену вікову залежність: збільшується об'ємна частка мінеральних і знижується частка органічних речовин і води. Так, у новонароджених середнє співвідношення мінеральних, органічних речовин і води складає відповідно 21%, 43% і 36%, а в осіб старечого віку - 76%, 13% і 11%. Це пов'язано з поступовим накопиченням кістковою тканиною кальцію і фосфору: їх вміст відповідно зростає від 22,23±4,82 г% і 11,89±2,29 г% у новорождених до 42,23±3,47 г% і 22,18±3,77 г% в осіб зрілого віку (потім їх вміст в зв'язку з інволюційними процесами знижується). Відповідно зростають розміри кристалів кісткового мінералу: розрахункові середні значення обсягу елементарної комірки кісткового гідроксиапатиту в осіб зрілого віку були вищими (834,859±1,561A3), ніж у новонароджених (789,309±1,721A3), що в цілому збігається з даними Подрушняка Е.П. і Новохацького А.І., (1983) для грудних хребців. Крім того, з віком змінюється і фазовий склад кісткового мінералу: в осіб зрілого віку кількість кристалітів зростає на 1,9%, а аморфного кальцію фосфату знижується на 1,33%. Збільшення розмірів кристалів і зниження кількості аморфного кальцію призводять до зниження площі обмінної поверхні, що, у свою чергу, викликає уповільнення обмінних процесів і зниження кількості елементів гідратного шару кристалів. І дійсно, кількість натрію і калію з віком зменшується: у новонароджених їх вміст складає 1,38±0,10 г% і 1,07±0,16 г%, а в осіб старечого віку - 1,04±0,22 г% і 0,50±0,11 г%, відповідно. Не настільки однозначно поводуються мікроелементи: вміст частини з них, наприклад цинку і заліза, не залежить від віку (r = 0,04 - 0,1), а концентрація інших дуже тісно пов'язана з віком. Так, вміст магнію, що конкурує за місце в кристалічній комірці кісткового мінералу з кальцієм, збільшується від 1,7±0,32 мг% у новонароджених до 5,79±1,26 мг% в осіб старечого віку. А вміст міді й марганцю, що приймають активну участь у різноманітних ферментах, максимальний в перше десятиріччя життя, після чого знижується, відповідно, на 26% і 46%, залишаючись потім на постійному рівні протягом життя. Вікові зміни хімічного складу (насамперед вмісту кальцію) позначаються на міцностних властивостях кістки, як матеріалу: модуль Юнга в новонароджених у середньому складає 20,8±10,0 МПа, в осіб зрілого віку досягає максимуму - 203,6±90,2 МПа, і знижується в осіб старечого віку до 71,7±38,2 МПа. Така ж динаміка характерна і для питомої роботи руйнації: вона зростає від 5,5±2,1 МДж до максимуму 46,5±12,7 МДж, а потім знижується до 18,2±11,7 МДж в аналогічні вікові періоди. Такий великий діапазон значень усіх біомеханічних показників (відповідно до даних кореляційного аналізу) пов'язаний з тим, що міцність кістки в більшій мірі залежить від стану здоров'я індивідуума, ніж від його віку. Межа міцності, що характеризує кістку як конструкцію, статистично значимо залежить від віку (r = -0,74 для чоловіків і r = -0,82 для жінок, при р<0,0001). Конструкція кістки тісно пов'язана з архітектонікою трабекулярної структури: оскільки з віком довжина трабекул збільшується, ширина міжтрабекулярних просторів теж, але діаметр трабекул знижується, відповідно знижуються міцностні властивості конструкції і межа міцності лінійно знижується від 9,6±3,2 МПа у новонароджених до 2,2±1,2 МПа в осіб старечого віку. Це підтверджує і доповнює дані Борисевич А.І. (1989), що досліджувала межу міцності поперекових хребців у чоловіків більшості вікових груп. Оскільки хребет має сегментарну будову, тобто складається із серії однотипних одиниць, для вивчення особливостей рухів у хребтовому стовпі достатньо змоделювати рухи в одному сегменті. Але для визначення особливостей напружено-деформованого стану хребтових сегментів, при виконанні різноманітних рухів в умовах статичного стиску, потрібно вивчити передачу механічних навантажень на сусідній сегмент. Тому нами була створена тривимірна комп'ютерна модель яка включала два суміжні хребтових сегменти осіб зрілого віку (IX вікова група). Вона складалася з трьох хребців, розташованих між ними двох міжхребцевих дисків і зв’язок: передньої та задньої поздовжньої, міжпоперечних, міжостьових і надостьової. Дана 3-D модель включала 52662 кінцеві елементи та 90426 вузли із 271278 ступенями свободи. Використовувалися параболічні трикутні і тетраїдні елементи розміром 4,15 мм і толерантністю 0,2075 мм. Біомеханічні властивості різноманітних елементів моделі узяті з літератури і даних власних досліджень. В заданих умовах іспиту верхній хребець знаходився під дією спрямованої вертикально донизу сили 1331 Н, що взята з розрахунку дії сили ваги тіла на L1 людини масою 76 кг, при цьому нижній хребець був нерухомо фіксований. Модель досліджувалася при таких станах: 1) статичний стиск (вертикальне положення тіла); 2) статичний стиск в сполученні із силами по 100 Н, прикладених у протилежних напрямках до поперечних відтростків верхнього хребця (обертання навколо вертикальної осі); 3) статичний стиск в сполученні із силою 100 Н, спрямованої вперед і прикладеної до верхнього хребця (згинання в сагітальній площині); 4) статичний стиск в сполученні із силою 100 Н, спрямованої назад і прикладеної до верхнього хребця (розгинання у сагітальній площині); 5) статичний стиск в сполученні із силою 100 Н, спрямованої вліво і прикладеної до верхнього хребця (нахил у фронтальній площині). Таким чином, ми змоделювали всі основні рухі в хребтових сегментах. Розрахунки 3-D моделі на статичний стиск показали наступне: максимальні напруги розподілялися рівномірно по корковій речовині хребців і гасилися трабекулярною структурою і міжхребцевими дисками. В результаті кінцево-елементного аналізу були визначені такі рівні напруг: на верхньому хребці - 9,34 МПа, середньому - 10,66 МПа і нижньому - 8,99 МПа; на верхньому міжхребцевому диску - 0,58 МПа, а на нижньому - 0,69 МПа; на передній поздовжній зв’язці - 0,02 МПа; на задній поздовжній зв’язці - 0,05 МПа; на верхніх міжпоперечних зв’язках (справа і зліва) - 0,01 МПа, а на нижніх - 0,04 МПа; на міжостьових зв’язках (верхній і нижній) - 0,02 МПа і на надостьовій - 0,03 МПа. Ці дані були надалі використані в якості контрольних значень при вивченні змін рівня напруг елементів системи при різноманітних рухах. Дослідження зміщень показало, що за даних умов зміщення елементів системи не перевищувало 0,3 мм і було максимальним для верхнього хребця, рівномірно зменшуючись донизу. Максимальним відносним деформаціям піддавалося волокнисте кільце міжхребцевих дисків: у момент стиску воно розтягувалося в місці контакту із драглистим ядром до 1,13%, а потім (за рахунок пружних властивостей) деформація зменшувалася до 0,5% у напрямку до периферії диска. В другому випадку, при вивченні впливу ротації навколо вертикальної осі максимальним напругам піддаються кортикальна речовина бічних поверхонь хребців, ніжки дуги хребця і поперечні відростки. При аналізі розподілу напруг у цій 3-D моделі, нами отримані наступні результати: їх рівень на верхній замикальній пластинці верхнього хребця - 7,84 МПа, на нижній - 0,95 МПа, на верхньому хребці - 10,89 МПа, середньому - 11,25 МПа, нижньому - 9,04 МПа. Напруги на верхньому міжхребцевому диску досягали 0,68 МПа, а на нижньому - 0,72 МПа. На передній поздовжній зв’язці зареєстровані напруги в 0,02 МПа, на задній - 0,01 МПа; на верхніх міжпоперечних - 0,16 МПа, а на нижніх - 0,29 МПа; на верхніх і нижніх міжостьових - 0,07 МПа і 0,15 МПа, відповідно; на надостьовій - 0,16 МПа і 0,26 МПа на рівні верхнього і нижнього хребців. Таким чином, при ротації навколо вертикальної осі рівень напруг у системі зростає: у верхньому хребці на 17%, середньому - на 6% і нижньому - на 1%, у верхньому міжхребцевому диску - на 17%, а нижньому - на 4%. Жорсткість системи підвищується: у місці навантаження - на верхній поверхні верхнього хребця напруги підвищуються на 23%, а в місці фіксації - на нижній поверхні нижнього хребця - на 32%. Але найбільші напруги фіксуються у зв’язковому апараті: рівень напруг у верхніх міжпоперечних зв’язках зростає в 16 разів, а в нижніх - у 7,3 разу; у верхніх міжостьових - у 3,5 рази, а в нижніх - у 7,5 разів. І якщо передня і задня поздовжні зв’язки не беруть участь в обмеженні цих рухів, й напруги в них практично не відрізняються від контрольних, то в надостьвій зв’язці вони вище в 5,3 - 6,5 рази. Максимальний рівень напруг зареєстрований у нижньому хребці, в його задньобічних відділах. При дослідженні рівня зміщень елементів моделі було з’ясовано, що вони максимальні для дуги і відростків верхнього хребця (де вони досягають 0,785 мм), поступово зменшуючись донизу. Таким чином, при ротації рівень зміщень в моделі збільшується в 2,6 рази і досягає 0,7є, що збігається з результатами гоніометричних вимірів рухливості хребтових сегментів Polikeit A. (2003) і дослідження 3-D моделей поперекового стовпа при різноманітних варіантах ламінектомії Zander T. (2003), що підтверджує валідність нашої моделі. При вивченні деформацій моделі в умовах стиску і ротації було з’ясовано, що в середньому він зростає в 1,6 рази в порівнянні з розрахунками на статичний стиск. Максимуму (1,86%) деформації сягають у задніх відділах волокнистого кільця міжхребцевих дисків та в міжостьових зв’язках у місцях їх зрощення з остистими відтростками. Рівень напруг вищий, ніж в умовах статичного стиску, сягає максимуму в міжпоперечних зв’язках (зростає в 16 разів), а рівень деформацій збільшується в 1,6 рази і максимальний - у задніх відділах міжхребцевих дисків. Наступним етапом проводилися розрахунки 3-D моделі на стиск у сполученні зі згинанням. При дослідженні рівня напруг у моделі при цих умовах були отримані такі результати: на верхньому хребці - 8,19 МПа, на середньому - 11,93 МПа і на нижньому - 11,27 МПа; на верхньому міжхребцевому диску - 0,97 МПа, а на нижньому - 1,23 МПа. На зв’язках були зареєстровані наспупні напруги: передня поздовжня - 0,036 МПа, 0,037 МПа і 0,049 МПа (на рівні верхнього, середнього і нижнього хребців), для задньої поздовжньої аналогічні значення склали - 0,32 МПа, 0,27 МПа і 0,26 МПа і для надостьової - 0,01 МПа, 0,01 МПа і 0,06 МПа, відповідно. У міжпоперечних - 0,63 МПа і 0,24 МПа - у верхніх і нижніх, відповідно, а для міжостьових аналогічні значення - 0,04 МПа і 0,03 МПа. Жорсткість системи в цілому знижується: рівень напруг на верхній замикальній пластинці складав 4,46 МПа, а на нижній - 0,15 МПа. Таким чином, при згинанні, рівень напруг у верхньому хребці знижується на 12%, у середньому - зростає на 12%, а в нижньому - вище контрольних на 25%. Максимальні напруги зареєстровані в передніх ділянках тіл хребців у районі “талії”. У міжхребцевих дисках напруги зростають на 67% і 78% (для верхнього і нижнього, відповідно). Рівень напруг у зв’язках хребтового стовпа істотно підвищується: у верхній поздовжній зв’язці у 1,8 - 2,5 рази, у нижній поздовжній зв’язці - у 26 - 32 рази, у верхніх міжпоперечних - у 63 рази, у нижніх - у 6 разів і в міжостьових верхніх - у 2 рази, у нижніх - у 1,5 рази. При аналізі зміщень елементів системи з’ясовано, що максимальними вони є для переднє-верхнього края тіла верхнього хребця і досягають 0,593 мм, що вище, ніж при статичному стиску в 2 рази. При аналізі деформацій було з’ясовано, що їх максимальні значення не перевищують аналогічних при статичному стиску (1,15 %) і спостерігаються в передніх відділах міжхребцевих дисків, які в момент стиску і згину вип'ячуються вперед. Таким чином, особливостями напружено-деформованого стану моделі при згинанні є те, що максимальні напруги в тілах хребців розташовані по передній поверхні в районі талії (більше 10 МПа). У зв’язку з цим, різке зростання рівня напруг визначається у верхніх міжпоперечніх (у 63 разу) і задній поздовжній (у 26 - 32 рази) зв’язках. Максимальним деформаціям піддаються передні відділи волокнистого кільця міжхребцевих дисків. При розрахунках 3-D моделі хребтових сегментів на стиск у сполученні з розгинанням, були отримані наступні результати: рівень напруг у тілах хребців склав для верхнього - 6,9 МПа, середнього - 11,37 МПа і нижнього - 8,35 МПа. Напруги у верхньому міжхребцевому диску спостерігалися 0,62 МПа, а в нижньому - 0,48 МПа. У передній подовжній зв’язці напруги склали: на рівні верхнього і середнього хребців - 0,03 МПа, а нижнього - 0,05 МПа. Для задньої поздовжньої зв’язки аналогічні значення складали - 0,02 МПа, 0,04 МПа і 0,06 МПа і для надостьової - 0,03 МПа, 0,05 МПа і 0,05 МПа. Рівень зареєстрованих напруг для верхніх міжпоперечних зв’язок склав 0,16 МПа і для нижніх - 0,19 МПа, аналогічні значення для міжостьових складали 0,06 МПа і 0,09 МПа. Ділянки хребців, у яких напруги були максимальні і перевищували заданий поріг у 10 МПа, були розташовані на заднє-бічній поверхні тіл хребців. Загальна жорсткість системи за таких умов іспитів падає: напруги в місці навантаження 3,35 МПа (на 48% менше ніж при статичному стиску), а в місці фіксації лише 0,1 МПа (на 86 % менше). Таким чином, при розгинанні в хребтових сегментах рівень напруг у тілах верхніх і нижніх хребців знижується на 26% і 7%, відповідно, а в середньому хребці, навпаки зростає на 7%. У верхньому міжхребцевому диску напруги знижуються на 7%, а в нижньому підвищуються на 30%. У передній і задній подовжніх з’вязках напруги зростають, відповідно, у 1,5 - 2,5 рази й у 2 - 6 разів. У верхніх міжпоперечних з’вязках напруги збільшується в 16 разів, а в нижніх - у 4,8 разу, аналогічні значення для міжостьових з’вязок складали 3 і 4,5 рази. При вивченні зміщень, було з’ясовано, що при розгинанні найбільше зміщуються заднє-верхні відділи тіла верхнього хребця і його відтростки. Максимальний рівень зміщень склав 0,434 мм, що в 1,4 разу перевищує контрольні значення. При розгляді ступеня деформації різноманітних елементів 3-D моделі було виявлено, що максимальний рівень деформацій (1,19%) спостерігається в задніх відділах міжхребцевих дисків, де драглисте ядро розтягує задній відділ волокнистого кільця і задньої поздовжньої зв’язки, крім того високий рівень деформацій спостерігається на суглобних відростках, які обмежують рівень розгинання, та в місцях прикріплення міжостьових зв’язок до відростків. Таким чином, при розгинанні максимальний рівень напруг спостерігається на заднє-бічних ділянках тіл хребців (більше ніж 10 МПа). Крім того, значно зростають напруги у зв’язковому апараті. До найбільших деформацій схильні задні відділи міжхребцевих дисків, суглобові відтростки і міжостьові зв’язки. При аналізі бічних рухів (нахил вліво) у 3-D моделі хребтових сегментів було з’ясовано, що максимальні напруги розташовані на бічній поверхні тіл хребців із боку нахилу. У першому хребці зліва (із боку нахилу) зареєстрована напруга 6,18 МПа, а справа (із боку протилежного нахилу) - 4,71 МПа, у другому хребці - 14,44 МПа і 3,96 МПа і у третьому - 14,41 МПа і 2,8 МПа, відповідно. У верхньому міжхребцевому диску зліва значення напруг дорівнюють 0,76 МПа, а справа - 0,48 МПа, в нижньому - 1,01 МПа і 0,32 МПа. Напруги в передній подовжній зв’язці склали 0,02 МПа, а в задній - 0,01 МПа, у міжостьових зв’язках - 0,02 МПа - 0,03 МПа, а в надостьовій - 0,01 МПа - 0,03 МПа. У верхніх міжпоперечних зв’язках напруги зліва - 0,14 МПа і справа - 0,07 МПа, аналогічні значення для нижніх міжпоперечних зв’язок склали - 0,19 МПа і 0,02 МПа. Загальна жорсткість системи, в порівнянні зі статичним стиском, знижується: у місці навантаження напруги складали 1,32 МПа (що на 79% нижче контролю), а в місці фіксації - 0,09 МПа (на 87% нижче контрольних значень). При бічних рухах напруги в хребцях із боку нахилу (у ділянках працюючих на стиск) перевищують аналогічні з протилежної сторони (у ділянках працюючих на розтяг) у 1,3 - 5,1 рази, причому різниця наростає в каудальному напрямку. Ділянки з максимальними напругами розташовані на бічних поверхнях хребців із боку нахилу. Таким чином, в усіх хребцях напруги нижчі аналогічних при статичному стиску: з боку протилежному нахилу на 50% - 69% (сторони працюючої на розтяг), а з боку нахилу (працюючої на стиск) - у верхньому хребці вони нижчі контролю на 34%, у середньому - вище на 35%, а в нижньому - вище контролю на 60%. Аналогічна ситуація спостерігається і для міжхребцевих дисків: із боку стиску - вище контролю на 31% і 46% (для верхнього і нижнього, відповідно), а з боку розтягу нижче на 17% і 54%. Значення напруг у передній і задній поздовжніх зв’язках при цих умовах іспитів не відрізнялися від контролю, у надостьвій були нижче на 25% - 67%. У верхніх міжпоперечних зв’язках із боку розтягу напруги зростали в 7 разів, а з боку стиску - у 14 разів. У нижніх міжпоперечних зв’язках напруги з боку розтягу були в 2 рази менше від контролю, а з боку стиску - в 4,8 рази вище. При аналізі зміщень було з’ясовано, що максимальні значення спостерігалися для верхнє-бічних структур верхнього хребця з боку нахилу і досягали 0,423 мм, що вище контролю в 1,4 рази. При аналізі розподілу деформацій у моделі виявлено, що зони максимальних деформацій розташовані в міжхребцевих дисках із боку нахилу, де вони досягали 3,46%, що вище контролю в 3,1 рази. Таким чином, при бічних нахилах спостерігається зростання рівня напруг у хребцях, міжхребцевих дисках і поперечних зв’язках із боку нахилу. Максимальні деформації виявлені у фіброзному кільці міжхребцевих дисків із боку нахилу. Створення і дослідження тривимірних комп'ютерних моделей поперекових відділів хребтового стовпа на основі отриманих даних при вивченні нативних препаратів і ЯМР-томограм дозволило розширити уявлення про розподіл напруг у поперекових хребцях, міжхребцевих дисках і зв’язках у різноманітних умовах навантаження. При аналізі методом кінцевих елементів напружено-деформованого стану 3-D моделей поперекового відділу хребтового стовпа осіб різноманітних вікових груп в умовах статичного стиску, ми з'ясували, що середній рівень напруг у поперекових хребцях і міжхребцевих дисках із віком зростає. Так, для L1 середній рівень напруг зростає від 0,18 МПа в новонарождених до 4,34 МПа в осіб старечого віку (коефіцієнт кореляції з віком склав r= 0,89 при р<0,05), аналогічні значення для L2 склали 0,15 МПа та 5,95 МПа (r= 0,95 при р<0,05), для L3 - 0,17 МПа і 8,57 МПа (r= 0,96 при р<0,05), для L4 - 0,14 МПа та 12,67 МПа (r= 0,96 при р<0,05) і для L5 - 0,15 МПа та 23,22 МПа (r= 0,95 при р<0,05). Для міжхребцевих дисків характерна така ж тенденція, хоча середній рівень напруг в них значно нижчий, ніж в хребцях завдяки амортизаційній властивості драглистого ядра. Для L1/2 диска середня напруга зростає від 0,12 МПа у новонароджених до 0,55 МПа в осіб похилого віку, після чого знижується до 0,4 МПа в осіб старечого віку (що пов'язано з дегідратацією і падінням тургору драглистого ядра), коефіцієнт кореляції з віком r= 0,68, при р<0,05. Для L2/3 диска аналогічні значення складають: 0,12 МПа в новонароджених, 1,32 МПа в осіб похилого віку і 0,69 МПа в осіб старечого віку (кореляція з віком r= 0,68, р<0,05), для L3/4 - 0,13 МПа, 1,46 МПа і 0,71 МПа (r= 0,7 при р<0,05), для L4/5 - 0,13 МПа, 2,7 МПа і 2,43 МПа (r= 0,93, р<0,05), відповідно. Для L5/Ѕ1 диска напруги зростають протягом всього постнатального онтогенезу від 0,11 МПа до 4,65 МПа. При подальшому дослідженні розподілів напруг між елементами досліджуваної системи (хребцями і міжхребцевими дисками) ми приймали середню напругу в L5 за еталон, перераховуючи відповідні абсолютні значення для інших елементів у відсотках стосовно нього - у відносних значеннях. Таким чином, ми з'ясували, що розподіл напруг між поперековими хребцями для осіб першого року життя (до формування поперекового лордоза) – першої і другої вікових груп абсолютно не схожі на інші вікові групи. У новонароджених і грудних дітей при вертикальному навантаженні максимум напруг припадає в місці навантаження на L1 - 120% і 169% (стосовно L5), відповідно. Відносні напруги на інших хребцях (93%-113%) і міжхребцевих дисках (73%-87%) у новонарождених розподіляються відносно рівномірно. У дітей грудного