Биомеханика позвоночника

Исследователи, расшифровывая механику нижней части позвоночника, хотят узнать, каким образом происходит износ межпозвоночного диска и другие дегенеративные процессы в позвоночнике. Кроме того, данная работа поможет в выборе оптимального способа лечения болей в спине. Исследование проводится в сотрудничестве с университетской больницей Балгрист и Университетом Питтсбурга.

Среди ученых есть мнение, что боли в спине - это плата человека за прямохождение. Другие же эксперты считают, что боли развиваются по причине сидячего образа жизни, поскольку отсутствие физических упражнений ослабляет мышцы спины. Неправильная осанка, гиподинамия, неравномерная физическая нагрузка приводят к тому, что некоторые мышцы теряют тонус, тогда как другие, наоборот, излишне напрягаются, в итоге появляются боли в спине.

Часто решить проблему болей в спине можно путем расслабления спазмированных мышц и укрепления ослабленных мышц спины. Однако в одном из семи случаев такой подход не работает. Боли не проходят даже при приеме опиоидных обезболивающих препаратов. Причиной болей является механическая проблема, и только операция способна положить конец страданиям пациента.

В тяжелых случаях позвонки или спинные диски соединяются с помощью металлической конструкции. Неподвижный сегмент костенеет, и боли больше не беспокоят человека. Но данный вид лечения дает временное облегчение (жизнь без боли в течение нескольких лет), а затем эта же проблема возникает уже в соседних позвонках. Ученые задались вопросом, почему это происходит, и как это предотвратить.

Команда инженеров-механиков из EMPA приступила к изучению механики позвоночника. Исследователи хотят узнать, почему и как быстро изнашиваются структуры позвоночника. Для этого авторам понадобились данные о форме, эластичности и гибкости отдельных структурных элементов. Подобные вопросы инженеры механики решают при проектировании мостов, строительстве кораблей и даже компонентов шасси для автомобилей.

Ученые использовали компьютерную программу OpenSim, широко применяемую для моделирования опорно-двигательного аппарата человека. Данная программа разработана в Стэндфордском университете и включает геометрические данные позвоночного столба, полученные от 81 пациента. Цель исследователей заключается в том, чтобы как можно подробнее изучить биомеханику позвоночника с помощью компьютерного моделирования. Предполагается ответить на вопросы: ведет ли себя межпозвоночный диск как шаровой шарнир, или так же, как резиновый подшипник, какое влияние на него оказывают мышцы?

Ученые с помощью компьютерной модели смоделировали механику позвоночника, тем самым приблизились к разгадке механизма смещения позвонков, потому что именно смещение является одной из причин рецидива у пациентов, перенесших хирургическое лечение. Разработав скелет-симулятор, исследователи выяснили, что при наклоне вперед, чтобы поднять груз, у человека на 34% больше напрягаются межпозвоночные суставы. Если же межпозвоночный диск был разрушен (удален), а соседние позвонки соединены, то нагрузка на близлежащие позвонки у таких пациентов на 45% выше, чем у здоровых людей. Поэтому структуры позвоночника изнашиваются быстрее. 

Однако одного компьютерного анализа недостаточно для всестороннего изучения проблем со здоровьем конкретного пациента. Необходимо разработать индивидуальное тестирование для каждого пациента, а уже потом, основываясь на его результатах, назначать соответствующее лечение. Ученые решили объединить свои усилия с американскими коллегами и получили финансирование от Швейцарского национального научного фонда. Исследователями из Университета Питтсбурга была создана новая система 3D Х-Ray «Digital Stereo-X-Ray с изображениями» (DSX)  - рентгеновское 3D видео. Система способна отображать движения позвоночника со скоростью 250 кадров в секунду, на экране положение позвонков отображается с точностью 0,2 мм. При этом размытые рентгеновские снимки совмещаются на компьютере с более четкими КТ изображениями позвоночника пациента. 

Один из авторов работы А. Айангар ранее проводил исследование в США, которое заключалось в том, что ученый просил здоровых людей (12 человек) поднимать тяжести. Процесс записывался на видео с высоким разрешением, которое позволяло отследить движения позвоночника. Сейчас автор занимается сопоставлением динамических рентгеновских данных отдельных испытуемых с компьютерными моделями. 

После того как модель, показывающая механизм работы позвоночника здорового человека будет согласована, ученые хотят использовать ее для изучения проблем, связанных с артродезом (операции на позвоночнике по слиянию и обездвиживанию соседних позвонков). Задача состоит в том, чтобы снять видео с участием конкретного пациента с помощью системы DSX до операции и после нее, а потом проанализировать, как именно в дальнейшем происходит перераспределение нагрузки в позвоночнике, связанное с артродезом. Соответственно, ученые смогут понять механизм дегенерации позвоночных суставов, а также более точно определить источник боли в нижней части спины. Планируется, что новый вид компьютерного анализа затем будет использоваться в клинической практике для проверки всех пациентов, которым показана операция на спине. Врачи смогут принять более взвешенное решение о том, кому необходимо оперативное вмешательство, а кому хирургическое лечение не рекомендуется.

Автор материала Елена Васильева, врач общей практики специально для Spinet.ru

Также стоит почитать: