Статья опубликована в журнале «Известия Саратовского Университета». Все кости человека состоят из двух основных типов ткани — компактной (плотной) и губчатой (пористой). Компактная кость — это твердая и гладкая наружная часть. Она выдерживает довольно большую нагрузку и защищает от переломов. Губчатая кость — это легкая и упругая внутренняя «сетка» из тонких перегородок. Ее задача – распределять давление внутри, смягчать удары и поддерживать костный мозг, где образуются клетки крови.
Именно губчатая ткань на ранних стадиях остеопороза разрушается в первую очередь. Обычно его проявления— это зачастую уже сразу множественные и тяжелые переломы, поскольку внутренние изменения остаются незаметными и долгое время протекают бессимптомно. Чтобы на ранней стадии выявить недуг, врачи оценивают минеральную плотность пористой кости, и на основе этих данных рассчитывают прочность ткани: чем она выше, тем крепче кость.
– Этот параметр тесно связан с другими характеристиками, например, с эффективным модулем упругости, который определяет жесткость кости и как она сопротивляется деформации. В медицине минеральную плотность часто определяют с помощью компьютерной томографии (КТ) на основе рентгеновской плотности, которая выражена в единицах Хаунсфилда. Это один из основных показателей для врачей при оценке качества кости, который также используют в рамках предоперационного планирования при выполнении виртуальных операций, основанных на биомеханическом моделировании. Проблема в том, что аппараты КТ по-разному влияют на эти единицы и конечные результаты отличаются, а исследование становится неточным, – комментирует Дмитрий Иванов, профессор кафедры математической теории упругости и биомеханики Саратовского университета.
Из-за неточностей метода ученые прибегают к другим способам определения механических свойств костей. Например – вычисляют их, сжимая образцы и измеряя реакцию на нагрузку. При этом, так как человеческий биоматериал достать трудно, для исследований берут кости крупного рогатого скота, похожие по структуре и прочностным характеристикам. Однако строгих стандартов для изучения образцов нет, что мешает получить достоверные данные о свойствах костей в ходе механических испытаний.
Ученые из Пермского Политеха и СГУ провели серию экспериментов: сжимали образцы губчатой костной ткани коров в разных направлениях, измеряли их минеральную плотность и пористость. Они определили зависимость между плотностью и пористостью и на основе этих экспериментов разработали требования к образцам. Это позволит достоверно определять характеристики костей.
– Мы использовали современные методы, включая 3D-сканирование и сжигание образцов для анализа их состава. Выяснилось, что для коленного сустава зависимость между плотностью и прочностью оказалась одинаковой во всех направлениях. У позвонков же прочность вдоль оси тела значительно выше, чем в поперечном направлении. Подобные результаты уже получены и для человеческих позвонков. По сути, мы отработали стандартизированную методику подготовки образцов для экспериментов и получили взаимосвязь между строением губчатой кости и ее прочностью, чтобы лучше понимать, как она выдерживает нагрузки. Результаты могут быть применены и для исследования человеческих костей, свойства которых до сих пор не до конца изучены, – комментирует Илья Виндокуров, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории механики биосовместимых материалов и устройств ПНИПУ.
– Если использовать для исследований слишком короткие образцы, результаты искажаются и занижают реальную прочность кости. Эксперименты показали, что при испытаниях высота образцов кости должна быть минимум в пять раз больше ширины. Соблюдение таких условий позволит получать адекватные показатели прочности при проведении подобных экспериментов с костями человека, – комментирует Михаил Ташкинов, доцент кафедры «Динамика и прочность машин» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Исследования ученых ПНИПУ и СГУ могут быть применены при испытаниях с образцами губчатой кости человека для определения ее механических свойств. Это позволит проводить высокоточное предоперационное планирование с использованием биомеханического моделирования.
Например, еще на этапе планирования операции врач будет точно знать, какому пациенту можно установить винты и получить надежную фиксацию имплантата. Фактически, это позволит снизить число повторных операций и повысить качество жизни пациентов после лечения.