віку аналогічні значення складають 97%-100% для хребців і 46%-51% для міжхребцевих дисків. У процесі формування поперекового лордозу розподіл напруг у системі змінюється - вони зосереджуються в елементах, які розташовані нижче, (тому нижні хребці стають більш масивними), крім того, відносні напруги в міжхребцевих дисках у 4 - 18 разів менші, ніж у відповідних хребцях. Відносні напруги в L1 із віком зростають від 6% до 19% (стосовно L5), у L2 - від 6% до 26%, у L3 - від 4% до 27% і в L4 - від 35% до 55%, для осіб третьої – одинадцятої вікових груп, відповідно. Відносні напруги в міжхребцевих дисках, на відміну від хребців, із віком істотно не змінюються і складають: для L1/2 - 1%-2%, для L2/3 - 2%-5%, для L3/4 - 3%-7%, для L4/5 - 8%-14% і для L5/Ѕ1 - 17%-26%. Таким чином, із віком відбувається перерозподіл напруг між елементами системи: за рахунок зниження амортизаційних властивостей міжхребцевих дисків збільшується навантаження на хребці. Цей процес, у сполученні з віковим остеопорозом, призводить до підвищеного навантаження на трабекули губчастої речовини кістки, що може сприяти утворенню мікропереломів. ВИСНОВКИ У дисертаційній роботі вирішена актуальна наукова проблема - вивчені структурно-функціональні основи організації поперекового відділу хребта людини на всіх етапах постнатального онтогенезу, на основі чого створені адекватні тривимірні комп'ютерні моделі, що дозволяють прогнозувати поводження цієї системи і віртуально оптимізувати оперативні втручання. Авторське програмне забезпечення “MORPHOLOG” можна використовувати для морфометричних досліджень великих баз даних ЯМР-томограм. При дослідженні двох незалежних виборок методами прямої остеометрії і ЯМР-морфометрії різниця не досягає статистичної достовірності, у середньому складаючи 4,7%. При дослідженні остеометричних показників поперекових хребців виявлені наступні закономірності: передня висота тіла хребця максимальна для L3, а задня мінімальна в L5; верхній сагітальний діаметр, довжина суглобових відростків, висота і ширина ніжок хребців послідовно збільшуються в каудальному напрямку; нижній сагітальний діаметр і фронтальні розміри зростають від L1 до L4, а в L5 декілька знижуються; довжина поперечних й остистих відростків максимальна для L3 і зменшується в краніальному і каудальному напрямках; фронтальний діаметр хребтового каналу розширюється в каудальному напрямку, а в сагітальний площині є звуження на рівні L3. У періоді першого і другого дитинства, а також у підлітковому віці, остеометричні розміри поперекових хребців у жінок в середньому більше на 4,3%-15,7%, а в зрілому і старечому віці, навпаки, розміри в чоловіків перевищують аналогічні в жінок на 4,4%-13,7%. Найбільш активний ріст поперекових хребців спостерігається в період першого і другого дитинства (1-7 років), коли темпи росту складають 28,2%-82,8%. Починаючи з другого періоду зрілого віку, спостерігається зниження висотних розмірів поперекових хребців, темпи якого складають 0,4%-4,8%, інші остеометричні показники вірогідно не змінюються. При вивченні меж індивідуальної мінливості поперекових хребців встановлено, що орторахія визначається для 15,1% поперекових хребців, курторахія - для 54,6%, а койлорахія - для 30,3%. Таким чином, клиноподібна форма хребців є переважною, за рахунок чого, та форми міжхребцевих дисків формується поперековий лордоз. Крайні форми курторахії k1 ? 1,46 зареєстровані в 4 % випадків, частіше для L5. Крайні форми койлорахії k1 ? 0,7, навпаки, відзначаються для L2, L3, L4 усього лише в 0,4 % випадків. Середні показники кута поперекового лордоза (145є-157є) спостерігалися в 131 (58,5%) випадку з 224. Гіперлордоз, коли кут був меншим за 145є, спостерігався в 21,9 % випадків, при цьому мінімальне значення (112є) спостерігалося лише в одному випадку. Гіполордоз, при якому значення кута було більше, ніж 157є, спостерігався в 19,6 % випадків, при цьому максимальне значення 175є спостерігалося в 3 випадках. У кожній зоні губчастої речовини тіл хребців поперекового відділу є властиві їй особливості форми, розмірів і розташування трабекул, що залежать, насамперед, від механічного навантаження. Найсильніше від інших відрізняється архітектоніка передньо-верхньої зони - наявність у ній специфічних трабекул, що підтримують верхній вентральний кут хребця, і передньо-середньої зони - розташування тут сагітальних пластинчастих трабекул у формі клина. Мікроструктура губчастої речовини в тілі хребця може бути описана, як кубічна система вертикальних і горизонтальних пластин або прутів, точна геометрія якої залежить від анатомічної ділянки хребця, віку і здоров'я людини. Морфометричний аналіз показав, що відносна щільність і товщина трабекул у тілах хребців зменшується з віком так, як і кількість трабекул. Створення й удосконалення комп'ютерних кінцево-елементних моделей, на сьогоднішній день, є найкращим засобом описання структурно-функціональних відношень губчастої речовини хребців. Протягом усього періоду постнатального онтогенезу, в поперекових хребцях відбуваються активні процеси хімічного обміну: від народження до зрілого віку наростає вміст кальцію і фосфору, але знижується вміст натрію і калію. Потім, у похилому і старечому віці спостерігаються процеси вікового остеопорозу - втрата кальцію. Крім того, із віком у поперекових хребцях беззупинно знижується питомий вміст води й органічних речовин і наростає відсоток мінеральних речовин. З віком спостерігається достовірне збільшення об’єму елементарної комірки кристалів, за рахунок цього відбувається зменшення міжплощинних відстаней. Це призводить до зменшення активної поверхні кісткового мінералу і як слідство – до зниження швидкості обмінних процесів. Кістковий мінерал різноманітних зон поперекових хребців має визначені особливості, пов'язані не тільки з взаємовідношенням компактної і губчастої речовини кістки, але і з розподілом сил навантаження. У зрілому віці знижується коефіцієнт мікротекстурування, що свідчить про зростання неоднорідності розташування подовжніх вісей кристалів гідроксиапатиту. Останні орієнтуються вздовж ліній силових напруг, які виникають при осьовому навантаженні на хребтовий стовп. Водночас, змінюється фазовий склад кісткової золи: зростає доля кристалітів і знижується вміст аморфного фосфату кальцію. Результати аналізу кореляційних залежностей між досліджуваними біомеханічними показниками L1 та віком суб'єкта свідчать, що лише межа міцності є показником залежним від віку (r = -0,74 і r = - 0,81 при p>0,0001 для чоловіків і жінок, відповідно), в той час як модуль Юнга і
питома робота руйнації скоріше залежать від стану здоров’я конкретного
індивідуума.

