Особенности аппроксимации конечно-элементных моделей транспедикулярной фиксации позвоночника и их вычислительная эффективность

В работе исследуется метод транспедикулярной фиксации (ТПФ), широко применяющийся в настоящее время при хирургическом лечении различной патологии позвоночника. Методика позволяет осуществлять коррекцию деформаций и стабилизацию позвоночного столба, при этом компоновка и протяженность металлоконструкции определяются нозологией и предпочтениями хирурга. Для оценки напряженно-деформированного состояния одного из вариантов ТПФ использованы методы биомеханики, включая компьютерное моделирование и численные расчеты. Цель исследования заключалась в проведении сравнительной оценки упрощенной модели позвоночно-тазового комплекса (ПТК) с результатами стандартного моделирования и обосновании валидности предлагаемого способа аппроксимации для дальнейших научных исследований. Основной задачей исследования являлось создание трехмерных моделей позвоночно-двигательных сегментов и транспедикулярной системы (ТПС) с последующим расчетом их напряженно-деформированного состояния под компрессионной нагрузкой методом конечных элементов (МКЭ). Моделирование проводилось в SolidWorks Simulation с использованием статического анализа для определения напряжений и деформаций. В исследовании рассмотрена биомеханическая модель поясничного (L1–L5) отдела позвоночника пациента научно-исследовательского института травматологии, ортопедии и нейрохирургии Саратовского государственного медицинского университета им. В.И. Разумовского. Особое внимание уделено балансу между точностью геометрического представления модели и вычислительной эффективностью, а также возможным погрешностям, связанным с дискретизацией и аппроксимацией. Результаты исследования показали, что максимальные эквивалентные напряжения, возникающие при нагрузке силой 400Н поясничного отдела позвоночника в твердотельной не полигональной модели, превышают напряжения в полигональной модели не более чем на 7–10 %, что является достаточным, чтобы утверждать о возможности оценки НДС сегментов позвоночника по упрощенной модели.