80% населения Земли страдают болями в спине, которые сильно влияют на качество жизни и работоспособность человека. Наибольшая часть всей нагрузки в позвоночнике приходится на сегмент L4-L5 – диск, расположенный между 4 и 5 поясничными позвонками. Не каждый специалист способен определить причину боли на этом уровне, отличить грыжу диска от подвывиха фасеточных суставов. Последняя проблема заключается в изменении соединения между суставными поверхностями, что характерно для профессий водителя автотранспорта и спортсменов. Сегодня при моделировании позвоночно-двигательного сегмента этот фактор почти не учитывается, из-за чего в большинстве случаев недостаток информации приводит к физиологически неправильному перераспределению нагрузки. Ученые ПНИПУ провели персонализированное биомеханическое моделирование поясничной части и показали важность исследования позвоночника с учетом фасеточных суставов. Результаты позволяют в дальнейшем эффективнее диагностировать причину болей в пояснице.

Статья с результатами опубликована в «Российском журнале биомеханики», 2024 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Боль в пояснице – распространенный симптом, который встречается во всех возрастных группах и практически у каждого человека в течение жизни в виде острого эпизода или хронического состояния. Межпозвоночный диск L4-L5 – это слабое звено поясницы, на него приходится наибольшая часть осевой нагрузки позвоночника и его разрушение необратимо. В половине случаев боли в пояснице связаны именно с грыжей межпозвоночного диска L4-L5.

Определить ее причину на этом уровне в клинической практике сложно, так как грыжу легко спутать с подвывихом фасеточных суставов из-за достаточно близкого расположения объектов. Фасеточные суставы позволяют сгибать и разгибать позвоночник, они ограничивают вращение и предотвращают скольжение позвонков друг о друга. При подвывихе изменяется соответствие формы суставных отростков и растягиваются капсулы сустава. У людей с таким заболеванием при длительном воздействии присутствует спазм глубинных мышц спины (скован сегмент спины) и появляется воспаление хряща, что приводит к сильным болям. Недостаток данных об этом процессе может быть одной из причин постановки неправильного диагноза.

Сейчас при исследовании позвоночника не акцентируется внимание на сплошном моделировании фасеточных суставов. Не учитываются хрящевые слои и наличие синовиальной жидкости, которая уменьшает трение и поддерживает длительное функционирование сустава.

Ученые Пермского Политеха смоделировали осевое травматичное нагружение позвоночно-двигательного сегмента L4-L5, при котором появляется подвывих фасеточных суставов. В исследовании учитывали все анатомические составляющие процесса. К ним относятся отростки позвонков, хрящи, синовиальная жидкость и суставные капсулы.

– Наше исследование показывает, что необходимо учитывать фасеточные суставы на уровне поясницы при моделировании позвоночно-двигательного сегмента. Межпозвоночный симфиз (соединение между костями) и фасеточный сустав – это важные составляющие элементы, которые обеспечивают подвижность всего позвоночника. Поэтому для определения подвывиха фасеточных суставов необходимо биомеханическое моделирование всего сегмента в целом, – рассказывает кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительная математика, механика и биомеханика ПНИПУ Олег Ильялов.

В качестве материала для исследования политехники использовали наборы снимков компьютерной томографии поясницы. Геометрическая модель сегмента L4-L5 содержит детальное анатомическое строение межпозвоночного диска и фасеточных суставов, чтобы наиболее точно соответствовать реальности.

– На верхнюю поверхность тела позвонка L4 оказывали давление в 100 кг и под нагрузкой отмечали изменения положения суставных отростков. Моделирование показало, что правый фасеточный сустав подвижнее, чем левый. Внутридисковое давление составило 0,7 МПа, а давление жидкости в правой и левой капсулах – 69,2 и 84,7 кПа соответственно. Такое различие между значениями в 18% говорит о несимметричном распределении нагрузки между ними, – объясняет научный сотрудник лаборатории биожидкостей ПНИПУ Денис Хорошев.

– Полученные результаты позволяют по-новому подойти к биомеханическому моделированию позвоночно-двигательного сегмента L4-L5. Наше исследование подтвердило наличие анатомической функции фасеточных суставов – роли соединителя при распределении осевой нагрузки. Результат подтверждают, что осевая сжимающая нагрузка перераспределяется между межпозвоночным диском и фасеточными суставами в пределах 80 и 20 % соответственно. В совокупности это говорит о необходимости их учета при моделировании поясничного отдела, – объясняет доктор медицинских наук, врач-нейрохирург, доцент кафедры нормальной, топографической и клинической анатомии, оперативной хирургии ПГМУ им. академика Е.А. Вагнера Николай Устюжанцев.

Персонализированное моделирование ученых ПНИПУ наглядно доказало важность полноценного исследования позвоночно-двигательного сегмента L4-L5 с учетом фасеточных суставов. В клинической практике это позволит проводить тщательную диагностику пациента с болями в спине и ставить более точные диагнозы.