Кінцево-елементний аналіз довів, що звичайна форма поперекового хребця є
оптимальною для передачі відповідних навантажень на стиск, а крайні
форми індивідуальної мінливості хребців, які змінють їх геометрію,
призводять до зниження функціональності системи.

Дані комп’ютерного моделювання методом кінцевих елементів довели, що
середній кут поперекового лордоза (152є) є проміжним значенням між
гіполордозом (175є) і гіперлордозом (112є) і таке розташування елементів
хребтового стовпа є оптимальним із біомеханічної точки зору,
забезпечуючи баланс між ступенем напруг у хребцях і міжхребцевих дисках
та амортизацією маси тіла. При гіполордозі напруги стають меншими, але
відсутня амортизація тіла під час ходи та бігу, при гіперлордозі
підвищується амортизація, але сильно зростають напруги в елементах
системи.

ПРАКТИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ:

Отримані в результаті дослідження дані про хімічний склад поперекових
хребців і їх біомеханічні властивості, у порівняльному віковому і
статевому аспектах, повинні враховуватися при розробці планів фізичної
підготовки спортсменів і дозуванні фізичних навантажень у кабінетах
лікувальної фізкультури.

Дані про діапазони вікових і статевих особливостей розмірів поперекових
хребців можуть бути використані хірургами під час проведення оперативних
втручань на поперековому відділі хребта (чрезніжкова вертебропластика,
корпородез та інші).

Створені 3-D моделі поперекового відділу хребта дозволяють аналізувати
різноманітні впливи зовнішніх і внутрішніх чинників, і можуть бути
використані інженерами під час проектування ергономічних крісел (у
транспорті, будуванні літаків і космічної техніки), лікарями для
оптимізації оперативних втручань (уточнення біомеханічних наслідків
резекції тієї або іншої частини хребця, вибір матеріалу і форми
трансплантату, конструювання протезів та інше).

Тривимірні комп’ютерні моделі сегментів хребта вперше дозволять лікарям
мануальним-терапевтам точно розрахувати механізм і наслідки впливів
різноманітних лікувальних маніпуляцій.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Ковешніков В.Г., Лузін B.I., Маврич В.В. Особливості морфометрії хребців
поперекового відділу людини // Буковинський медичний вісник — Чернівці,
2001. — T. 5. -№ 3-4. — С. 55-56. (пошукувачем проведено аналіз даних
літератури, набір та друк матеріалу).

Ковешников В.Г., Маврич В.В., Чистолинова Л.И., Недоступ Н.Ф., Скрябина
Е.Н., Овчаренко В.А. Новый способ остеометрии позвонков // Проблеми
остеології. – 2001. – Т. 4, № 1-2. — С. 73-74. (пошукувачем особисто
подано ідею нового способу остеометрії хребців, проведено його
удосконалення).

Маврич В.В. Сравнительный морфометрический анализ позвонков поясничного
отдела // Український медичний альманах. – 2001. – Т. 4, № 3. — С.
112-114.

Маврич В.В., Овчаренко В.В., Жигунов А.Ю., Фоменко В.А. Сравнительный
анализ содержания фосфора в различных зонах позвонков поясничного отдела
позвоночника человека // Український медичний альманах. – 2001. – Т. 4,
№ 4. — С. 102-104. (пошукувачем проведено аналіз отриманих даних,
біохімічні дослідження набір та друк тексту).

Маврич В.В. Особенности содержания минеральных веществ в различных зонах
позвонков поясничного отдела // Український медичний альманах. – 2001. –
Т. 4, № 5. — С. 85-87.

Маврич В.В. Особливості вмісту органічних речовин у різних зонах хребців
поперекового відділу // Український медичний альманах. – 2001. – Т. 4, №
6. — С. 103-105.

Ковешніков В.Г., Маврич В.В., Недоступ М.Ф., Чистолінова Л.І. Аналіз
розподілу заліза в різних зонах поперекових хребців людини // Проблеми
остеології. – 2002. – Т. 5, № 2-3., С. 63-66. (пошукувачем проведено
набір матеріалу, біохімічні дослідження зразків, аналіз даних).

Маврич В.В. Особенности гидратации различных зон позвонков поясничного
отдела человека // Український медичний альманах. – 2002. – Т. 5, № 1. —
С. 187-189.

Маврич В.В. Морфометрический анализ поясничного отдела позвоночного
канала // Український медичний альманах. – 2002. – Т. 5, №2. — С. 62-63.

Маврич В.В. Сравнительный анализ биомеханических параметров и содержания
минеральных веществ в поясничных позвонках человека // Український
медичний альманах. – 2002. – Т. 5, № 5. — С. 87-89.

Ковешніков В.Г., Маврич В.В. Аналіз розподілу кальцію в різних зонах
поперекових хребців людини // Український морфологічний альманах. –
2003. – Т. 1, № 1. – С. 24-26. (пошукувачем проведено набір матеріалу,
біохімічні дослідження зразків, аналіз даних).

Ковешников В.Г. Маврич В.В. Сравнительный анализ минерализации различных
зон поясничных позвонков новорожденных и лиц зрелого возраста //
Український медичний альманах. — 2003. – Т. 6, №2. — С. 90–93.
(пошукувачем проведена обробка отриманих даних, набір та друк
матеріалу).

Ковешников В.Г., Маврич В.В., Кащенко С.А. Алгоритм остеометрического
исследования // Буковинський медичний вісник. — 2003. — Т. 7, № 3. — С.
180-186. (пошукувачем проведено аналіз даних, друк тексту та підготовку
ілюстрацій стосовно поперекових хребців людини).

Маврич В.В. Морфометричний аналіз трабекулярної структури різних зон
першого поперекового хребця // Вісник морфології. – 2003. – Т. 9, № 2. –
С. 180-181.

Маврич В.В. Сравнительный анализ распределения воды и органических
веществ в различных зонах поясничных позвонков новорожденных //
Український медичний альманах. – 2003. – Т. 6, № 1. — С. 71-74.

Маврич В.В. Особливості будови й хімічного складу різних зон поперекових
хребців людини // Проблеми остеології. – 2003. – Т. 6, № 1-2. — С.
88-90.

Маврич В.В. Рентгеноструктурный анализ различных зон поясничных
позвонков новорожденных и лиц зрелого возраста // Український
морфологічний альманах. – 2003. – Т. 1, № 2. — С. 52-56.

Маврич В.В. Особливості будови губчастої речовини різних зон поперекових
хребців людини на горизонтальних розпилах // Проблеми остеології. –
2003. – Т. 6, № 3. — С. 51 — 53.

Маврич В.В. Сравнительный морфологический анализ различных зон тел
поясничных позвонков человека на фронтальных срезах // Український
медичний альманах. – 2003. – Т. 6, № 3. — С. 100-103.

Маврич В.В. Морфометрический анализ различных зон губчатого вещества тел
поясничных позвонков новорожденных // Ортопедия, травматология и
протезирование. – 2003. — № 4. — С. 26-29.

Маврич В.В. Особенности архитектоники губчатого вещества различных зон
тел поясничных позвонков человека // Таврический медико-биологический
вестник. – 2003. – Т. 6, № 4. — С. 98-104.

Маврич В.В. Исследование межтрабекулярных пространств различных зон
губчатого вещества тел поясничных позвонков человека // Український
медичний альманах. – 2003. – Т. 6, № 4. — С. 90-92.

Маврич В.В., Єрьомін А.В. Вікова динаміка концентрації макроелементів
кісткової тканини в різних зонах поперекових хребців людини //
Український медичний альманах. – 2003. – Т. 6, № 5. — С. 103-106.
(пошукувачем проведено аналіз отриманих даних, біохімічні дослідження,
набір та друк тексту).

Маврич В.В. Исследование микроструктурных свойств губчатой кости тел
поясничных позвонков человека с использованием трехмерных структурных
моделей // Український медичний альманах. – 2003. – Т. 6, № 6. — С.
199-201.

Ковешніков В.Г., Кащенко С.А., Маврич В.В. Метод морфометричного
дослідження та оцінки структурно-функціонального стану кісток //
Клінічна анатомія та оперативна хірургія. — 2004. — Т. 3, № 2. — С.
59-62. (пошукувачем проведено аналіз даних, друк тексту та підготовку
ілюстрацій стосовно поперекових хребців людини).

Маврич В.В. Биомеханические свойства замыкательных пластинок поясничных
позвонков человека // Український медичний альманах. – 2004. – Т. 7, №
1. – С. 100-102.

Маврич В.В. Использование компьютерных методов анализа при
морфометрическом исследовании губчатой кости тел позвонков человека в
возрастном аспекте // Медицина сегодня и завтра. – 2004. — № 1. — С.
34-37.

Маврич В.В. Фазовый состав различных зон поясничных позвонков по данным
рентгеноструктурного анализа // Український морфологічний альманах. –
2004. – Т. 2, № 1. — С. 51-54.

Маврич В.В. Біомеханічні властивості різних зон тіл поперекових хребців
людини на горизонтальних розтинах // Український медичний альманах. –
2004. — Т. 7, № 2. — С. 108-110.

Маврич В.В. Исследование губчатой кости поясничных позвонков на
горизонтальных распилах и рентгенограммах с использованием программы
«MORPHOLOG»: сравнительный анализ // Український медичний альманах. –
2004. – Т. 7, № 3 (додаток). — С. 69-71.

Маврич В.В. Використання комп’ютерної програми «MORPHOLOG» для
морфометричного дослідження губчастої кістки // Таврический
медико-биологический вестник. – 2004. – Т. 7, № 4. – С. 181-183.

Маврич В.В. Ножки поясничных позвонков: клинико-анатомическое
исследование // Український медичний альманах. – 2004. – Т. 7, № 6. — С.
97-99.

Ковешников В.Г., Маврич В.В., Еремин А.В. Конечно-элементные модели
поясничного отдела позвоночника // Український морфологічний альманах. —
2005. – Т. 3, №1. — С. 34-39. (пошукувачем особисто подано ідею
створення моделей, проведено їх удосконалення).

Маврич В.В., Болгова Е.С., Попов О.В. Возрастные особенности
морфометрических показателей поясничного отдела позвоночника человека по
данным ЯМР-томографии // Український медичний альманах. — Том 8, №2 —
2005. — С. 89 — 92. (пошукувачем проведено морфометричні дослідження
великої бази ЯМР-томограмм, аналіз отриманих результатів).

Маврич В.В. Крайние формы индивидуальной изменчивости поясничных
позвонков // Український морфологічний альманах — 2005. – Т. 3, № 2.– С.
52 — 56

Маврич В.В. Применение методов компьютерного трехмерного моделирования в
современных научных исследованиях // Український медичний альманах. —
2005. – Т. 8, № 4. – С. 102-105.

Деклараційний патент на винахід 64175 А Україна, А61В17/00. Пристрій
для виготовлення серійних розпилів кісток скелета. Деклараційний патент
на винахід 64175 А Україна. А61В17/00/ Ковешніков В.Г., Маврич В.В.,
Кащенко С.А.; Заявл. 05.03.03; Опубл. 16.02.04; Бюл. №2. (пошукувачем
виконано 40% роботи: особисто здобувачем подано ідею винаходу,
виготовлено та удосконалено пристрій).

Ковешніков В.Г., Маврич В.В., Недоступ М.Ф., Чистолінова Л.І.
Комп’ютерне моделювання поперекових хребців людини // Труди IX Конгресу
Світової Федерації Українських Лікарських Товариств. —
Луганськ-Київ-Чикаго. — 2002. – С. 447. (пошукувачем проведено аналіз
даних літератури, розроблені методи моделювання хребців, набір та друк
тексту).

Ковешников В.Г., Маврич В.В., Недоступ Н.Ф., Чистолинова Л.И.
Сравнительный анализ химического состава и прочности позвонков человека
// Морфология. — 2002. – Т. 121, № 2-3. — С. 73. (пошукувачем проведено
аналіз отриманих даних, біохімічні та біомеханічні дослідження).

Ковешников В.Г., Маврич В.В. Особенности строения и химического состава
позвонков поясничного отдела под влиянием экологических факторов
промышленного региона Донбасса // Саміт нормальних анатомів України та
Росії. — Тернопіль: Укрмедкнига, 2003. — С. 53-58. (пошукувачем
проведено аналіз отриманих даних, біохімічні та гістоморфометричні
дослідження).

Маврич В.В. Сравнительный анализ размеров позвоночного канала
поясничного отдела у лиц разного возраста // Наук. прац. I Міжрегіон.
конф. молод. вчених „Актуальні питання біології та медицини”. –
Луганськ: АЛЬМА-МАТЕР, 2003. – С. 58-60.

Ковешников В.Г., Маврич В.В., Еремин А.В. Трехмерные структурные модели
губчатой кости тел позвонков // Морфология. — 2004. – Т. 126, №4. — С.
60. (пошукувачем проведено аналіз даних літератури, розроблені
концептуальні підходи до моделювання губчастої кістки, набір та друк
тексту).

Анотація

Маврич В.В. Структурно-функціональні основи організації поперекового
відділу хребта людини в онтогенезі. — Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора медичних наук за
спеціальністю 14.03.01 — нормальна анатомія. — Харківський державний
медичний університет МОЗ України, Харків — 2005.

Дисертація присвячена вивченню меж вікових особливостей, статевої і
індивідуальної мінливості поперекового відділу хребта людини у всі
періоди постнатального онтогеза. У роботі були використані
остеометричні, морфометричні, біохімічні, гістоморфометричні,
біомеханічні методи, метод ЯМР-томографії, рентгеноструктурного аналізу,
тривимірного комп’ютерного моделювання і кінцево-елементного аналізу. В
ході роботи створений апаратно-програмний комплекс для морфометричних
досліджень, розроблене обладнання для підготування кісткових зразків і
новий засіб створення тривимірних комп’ютерних моделей поперекового
відділу хребта.

Застосування тривимірного моделювання дозволило розширити уявлення про
біомеханіку хребтового стовпа. Кінцево-елементний аналіз довів, що
звичайна форма поперекового хребця є оптимальною для передачі
відповідних навантажень на стиск, а крайні форми індивідуальної
мінливості хребців (які зустрічаються у 0,4% — 4,0% випадків), змінюючи
його геометрію, призводять до зниження функціональності системи. Методом
кінцевих елементів були розраховані напруги і деформації у всіх
поперекових хребцях і міжхребцевих дисках на основі створених
тривимірних комп’ютерних моделей хребта для усіх вікових груп.
З’ясовано, що до періоду формування поперекового лордозу (у
новонароджених і грудних дітей), має місце цілком інший принцип їх
розподілу.

Ключові слова: поперекові хребці, хребтові сегменти, тривимірні
комп’ютерні моделі, кінцево-елементний аналіз.

Аннотация

Маврич В.В. Структурно-функциональные основы организации поясничного
отдела позвоночника человека в онтогенезе. — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора медицинских наук по
специальности 14.03.01- нормальная анатомия. — Харьковский
государственный медицинский университет МЗО Украины, Харьков — 2005.

Диссертация посвящена изучению границ возрастных особенностей, половой и
индивидуальной изменчивости поясничного отдела позвоночника человека во
все периоды постнатального онтогеза. В работе были использованы
остеометрические, морфометрические, биохимические,
гистоморфометрические, биомеханические методы, метод ЯМР-томографии,
рентгеноструктурного анализа, трехмерного компьютерного моделирования и
конечно-элементного анализа. В ходе работы создан аппаратно-программный
комплекс для морфометрических исследований, разработано оборудование для
подготовки костных образцов и новый способ создания трехмерных
компьютерных моделей поясничных отделов позвоночника.

В результате проведенного исследования было установлено, что активный
рост поясничных позвонков человека продолжается до зрелого возраста,
после чего, в результате инволютивных изменений, высота позвонков
несколько снижается (остальные размеры не меняются).

При исследовании трабекулярной структуры было выявлено, что каждая зона
тел поясничных позвонков имеет присущие ей особенности архитектоники.
Особенно отличаются от других передне-верхняя зона из-за наличия в ней
специфически наклоненных трабекул и передне-средняя зона, в которой
расположено необычное скопление костных пластинок (ламелл) в форме
“клина”.

При исследовании средних размеров трабекул было выявлено непрерывное
возрастание длины вертикальных и горизонтальных трабекул от 243,1±41,4
мкм и 208,7±34,3 у новорожденных до 1328,5±112,5 мкм и 1053,7±97,5 мкм у
лиц старческого возраста. Возрастает и ширина межтрабекулярных
пространств – от 244,5±44,7 мкм до 876,3±80,3 мкм. До зрелого возраста
выявляется действительный рост трабекул, который соответствует росту
высоты тел позвонков. В процессе инволютивных изменений, характерных для
пожилого и старческого возрастов, высота позвонков снижается. При этом
“удлинение” трабекул происходит за счет разрушения и выпадения части из
них из трабекулярной решетки в результате остеопоротических процессов.

В то же время, кривая диаметра вертикальных и горизонтальных трабекул
имеет форму параболы. Увеличиваясь от 175,3±6,8 мкм и 73,2±8,2 мкм у
новорожденных, диаметры вертикальных и горизонтальных трабекул достигают
пика к зрелому возрасту – 247,8±28,6 мкм и 124,2±10,9 мкм, а затем
уменьшаются до 243,3±36,0 мкм и 101,4±11,7 мкм в старческом возрасте.

С возрастом увеличивается доля минеральных и снижается доля органических
веществ и воды. Это связано с накоплением костной тканью кальция и
фосфора. Соответственно растут кристаллы костного минерала: расчетные
средние значения объема элементарной ячейки костного гидроксиапатита у
лиц зрелого возраста были выше (834,859±1,561Е3), чем у новорожденных
(789,309±1,721Е3). Кроме того, меняется и фазовый состав костной золы:
количество кристаллитов возрастает, а аморфного фосфата кальция
снижается. Увеличение размеров кристаллов и снижение количества
аморфного кальция приводят к снижению площади обменной поверхности, что
в свою очередь, вызывает замедление обменных процессов в кости и
снижение количества элементов гидратного слоя — натрия и калия.

Не столь однозначно поведение микроэлементов: содержание части из них,
например цинка и железа, не зависит от возраста (r = 0,04 — 0,1), зато
концентрация других очень тесным образом связана с возрастом. Так,
содержание магния, который конкурирует за место в кристаллической
решетке с кальцием, увеличивается от 1,7±0,32 мг% у новорожденных до
5,79±1,26 мг% у лиц старческого возраста. А содержание меди и марганца,
которые принимают активное участие в различных ферментах, максимально в
первое десятилетие жизни, после чего снижается, соответственно, на 26% и
46%, затем оставаясь постоянным в течение последующей жизни.

Возрастные изменения химического состава (прежде всего содержание
кальция) сказываются на прочностных свойствах кости: модуль Юнга у
новорожденных в среднем составляет 20,8±10,0 МПа, у лиц зрелого возраста
достигает максимума – 203,6±90,2 МПа, и снижается у лиц старческого
возраста до 71,7±38,2 МПа. Та же динамика характерна и для удельной
работы разрушения: возрастая от 5,5±2,1 МДж до максимума 46,5±12,7 МДж,
затем она снижается до 18,2±11,7 МДж в аналогичные возрастные периоды.
Предел прочности, статистически значимо зависит от возраста (r = -0,74
для мужчин и r = -0,82 для женщин, при р<0,0001) и линейно снижается от 9,6±3,2 МПа у новорожденных до 2,2±1,2 МПа у лиц старческого возраста. Применение трехмерного моделирования позволило расширить представления о биомеханике позвоночного столба. Конечно-элементный анализ доказал, что обычная форма поясничного позвонка является оптимальной для передачи соответствующих нагрузок на сжатие, а крайние формы индивидуальной изменчивости позвонков (которые встречаются в 0,4% - 4,0% случаев), меняя их геометрию, приводят к снижению функциональности системы. Кроме того, были количественно рассчитаны напряжения и деформации во всех поясничных позвонках и межпозвонковых дисках на основе созданных трехмерных компьютерных моделей позвоночника для всех возрастных групп и выяснено, что до периода формирования поясничного лордоза (у новорожденных и грудных детей), имеет место совершенно иной принцип их распределения. Ключевые слова: поясничные позвонки, позвоночные сегменты, трехмерные компьютерные модели, конечно-элементный анализ. Annotation Mavrych V.V. Structurally-functional bases of organization of human lumbar spine in ontogenesis. - A manuscript. Dissertation for the doctor of medical science degree in speciality 14.03.01 - Normal anatomy. - Kharkov State Medical University MPH of Ukraine, Kharkov - 2005. The dissertation covers to study of borders of age features, sexual and individual variability of human lumbar spine in all periods postnatal ontogenesis. In work the osteometric, morphometric, biochemical, hystomorphometric, biomechanical methods, method of IMR-tomography, X-ray analysis, three-dimensional computer modeling and finite-element analysis were used. During work the hardware-software complex for morphometrical researches is created, the equipment for preparation of bone samples and new way of creation of three-dimensional computer models of lumbar vertebrae is developed. The application of three-dimensional modeling has allowed to expand representations about a bodily machinery spine of a pole. The finite-element analysis has proved, that the usual form lumbar vertebra is optimum care of the appropriate loads on compression, and extreme forms of individual variability vertebrae (which was founded in 0,4 % - 4,0 % of cases), changing their geometry, and as result functionality of system is decrees. Use finite-element method the strains and deformations in all lumbar vertebrae and intervertebral disks were designed on the basis of the created three-dimensional computer models of a lumbar spine for all age groups and is found out, that up to the period of formation of a lumbar lordosis (at newborn and children first year), completely other principle of their distribution takes place. Key words: lumbar vertebrae, spine segments, three-dimensional computer models, finite-element analysis. Здано до набору 15.11.2005. Підписано до друку 21.11.2005 Формат 60х84 1/16. Папір офсетний. Друк RIZO. Умовн. друк. арк. 1,86. Тираж 100. Зам. 322 . Замовне. Віддруковано у видавничому центрі ЛугДМУ. 91045, м. Луганськ, кв. 50 років Оборони Луганська, 1. PAGE \* Arabic 1

Похожие записи