vitjВрач и информационные технологииMedical Doctor and Information Technologies1811-01932413-5208Pirogov National Medical and Surgical Center10.25881/18110193_2024_1_60vitj-43Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯORIGINAL RESEARCHКомпьютерное моделирование биомеханики физиологических процессов шейного отдела позвоночникаComputer simulation of biomechanics of physiological processes of the cervical spineМоховаЕ. С.MohovaE. S.mokhova-es@mail.ruКолсановА. В.KolsanovA. V.

д.м.н., профессор, профессор РАН

DSc, Prof., Prof. of the RAS

a.v.kolsanov@samsmu.ruФГБОУ ВО СЗГМУ им. И.И. Мечникова Минздрава РоссииРоссияNorth-Western State Medical University named after I.I. MechnikovRussian FederationФГБОУ ВО «СамГМУ» Минздрава РоссииРоссияSamara State Medical UniversityRussian Federation202401082024016069Copyright © Мохова Е.С., Колсанов А.В., 20242024Мохова Е.С., Колсанов А.В.Mohova E.S., Kolsanov A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vit-j.ru/jour/article/view/43

В настоящее время математический анализ и трёхмерное моделирование являются новыми перспективными способами получения дополнительной информации, с помощью которых исследователь имеет возможность виртуально наблюдать и моделировать сложные биомеханические явления. Вопросы динамической анатомии шеи, а также биомеханических характеристик отдельных её структур составляют значительный практический и теоретический интерес для многих областей медицины.Цель исследования: разработка виртуальной динамической модели шеи человека и на её основе воспроизведение динамических процессов с использованием метода конечных элементов.Материалы и методы: Изучена биомеханика физиологических процессов шейного отдела позвоночника с применением МРТ. Генерация сетки конечных элементов и контактные взаимодействия выполнялись с использованием программного обеспечения HyperMesh. Конечно-элементный анализ был выполнен с использованием программного обеспечения Abaqus CAE 6.14.Проведен ретроспективный анализ результатов 124 высококачественных МРТ исследований (40 мужчин и 84 женщины). В базу данных включены исследования, которые подходили под параметры включения и исключения. Статистическую обработку проводили с помощью программы MS Excel 2019 в надстройке «Анализ данных». Параметрические показатели проверяли на нормальное распределение в функции «описательной статистики», затем рассчитывали достоверность различия показателей с помощью двухстороннего критерия Стьюдента. Для оценки непараметрических показателей использовали χ2 -Пирсона с построением таблиц сопряженности. Для изучения зависимости значения tg α от возраста пациентов при наличии или отсутствием выпячиваний МПД применили дисперсионный анализ различий в более чем двух группах с применением метода одностороннего ANOVA.Результаты: Разработана методика создания виртуальной динамической модели шеи. Результаты конечноэлементного анализа сегмента С3-С5 при осевой нагрузке были сопоставлены с данными in vitro.Заключение: Результаты моделирования с использованием предложенной методики хорошо согласуются с экспериментальными данными. Сгенерированные биомеханические модели позволяют описывать динамические явления в шейном отделе позвоночника и получать широкий спектр количественных свойств объектов

Currently, mathematical analysis and three-dimensional modeling represent a new promising way to obtain additional information, which allows the researcher to virtually observe and model complex biomechanical phenomena. Issues of dynamic neck anatomy, as well as the biomechanical characteristics of its individual structures, are of significant practical and theoretical interest regarding many areas of medicine.Aim: to develop a virtual dynamic model of the human neck and in order to reproduce dynamic processes using the finite element method.Materials and methods: Biomechanics of physiological processes of the cervical spine were studied using MRI. Finite element mesh generation and contact interactions were performed using HyperMesh software. Material modeling and finite element analysis were performed using Abaqus CAE 6.14 software.A retrospective analysis of the results of 124 high-quality MRI studies (40 men and 84 women) was conducted. The database included studies that met the inclusion and exclusion criteria. Statistical processing was carried out using MS Excel 2019 in the “Data Analysis” add-on. Parametric indicators were checked for normal distribution in the “descriptive statistics” function, followed by calculation of the significance of the differences in indicators with a “two-tailed Student’s test”. To assess nonparametric indicators, χ2 -Pearson was used to construct contingency tables. To study the dependence of the tg α value on the age of patients in the presence or absence of IVD protrusions, analysis of variance was used for differences in more than two groups using the one-way ANOVA method.Results: A technique for creating a virtual dynamic neck model has been developed. The results of finite element analysis of the C3-C5 segment under axial loading were compared with in vitro data.Conclusion: The simulation results gained using the proposed technique are in good agreement with experimental data. The generated biomechanical models make it possible to describe dynamic phenomena in the cervical spine and obtain a wide range of quantitative properties of objects.

метод конечных элементовМКЭAbaqus CAEматериальная модель Хольцапфеля-Гассера-Огденамежпозвонковый дискбиомеханика шеиfinite element methodFEMAbaqus CAEHolzapfel-Gasser-Ogden material modelintervertebral discneck biomechanicsReferencesOvsepyan AL, Smirnov AA, Pustozerov EA, Mokhov DE, Mokhova ES, Trunin EM, Dydykin SS, Vasil’ev YuL, Yakovlev EV, Budday S, Paulsen F, Zhivolupov SA, Starchik DA, Biomechanical analysis of the cervical spine segment as a method for studying the functional and dynamic anatomy of the human neck. Annals of Anatomy – Anatomischer Anzeiger. 2022; 240: 151856. doi: 10.1016/j.aanat.2021.151856.Ovsepyan AL, Smirnov AA, Pustozerov EA, Mokhov DE, Mokhova ES, Trunin EM, Dydykin SS, Vasil’ev YuL, Yakovlev EV, Budday S, Paulsen F, Zhivolupov SA, Starchik DA, Biomechanical analysis of the cervical spine segment as a method for studying the functional and dynamic anatomy of the human neck. Annals of Anatomy – Anatomischer Anzeiger. 2022; 240: 151856. doi: 10.1016/j.aanat.2021.151856.Смирнов А.А., Овсепьян А.Л., Квиндт П.А. и др. Конечно-элементный анализ при моделировании структур сердца и аорты // Альманах клинической медицины. – 2021. – №49(6). – С.375-384. doi: 10.18786/2072-0505-2021-49-043.Smirnov AA, Ovsepyan AL, Quindt PA, et al. Finite element analysis for modeling the structures of the heart and aorta. Almanac of Clinical Medicine. 2021; 49(6): 375-384. (In Russ.) doi: 10.18786/2072-0505-2021-49-043.Мохов Д.Е., Беляев А.Ф., Азаренков М.Д. и др. Остеопатическая диагностика соматических дисфункций в педиатрии: клинические рекомендации. СПб.: Невский ракурс, 2015. – 60 с.Mokhov DE, Belyaev AF, Azarenkov MD, et al. Osteopathic diagnosis of somatic dysfunctions. Clinical recommendations. St Petersburg: Nevskiy rakurs, 2015. 60 р. (In Russ.)Liem TA. T. Still’s Osteopathic Lesion Theory and Evidence-Based Models Supporting the Emerged Concept of Somatic Dysfunction. J Am Osteopath Assoc. 2016; 116(10): 654-661. doi: 10.7556/jaoa.2016.129.Liem TA. T. Still’s Osteopathic Lesion Theory and Evidence-Based Models Supporting the Emerged Concept of Somatic Dysfunction. J Am Osteopath Assoc. 2016; 116(10): 654-661. doi: 10.7556/jaoa.2016.129.Wagner F.M. Somatic dysfunction of the cervical spine and its complex clinical picture: The fundamentals of diagnostics of cervicobrachialgia and cervicocephalic syndrome through manual medicine. Orthopade. 2022; 51(4): 263-273. doi: 10.1007/s00132-022-04227-8.Wagner F.M. Somatic dysfunction of the cervical spine and its complex clinical picture: The fundamentals of diagnostics of cervicobrachialgia and cervicocephalic syndrome through manual medicine. Orthopade. 2022; 51(4): 263-273. doi: 10.1007/s00132-022-04227-8.Мохова Е.С., Мохов Д.Е., Яковлев Е.В. и др. Топографо-анатомический анализ и конечно-элементное моделирование динамических и биомеханических закономерностей смещения мышечно-фасциальных футляров шеи // Медицинский совет. – 2023. – Т.17. – №6. – С.330-344. doi: 10.21518/ms2023-061.Mokhova ES, Mokhov DE, Yakovlev EV, et al. Topographic-anatomical analysis and finite element modeling of dynamic and biomechanical patterns of displacement of the muscular-fascial sheaths of the neck. Medical Council. 2023; 17(6): 330-344. (In Russ.) doi: 10.21518/ms2023-061.Патент РФ №2795175 C1. Способ оценки риска возникновения грыжевых выпячиваний межпозвонковых дисков С4-С5, С5-С6 и С6-С7 шейного отдела позвоночника: №2022118552: заявл. 06.07.2022: опубл. 28.04.2023 / Е.В. Яковлев, А.А. Смирнов, С.А. Живолупов и др.Патент РФ №2795175 C1. Способ оценки риска возникновения грыжевых выпячиваний межпозвонковых дисков С4-С5, С5-С6 и С6-С7 шейного отдела позвоночника: №2022118552: заявл. 06.07.2022: опубл. 28.04.2023 / Е.В. Яковлев, А.А. Смирнов, С.А. Живолупов и др. Patent RF №2795175 C1. Method for assessing the risk of hernial protrusions of intervertebral discs C4-C5, C5-C6 and C6-C7 of the cervical spine: №2022118552: application. 07/06/2022: publ. 04/28/2023 / E.V. Yakovlev, A.A. Smirnov, S.A. Zhivolupov, et al.Яковлев Е.В., Смирнов А.А., Живолупов С.А. и др. Анатомическая оценка изолированного влияния биомеханических факторов на процесс формирования смещений дискового материала за пределы пространства межпозвонковых дисков шейного отдела позвоночника в структуре дорсопатий // Оперативная хирургия и клиническая анатомия. – 2022. – №6(2). – С.32-44. doi: 10.17116/operhirurg2022602132.Yakovlev EV, Smirnov AA, Zhivolupov SA, et al. Anatomical assessment of the isolated influence of biomechanical factors on the process of formation of displacements of disc material outside the space of the intervertebral discs of the cervical spine in the structure of dorsopathies. Operative surgery and clinical anatomy. 2022; 6(2): 32-44. (In Russ.) doi: 10.17116/operhirurg2022602132.Suzuki A, Daubs MD, Hayashi T, et al. Magnetic Resonance Classification System of Cervical Intervertebral Disk Degeneration: Its Validity and Meaning. Clin Spine Surg. 2017; 30(5): 547-553. doi: 10.1097/bsd.0000000000000172.Suzuki A, Daubs MD, Hayashi T, et al. Magnetic Resonance Classification System of Cervical Intervertebral Disk Degeneration: Its Validity and Meaning. Clin Spine Surg. 2017; 30(5): 547-553. doi: 10.1097/bsd.0000000000000172.Hu X, Chen M, Pan J, Liang L, Wang Y. Is it appropriate to measure age-related lumbar disc degeneration on the mid-sagittal MR image? A quantitative image study. Eur Spine J. 2018; 27(5): 1073-1081. doi: 10.1007/s00586-017-5357-3.Hu X, Chen M, Pan J, Liang L, Wang Y. Is it appropriate to measure age-related lumbar disc degeneration on the mid-sagittal MR image? A quantitative image study. Eur Spine J. 2018; 27(5): 1073-1081. doi: 10.1007/s00586-017-5357-3.Кузьмин А.И., Кон И.И., Беленький В.Е. Сколиоз, М., 1981.Kuzmin AI, Kon II, Belenkiy VE. Scoliosis, M., 1981. (In Russ.)Старчик Д.А., Акопов А.Л. Атлас распилов человеческого тела: Учебное пособие. – СПб.: ММЦ, 2020. – 172 с.Starchik DA, Akopov AL. Atlas of cuts of the human body: Textbook. St. Petersburg: MMC, 2020. (In Russ.)Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2024611176 РФ. Программа для биомеханической оценки риска возникновения парамедианных выпячиваний межпозвонковых дисков на основе данных МРТ «ALPHATANG 1.0»: №2023689232. заявл. 25.12.2023. опубл. 18.01.2024. А.А. Смирнов, Е.С. Мохова, А.В. Колсанов и др.Certificate of state registration of a computer program №2024611176 RF. Program for biomechanical assessment of the risk of paramedian protrusions of intervertebral discs based on MRI data «ALPHATANG 1.0»: №2023689232: application. 12/25/2023. publ. 01/18/2024. A.A. Smirnov, E.S. Mokhova, A.V. Kolsanov et al. (In Russ.)Shea M, et al. Variations of stiffness and strength along the human cervical spine. Journal of biomechanics. 1991; 24(2): 95-107.Shea M, et al. Variations of stiffness and strength along the human cervical spine. Journal of biomechanics. 1991; 24(2): 95-107.Amirouche F, et al. Role of posterior elements in the disc bulging of a degenerated cervical spine. International journal of spine surgery. 2015; 9.Amirouche F, et al. Role of posterior elements in the disc bulging of a degenerated cervical spine. International journal of spine surgery. 2015; 9.Колсанов А.В., Зельтер П.М., Хобта Р.В. и др. Первые результаты применения интраоперационной навигации на основе данных КТ и МРТ у пациента с опухолью межжелудочковой перегородки // Российский электронный журнал лучевой диагностики. – 2020. – Т.10. – №4. – С.271-276. doi: 10.21569/2222-7415-2020-10-4-271-276.Kolsanov AV, Zelter PM, Khobta RV, et al. First results of the use of intraoperative navigation based on CT and MRI data in a patient with a tumor of the interventricular septum. Russian electronic journal of radiology. 2020; 10(4): 271-276. (In Russ.) doi: 10.21569/2222-7415-2020-10-4-271-276.Колсанов А.В., Линева О.И., Иванова В.Д. Разработка и внедрение российских симуляционных и виртуальных технологий в современный образовательный процесс // Акушерство и гинекология. – 2016. – №7. – С.83-87. doi: 10.18565/aig.2016.7.83-87.Kolsanov AV, Lineva OI, Ivanova VD. Development and implementation of Russian simulation and virtual technologies in the modern educational process. Obstetrics and gynecology. 2016; 7: 83-87. (In Russ.) doi: 10.18565/aig.2016.7.83-87.Колсанов А.В., Манукян А.А., Зельтер П.М., Чаплыгин С.С., Капишников А.В. Виртуальное моделирование операции на печени на основе данных компьютерной томографии // Анналы хирургической гепатологии. – 2016. – №21(4). – С.16-22. doi: 10.16931/1995-5464.2016416-22.Kolsanov A.V., Manukyan A.A., Zelter P.M., Chaplygin S.S., Kapishnikov A.V. Virtual simulation of liver surgery based on computed tomography data. Annals of surgical hepatology. 2016; 21(4): 16-22. (In Russ.) doi: 10.16931/1995-5464.2016416-22.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.