Kaulinio audinio patologijos poveikio žmogaus stuburo stabilumui skaitinis tyrimas

Abstract

Šioje disertacijoje nagrinėjamos slankstelių, paveiktų kaulinio audinio patologijos, savybės ir jų poveikis stuburo stabilumo praradimui. Pagrindinis tyrimo objektas – žmogaus juosmens dalies fragmentas, sudarytas iš trijų slankstelių, tarpusavyje sujungtų tarpslanksteliniais diskais. Disertacijos tikslas – taikant baigtinių elementų metodą ištirti slankstelių kaulinio audinio patologijos įtaką izoliuoto slankstelio ir stuburo fragmento stabilumui. Darbo tikslui pasiekti, analizuojant pažeistų osteoporoze slankstelių elgseną, sprendžiami tris uždaviniai. Pirmas uždavinys – suformuluoti stuburo struktūrinio stabilumo baigtinių elementų modelį. Antras uždavinys suformuluotas siekiant nustatyti stuburo juosmens dalies slankstelio lūžio prognozės veiksnius. Trečias uždavinys – ištirti juosmens dalies kaulinio audinio patologijos įtaką stuburo globalaus stabilumo praradimui. Disertaciją sudaro įvadas, keturi skyriai, bendrosios išvados, naudotos literatūros, autoriaus publikacijų disertacijos tema sąrašai, santrauka anglų kalba ir 3 priedai. Įvadiniame skyriuje aptariama tiriamoji problema, darbo aktualumas, pristatomas tyrimų objektas, formuluojamas darbo tikslas ir uždaviniai, aprašoma tyrimų metodika, darbo mokslinis naujumas, darbo rezultatų praktinė reikšmė, ginamieji teiginiai. Pirmasis skyrius skirtas literatūros analizei. Antrajame skyriuje pasiūlytas žmogaus stuburo geometriškai netiesinis tampriosios analizės BEM modelis. Šio modelio slankstelio kortikalinis apvalkalas modeliuojamas kaip plonasienis kevalas, o trabekulinis audinys – kaip erdvinis trimatis kūnas. Trečiajame skyriuje pateikiama stuburo juosmens dalies L3 slankstelio paveikto kaulinio audinio patologijos stabilumo analizė. Nustatyta, kad nestabilumą sukelia lokalusis kortikalinio kaulo klupumas, atsirandantis dėl kortikalinio kaulo suplonėjimo ir ryšių tarp dviejų terpių degradacijos. Taip pat duotos išvados apie veiksnius veikiančius slankstelių laikomąją galią, ir slankstelių lūžio prognozės pagerinimo rekomendacijos. Ketvirtajame skyriuje pateikiama žmogaus stuburo juosmens dalies L2–L4 stabilumo analizė. Nustatyta, kad dėl kaulinio audinio patologijos susidaranti papildoma slankstelių deformacija sukelia šlyties jėgas dėl kurių įvyksta globalusis stuburo stabilumo praradimas. Duotos išvados apie kaulinio audinio patologijas veikiančius slankstelių kortikalinio kaulo stabilumą ir stuburo bendrą stabilumą. Disertacijos tema paskelbtos keturios publikacijos: trys – mokslo žurnaluose, įtrauktuose į Clarivate Analytics Web of Science sąrašą, viena – kituose žurnaluose. Disertacijos tema perskaityti septyni pranešimai Lietuvos bei kitų šalių konferencijose ir seminaruose.

The present dissertation considers the influence of the human vertebral bone pathology on the loss of spinal stability. The main object of the research is a fragment of the human lumbar spine consisting of three vertebrae joint with the intervertebral discs. The purpose of this dissertation is to investigate the effect of the pathology of the vertebral bone tissue on the stability of an isolated vertebral and spinal fragment using the finite element method. In order to achieve the aim of the thesis, three tasks were solved: to formulate a finite element model of the structural spinal stability; to determine the prognostic factors for vertebral fracture of the lumbar spine; to investigate the effect of lumbar bone tissue pathology on the loss of global spinal stability. The dissertation consists of the introduction, four chapters, general conclusions, list of the used literature, author's publications on the topic of the dissertation, summary in English and 3 appendices. The introductory chapter deals with the research problem, the relevance of the thesis, presents the subject of the research, formulates the purpose and tasks of the thesis, describes the research methodology, scientific novelty of the thesis, research findings practical value, the defended statements, and the chapter ends with the author’s publications and presentations at conferences and seminars. The first chapter is devoted to literature analysis. The second chapter proposes the two – level geometrically nonlinear elastic FE model to analyze the stability of the lumbar spine segment. The pathological changes affecting the stability are characterized in this chapter also. In the third chapter, there is given an analysis of the stability of the L3 vertebra in the presence of bone tissue pathology. It is determined that the instabil-ity of the pathological vertebra is caused by the local buckling of the cortical bone that is caused by the thinning of the cortical bone and degradation of the bond between the cortical bone and the trabecular tissue. In the fourth chapter, there is given an analysis of the stability of the human lumbar spine L2–L4. It was found that the additional shear deformations caused by the pathology of the bone tissue entail the loss of global stability of the lumbar spine segment. The chapter ends with conclusions about the factors of the pathology of the bone tissue that affect the prediction of the stability of both cortical bone and the lumbar spine segment. There are 4 publications published on the topic of the dissertation: 3 in scientific journals included in the Clarivate Analytics Web of Science list, 1 in scientific journals with citation index. 7 speaker papers were presented at conferences and seminars in Lithuania and other countries.