В России приблизительно 10% населения, или около 14 миллионов человек, страдают остеопорозом. При этом заболевании наблюдается уменьшение плотности и прочности костной ткани, что увеличивает вероятность серьезных повреждений даже при незначительных травмах или нагрузках. Чаще всего встречаются переломы позвоночника, шейки бедра и дистального отдела предплечья. Для выявления остеопороз на начальных этапах врачи оценивают пористость кости с помощью компьютерной томографии (КТ). Однако, проблема заключается в том, что различные аппараты по-разному влияют на процесс вычислений, и результаты для одной и той же кости, полученные на разных установках КТ, могут различаться. Это негативно сказывается на точности исследований. В Пермском Политехе и Саратовском университете провели исследование, чтобы определить факторы, влияющие на показатели пористости, и снизить зависимость от результатов компьютерной томографии. Эксперименты проводились на костях крупного рогатого скота, строение которых схоже со структурой человеческих костей. Выявленные закономерности позволят точнее диагностировать первые признаки остеопороза и разрабатывать стратегии лечения, предотвращая развитие серьезных осложнений.
Статья опубликована в журнале «Известия Саратовского Университета» № 2 за 2025 год.
Кости человека формируются из двух основных типов ткани: компактной, отличающейся плотностью и гладкостью, и губчатой, характеризующейся пористостью. Компактная кость представляет собой твердую внешнюю оболочку, способную выдерживать значительные нагрузки и предохранять от переломов. Губчатая кость имеет более легкую и эластичную структуру, состоящую из переплетенной сети тонких перегородок. Она выполняет функцию распределения давления внутри кости, амортизации ударов и поддержки костного мозга, в котором происходит образование клеток крови.
На ранних этапах остеопороза первоначально подвергается разрушению губчатая костная ткань. Часто его симптомы проявляются в виде множественных и серьезных переломов, поскольку внутренние изменения остаются незамеченными и длительное время протекают без выраженных признаков. Для ранней диагностики заболевания врачи определяют минеральную плотность губчатой кости и, основываясь на этих результатах, рассчитывают ее прочность: чем выше показатель, тем крепче костная ткань.
– Этот параметр имеет тесную взаимосвязь с другими показателями, такими как эффективный модуль упругости, который характеризует жесткость кости и ее способность противостоять деформации. В медицинской практике минеральная плотность костной ткани часто измеряется с помощью компьютерной томографии (КТ), основываясь на рентгеновской плотности, которая выражается в единицах Хаунсфилда. Этот показатель является ключевым для врачей при оценке состояния кости и используется при предоперационном планировании, в частности, при проведении виртуальных операций с применением биомеханического моделирования. Однако, аппараты КТ по-разному интерпретируют эти единицы, что приводит к различиям в результатах и снижает точность исследования – об этом отмечает Дмитрий Иванов, профессор кафедры математической теории упругости и биомеханики Саратовского университета.
Ученые используют альтернативные методы для определения механических свойств костей из-за неточностей используемого подхода. Например, они рассчитывают эти свойства, сжимая образцы и фиксируя их реакцию на приложенную нагрузку. Поскольку получение биоматериала человека затруднено, в качестве альтернативы для исследований используют кости крупного рогатого скота, которые обладают схожей структурой и характеристиками прочности. Отсутствие единых стандартов для работы с образцами, однако, препятствует получению надежных данных о свойствах костей в процессе механических испытаний.
Специалисты из Пермского Политеха и СГУ осуществили ряд экспериментов, в ходе которых образцы губчатой костной ткани коров подвергались сжатию в различных направлениях. При этом измерялись показатели минеральной плотности и пористости. Полученные данные позволили установить взаимосвязь между плотностью и пористостью, что послужило основой для разработки требований к образцам. Это, в свою очередь, обеспечит более точное определение характеристик костей.
– Для проведения исследований применялись современные технологии, такие как 3D-сканирование и анализ состава образцов методом сжигания. В ходе работы установлено, что для коленного сустава существует прямая зависимость между плотностью и прочностью, независимо от направления. В то же время, прочность позвонков значительно выше вдоль оси тела по сравнению с поперечным направлением. Аналогичные данные ранее были получены и для человеческих позвонков. Разработанная нами стандартизированная методика подготовки образцов к экспериментам позволила установить взаимосвязь между структурой губчатой кости и ее прочностью, что важно для понимания механизмов восприятия нагрузок. Полученные результаты могут быть использованы и при изучении человеческих костей, свойства которых остаются недостаточно изученными – отметил Илья Виндокуров, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории механики биосовместимых материалов и устройств ПНИПУ.
– Использование недостаточно длинных образцов при исследованиях может приводить к искажению результатов и занижению оценки реальной прочности кости. Согласно результатам экспериментов, высота образца кости при испытаниях должна быть не менее чем в пять раз больше его ширины. Это позволит получать достоверные показатели прочности при проведении подобных экспериментов с человеческими костями, – отмечает Михаил Ташкинов, доцент кафедры «Динамика и прочность машин» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Ученые из ПНИПУ и СГУ провели исследования, результаты которых можно использовать при тестировании образцов губчатой кости человека для оценки ее механических характеристик. Это откроет возможности для проведения точного предоперационного планирования с применением биомеханического моделирования.
Уже на этапе планирования операции врач сможет определить, кому из пациентов возможно установить винты для обеспечения надежной фиксации имплантата. Это позволит уменьшить количество повторных хирургических вмешательств и улучшить качество жизни пациентов после проведенного лечения.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ПНИПУ