Разработка пермских ученых предскажет последствия операций на костные ткани и стоматологические вмешательства

Трабекулярная или губчатая костная ткань составляет 20% от общей массы скелета человека. Эта структура поддерживает и защищает органы, а еще участвует в процессе образования крови через костный мозг. Под действием новой нагрузки в костной ткани могут начаться адаптационные изменения, которые приводят к физиологическим отклонениям и патологиям. Такая трансформация может происходить из-за врачебного вмешательства. Ярким примером служит синдром Попова-Годона – смещение зубов и деформация зубной дуги из-за потери антагониста (зуба на противоположной челюсти), это происходит, когда его удаляют, но не заменяют своевременно. Ученые Пермского Политеха разработали модель для описания перестройки губчатой костной ткани. С ее помощью можно предсказывать долговременные последствия оперативного вмешательства в любых отделах скелета человека или животных, где есть такая ткань. Так, например, метод позволит работать с челюстью, позвонками, бедренной и пяточной костями.

Статья опубликована в сборнике Всероссийского съезда по теоретической и прикладной механике. Результаты получены при выполнении государственного задания (проект № FSNM-2023-0003). 

Постоянно меняющиеся нагрузки как физиологические, так и патологические, влияют на развитие и функционирование скелета человека. Кости состоят из компактной (кортикальной) и губчатой (трабекулярной) тканей, которые различаются по расположению трабекул. Это структурные единицы, которые образуют архитектуру ткани.

Трабекулярная ткань представляет собой пористый материал с изменчивыми механическими свойствами. У живого организма в ней непрерывно происходят различные адаптационные процессы за счет поворота трабекул. Кость приспосабливает свою внешнюю форму и внутреннюю структуру к тем механическим силам, которые она должна выдержать. При этом адаптация в губчатой ткани носит направленный характер: трабекулы располагаются закономерно, согласно тому, какие внешние нагрузки испытывает кость. Несмотря на существующие в настоящее время методы получения изображения губчатой костной ткани, их применение в клинической практике не обладает прогностической функцией. Поэтому возникает потребность предсказывать, как структура среагирует на вмешательство (или наоборот – его отсутствие) в долговременной перспективе.

Ученые ПНИПУ разработали математическую модель, которая может использоваться для решения прикладных задач о перестройке трабекулярной костной ткани в различных отделах скелета человека, в частности, в зубочелюстной системе. Например, тело нижней челюсти имеет ярко выраженную губчатую структуру, и она больше остальных подвержена внешнему и внутреннему изменению. В современной стоматологии часто сталкиваются с патологическими изменениями из-за неправильного нагружения вследствие дисфункции зубного ряда, височно-нижнечелюстного сустава, старческой инволюции и т.п. Поэтому необходимо найти способ описать, как формируется структура костей под изменяющимся биомеханическим давлением.
– Наша модель отражает закономерности формирования костной ткани в различных отделах скелета и может применяться, например, для описания поведения костной ткани в районе вживления имплантата при синдроме Попова-Годона или какой-либо функциональной травме с последующим замещением дефектов зубного ряда. Конечным пользователем должен стать врач, на практике нужно будет использовать 3D-модели, получаемые после обработки снимков МРТ. Параметры структуры задаются либо из среднестатистических значений для данной области кости в норме, либо по результатам исследования на компьютерной томографии, чтобы увидеть исходную структуру у конкретного пациента, – поделился старший преподаватель кафедры вычислительной механики и биомеханики Александр Киченко. 

Ученые ПНИПУ разработали модель, которая позволит планировать лечение различных заболеваний зубочелюстной системы и глубже понять механизмы ее функционирования. Появляется возможность прогнозировать результаты отдаленного врачебного вмешательства при индивидуальном подходе к каждому пациенту. Лечение и реабилитация пациентов будет проходить эффективнее. В настоящее время ведется разработка ПО для врачей.