Еловиков А.М.

Кафедра оториноларингологии Пермской государственной медицинской академии им. акад. Е.А. Вагнера

Селянинов А.А.

Кафедра теоретической механики Пермского национального исследовательского политехнического университета

Няшин Ю.И.

Кафедра теоретической механики Пермского национального исследовательского политехнического университета

Особенности функционирования стремени при отосклерозе с позиции биомеханического моделирования

Журнал: Вестник оториноларингологии. 2013;78(2): 31-33

Просмотров : 98

Загрузок : 2

Как цитировать

Еловиков А. М., Селянинов А. А., Няшин Ю. И. Особенности функционирования стремени при отосклерозе с позиции биомеханического моделирования. Вестник оториноларингологии. 2013;78(2):31-33.
Elovikov A M, Selianinov A A, Niashin Iu I. Peculiarities of stapes functioning in the patients presenting with otosclerosis from the standpoint of biomechanical modeling. Vestnik Oto-Rino-Laringologii. 2013;78(2):31-33.

Авторы:

Еловиков А.М.

Кафедра оториноларингологии Пермской государственной медицинской академии им. акад. Е.А. Вагнера

Все авторы (3)

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

Рисунок 1. Расчетная область стременной косточки среднего уха. V — объем костного материала, состоящий из внутренней области и компактной костной оболочки; V1 — объем, состоящий из связок для крепления основания стремени в окне преддверия; S1 — поверхность крепления связок к стенкам окна преддверия; S2 — поверхность контакта с наковальней; S3 — свободная от нагрузок поверхность.
приведена построенная в пакете программ SolidWorks конфигурация стремени в норме с характерными типами областей и поверхностей, которая представляет собой расчетную область при решении краевой задачи теории упругости.

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).

Рисунок 2. Интенсивность напряжений в стременной косточке среднего уха. а — при отосклерозе; б — в норме.
Рисунок 3. Поле перемещений в стременной косточке среднего уха. а — при отосклерозе; б — в норме.
Рисунок 4. Интенсивность деформаций в стременной косточке среднего уха. а — при отосклерозе; б — в норме.

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.

Заключение

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.

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо с ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail