Details

Предметом исследования являются биомеханические свойства позвонков T2–T4 и межпозвоночных дисков грудного отдела позвоночника. Цель работы – моделирование осевой нагрузки на второй, третий и четвёртый грудные позвонки и межпозвоночные диски между ними с оценкой напряжённо-деформированного состояния. Работа выполнена с использованием комплекса программного обеспечения: сегментация КТ-снимков в 3D Slicer, обработка геометрии в Blender, создание твердотельной модели в FreeCAD, конечно-элементный анализ в ANSYS. Рассмотрены две модели межпозвоночных дисков: неразделённые и разделённые на фиброзное кольцо и пульпозное ядро. Заданы две статические осевые нагрузки: физиологическая 50 Н и критическая 5000 Н. Материалы заданы изотропными упругими с параметрами из литературы. При нагрузке 50 Н максимальные напряжения по Мизесу не превышают 0,6 МПа, что соответствует литературным данным для положения стоя. При нагрузке 5000 Н в модели с неразделёнными дисками напряжения в фиброзном кольце достигают 39 МПа, в модели с разделёнными дисками – 53,5 МПа, что попадает в нижнюю границу предела прочности – 61,8±20 МПа. Зона минимальных напряжений локализована в пульпозном ядре, максимальных – в передней части фиброзного кольца на границе с позвонком. Полученные результаты могут использоваться для биомеханического анализа дегенеративных заболеваний грудного отдела позвоночника, оценки риска компрессионных переломов и верификации конечно-элементных моделей на основе КТ-данных. Модель с разделёнными на анатомические составляющие дисками более адекватно отражает распределение напряжений и позволяет выявить зоны риска повреждения фиброзного кольца при осевых нагрузках. Предложенный подход может быть распространён на другие уровни позвоночника.

The study focuses on the biomechanical properties of vertebrae T2–T4 and intervertebral discs of the thoracic spine. The objective is to simulate axial loading on the second, third and fourth thoracic vertebrae and the discs between them, evaluating the stress‑strain state. The work uses a software pipeline: CT segmentation in 3D Slicer, geometry processing in Blender, solid model creation in FreeCAD, and finite element analysis in ANSYS. Two models of disks are considered: continuous and divided into annulus fibrosus and nucleus pulposus. Two static axial loads are applied: physiological 50 N and critical 5000 N. Materials are isotropic linear elastic with parameters taken from literature. Under 50 N, the maximum von Mises stress does not exceed 0.6 MPa, consistent with published data for standing posture. Under 5000 N, the continuous disc model shows 39 MPa in the annulus, while the divided disc model shows 53.5 MPa, which falls into the lower range of the tensile strength – 61.8±20 MPa. Minimum stress is concentrated in the nucleus pulposus, maximum stress in the anterior annulus at the vertebra‑disc interface. The results can be used for biomechanical analysis of degenerative thoracic spine diseases, risk assessment of compression fractures, and validation of CT‑based finite element models. The disc model divided into anatomical components better reproduces the stress distribution and identifies potential damage zones of the annulus fibrosus under 5000 N axial load. The proposed approach can be extended to other spinal levels.