Особенности функционирования стремени при отосклерозе с позиции биомеханического моделирования

При отосклерозе слуховые косточки, особенно стремя, претерпевают дистрофические изменения по типу диффузной атрофии. Причиной этих изменений считают влияние отосклеротического процесса и нарушение кровоснабжения. Морфологические изменения чаще локализуются ближе к основанию стремени и выражаются в диффузном утолщении ножек стремечка или, наоборот, их истончении [1].

В норме стремя представляет собой пустотелую конструкцию сложной формы, имеющую спектр собственных частот, ряд которых лежит в звуковом диапазоне. Эффект резонанса используется или гасится физиологически. Спектр частот имплантов, используемых для протезирования стремени при стапедопластике, нереально подогнать под норму, как и напряженно-деформированное состояние (НДС), к тому же с имплантом изменяется механическая схема передачи звуковых колебаний в среднем ухе. В проведенных ранее исследованиях были рассмотрены проблемы собственных частот стремени, типы трансплантатов и имплантов протеза стремени [2—6]. Однако многие вопросы остались открытыми. Интерес продолжают представлять изменение НДС стремени при отосклерозе, а также рациональная форма и материал импланта, дающие оптимальный спектр его собственных частот. Все это требует биомеханического сопровождения операции стапедопластики на среднем ухе человека.

Цель работы — определение биомеханических предпосылок развития остеодистрофических изменений в стремени при его отосклеротической фиксации.

Для однозначного определения упругого состояния твердого тела помимо конфигурации тела, механических свойств материала (модуль упругости Юнга и коэффициент Пуассона) необходима информация о начальных напряжениях, условиях крепления тела и нагрузках, действующих на остальной части поверхности тела. В задаче о состоянии стременной косточки начальными напряжениями можно пренебречь, так как специалиста интересует сравнительный анализ результатов в норме и при патологии. Для построения модели стремени с применением лицензированного пакета программ SolidWorks использованы результаты измерений слуховых косточек многими авторами [5—7]. На рис. 1

Для сравнительного анализа НДС стремени в норме и при отосклерозе на головку стремени задавали усилие 0,0025 Н и момент 0,001 Нм, максимальные из создаваемых низкочастотной звуковой волной. Результаты расчета приведены на рис. 2—4 (см. цв. вклейку).

На рис. 2 (см. цв. вклейку) приведено распределение интенсивности напряжений стремени при отосклерозе и в норме. Напряжения достаточно равномерно распределены по ножкам и головке и при отосклерозе составляют по интенсивности порядка 8,3·10^.8 Па вместо 7,6·10⁷ Па в норме. Это означает, что фиксация стремени при отосклерозе на порядок увеличивает уровень напряжений в косточке при функциональной нагрузке по сравнению с нормой.

В основании стремени интенсивности напряжений имеют величины порядка 7,7·10² Па при отосклерозе и 5,8·10² Па в норме. Фиксация стремени в окне преддверия незначительно увеличивает уровень напряжений в основании стремени, кроме областей основания ножек. При общем ровном уровне напряжений в ножках и основании стремени области стыка являются наиболее нагруженными как при патологии, так и в норме.

На рис. 3 (см. цв. вклейку) приведено распределение перемещений в стременной косточке при отосклерозе и в норме. В норме максимальные перемещения в наружной части и в основании ножек имеют величину порядка 1,3·10^-4 м, а в связках окна преддверия составляют около 6,3·10^-5 м, т.е. в два раза меньше. Распределение поля перемещений по стремени достаточно равномерно, а вся неравномерность сосредоточена в кольцевой связке основания стремени. При отосклерозе основание стремени неподвижно, перемещения увеличиваются от нуля в основании ножек до величины порядка 3,0·10^-4 м в области головки стремени. Максимальное перемещение в два раза превышает перемещения в стремени в норме из-за скручивания ножек. Увеличившаяся неравномерность поля перемещений в стремени при отосклерозе отражается соответствующим увеличением напряжений.

На рис. 4 (см. цв. вклейку) приведено распределение интенсивности деформаций в стремени при отосклерозе и в норме. При отосклерозе поле деформаций повторяет поле напряжений (см. рис. 2, а и рис. 4, а на цв. вклейке), что связано со ставшими одинаковыми механическими свойствами стремени и затвердевшей круговой связкой окна преддверия. Максимальные значения этих показателей достигают величин порядка 0,1 у основания ножек и в головке. В норме же распределение деформаций по телу стремечка достаточно равномерно, деформации имеют значения порядка 1,0·10^-5. В кольцевой связке деформации достигают достаточно больших значений порядка 0,5, что связано с меньшей на несколько порядков жесткостью материала связки по сравнению с костной тканью. Рост деформаций и напряжений при фиксированном стремени должен, с одной стороны, привести к утолщению или склеротическому изменению костной ткани, прежде всего ножек стремени, с другой — к резорбции кости. Наряду с этим фиксация стремени при отосклерозе изменяет динамику колебаний молоточка и наковальни под действием звуковых волн. Оставшаяся в норме система косточек, мышц и связок среднего уха может деградировать из-за отсутствия отклика со стороны слухового анализатора.

Проведенный анализ НДС стремени и его кольцевой связки при отосклерозе и в норме позволяет сделать вывод об адекватности предложенной биомеханической модели. Сравнительный анализ на математической модели подвижного и фиксированного стремени показал, что достаточно мягкое НДС стремени в норме становится жестким при отосклерозе.

При нормальной подвижности стремени основным демпфирующим звеном при звуковом давлении выступает кольцевая связка, в которой реализуются достаточно большие деформации и силовое воздействие. При этом в головке и ножках стремени напряжения и деформации распределяются равномерно. При отосклерозе, при неподвижном стремени, перемещения смещаются к головке косточки и деформации достигают максимума в основании ножек стремени, как и напряжения. Интенсивность напряжений возрастает почти в 1,5 раза по сравнению с показателями подвижного стремени.

Проведенное исследование показало, что при фиксации стремени в окне преддверия в значительной степени меняются условия функционирования данной косточки. Изменения напряженно-деформационного состояния фиксированного стремени при продолжающемся звуковом воздействии способствуют развитию в костных структурах дистрофических процессов в ответ на изменения условий функционирования и появлению избыточных, по сравнению с физиологическим уровнем, деформаций и напряжений. Полученные при биомеханическом исследовании сведения согласуются с данными литературы по морфологическим изменениям стремени при отосклерозе. Дистрофические изменения костной ткани при отосклерозе препятствуют использованию стремени целиком или частично в качестве протеза для восстановления цепи звукопроведения в среднем ухе при операциях.