Механические свойства костной ткани средней зоны лица

На протяжении всей жизни человека верхнечелюстная пазуха претерпевает изменения формы и размера [1—3]. Кроме того, с возрастом происходят истончение губчатой кости, повышение пористости компактной кости, снижение ее механической прочности [4, 5]. Все это позволяет предположить, что реакция костной ткани на действие повреждающего фактора не одинакова на различных этапах онтогенеза, а значит напряженно-деформированное состояние, возникающее при воздействии на стенки пазухи во время хирургического вмешательства, будет зависеть от возрастных особенностей параметров синуса, свойств костной ткани и характера воздействия. Знание этих особенностей необходимо для правильного выбора способа доступа, дозирования нагрузок на кость [6], а также снижения травматичности оперативных вмешательств, в том числе при проведении реконструктивных операций с применением имплантационных материалов.

Актуальность вопроса компьютерного моделирования костных структур лицевого черепа и воздействия на них различных нагрузок возрастает ввиду активного развития обучающих технологий, широкого применения хирургических симуляторов, использования 3D-моделирования как в теоретических, так и в практических целях [7].

Цель исследования — изучить возрастные особенности реакции стенок верхнечелюстной пазухи на различные виды нагрузок, возникающие в ходе оперативных вмешательств.

Для изучения напряженно-деформационных состояний, возникающих в стенках верхнечелюстной пазухи при приложении различных нагрузок, использовалась усредненная 3D-модель синуса с учетом его внутреннего и наружного контура, построенная на основании данных спиральной компьютерной томографии (СКТ).

В качестве исходных данных были выбраны 160 серий СКТ из рентгенологического архива ПОКБ им. Н.Н. Бурденко, удовлетворяющие следующим требованиям: средняя степень пневматизации синуса, целостность его костных стенок, отсутствие перегородок и карманов, отсутствие признаков хронического воспаления и объемных образований в полости пазухи. Выбирались срезы с шагом 2,5 мм. Серии СКТ были разделены на три группы с учетом возрастных изменений в строении синуса: 20—40 лет (n=54), 41—60 лет (n=57), 61 год и старше (n=49). С помощью веб-приложения «Rhino» (свидетельство № 2014610074 от 09.01.2014) определялся геометрический центр каждой пазухи. Из него с интервалом в 10^о строились лучи и определялись координаты точек пересечения этих лучей с контурами стенок синуса.

На основании полученных данных строилась усредненная 3D-модель верхнечелюстной пазухи для каждой группы. С помощью программы Solid Works 2012 (США) на основе полученной пространственной модели создавалась сетка для расчетов с использованием метода конечных элементов (КЭМ, FEM) [8]. Материалу модели задавались физико-механические свойства костей черепа с учетом их возрастных изменений (плотность кости, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, предел прочности, вязкость кости). Были выбраны значения для 25, 40 и 60 лет [9—11]. Полученная модель закреплялась для предотвращения ее перемещения под влиянием приложенной нагрузки (воздействие долота с силой 490,5 Н).

В области верхнечелюстной пазухи выбирались три варианта приложения силы, соответствующие наиболее часто возникающим при оперативных вмешательствах и травмах нагрузкам: в области клыковой ямки, в области верхней части альвеолярного отростка на границе передней и нижней стенок синуса и в области задней границы естественного отверстия синуса. Моделировалось приложение силы в заданные точки; напряженно-деформационные состояния, возникающие в стенках синуса, оценивались по соответствующей цветовой шкале.

При расчете НДС значимых отличий для групп 20—40 и 41—60 лет не выявлено, в то время как после 60 лет эквивалентная нагрузка приводит к появлению иных по модулю и распространенности напряжений, перемещений и деформаций костной ткани. Перемещение отражает способность участков кости к взаимному смещению под действием силы. Чем меньше перемещение в ткани при равном напряжении, тем выше риск разрушения. Результаты моделирования напряженно-деформационных состояний (НДС) представлены в таблице.

Данные таблицы демонстрируют более высокие значения напряжений для лиц пожилого и старческого возраста при меньших перемещениях, что свидетельствует о повышении хрупкости кости и более легком ее разрушении, чем в молодом возрасте, при равных нагрузках.

На рис. 1 и 2 (см.) приведено графическое представление перемещений, возникающих в стенках ВЧП при перечисленных вариантах нагрузки для возрастного периода 20—40 лет.

Во всех возрастных группах наибольшие напряжения, перемещения и деформации характерны для 1-го варианта приложения силы. Учитывая большее напряжение при меньшем перемещении в пожилом и старческом возрасте, это обусловливает высокий риск микротравм кости (трещин).

В молодом и среднем возрасте с точки зрения реакции на приложение силы наименее травматичным из трех вариантов является доступ к полости синуса в области клыковой ямки.

Результаты расчетов показали, что с возрастом реакция костной стенки на нагрузки меняется также при 2-м и 3-м вариантах: в области клыковой ямки и задней границы естественного отверстия верхнечелюстной пазухи равные нагрузки вызывают большее напряжение.

Таким образом, как в рамках одной возрастной группы, так и между группами существуют различия в ответе костной стенки на нагрузку в зависимости от точки ее приложения.

В молодом и среднем возрасте наиболее щадящим для костной стенки ВЧП является доступ через клыковую ямку. Однако при слишком низком наложении или активном расширении в сторону альвеолярного отростка доступ через клыковую ямку может оказывать значительное повреждающее воздействие на структуру кости в передней части дна ВЧП с развитием микротрещин в столь важной с точки зрения риносинусохирургии и стоматологии зоне. В пожилом и старческом возрасте наименее травматичными с данной точки зрения могут считаться эндоназальные вмешательства, однако повышение хрупкости костной ткани в области задней границы естественного отверстия ВЧП после 60 лет снижает «хирургическую безопасность» данной зоны.

1. Реакция костных стенок верхнечелюстной пазухи на одинаковые по модулю нагрузки не одинакова в зависимости от точки ее приложения, что в комплексе с клиническими данными определяет оптимальный хирургический доступ к полости синуса.

2. С возрастом эквивалентная нагрузка вызывает в стенках верхнечелюстной пазухи большее напряжение при меньшей деформации, т. е. костная ткань легче подвергается разрушению.

3. После 60 лет предпочтительно использовать эндоназальный доступ как наименее травматичный для костной ткани. Доступ через клыковую ямку требует особой осторожности ввиду повышения хрупкости кости и высокого риска распространения повреждений на область дна верхнечелюстной пазухи.