В России остеопорозом страдают около 14 миллионов человек, что составляет примерно 10% населения страны. При таком заболевании снижается плотность и прочность костей. Это повышает риск серьезных повреждений даже при минимальной травме или нагрузке. Особенно часто встречаются переломы позвоночника, шейки бедра и дистального отдела предплечья (место соединения с кистью). Чтобы на ранних стадиях определять развитие остеопороза, медики смотрят пористость кости, для чего используют компьютерную томографию (КТ). Проблема такого метода в том, что аппараты по-своему оказывают воздействие на вычисление, и результаты для одной и той же кости на разных установках КТ могут отличаться. Это снижает точность исследований. В Пермском Политехе и Саратовском университете изучили, от чего зависят показатели пористости, чтобы не полагаться только на результаты компьютерной томографии. Эксперименты проводили на костях крупного рогатого скота, которые похожи по структуре на человеческие. Выявленная закономерность поможет точнее определять первые признаки остеопороза и разрабатывать план лечения, не дожидаясь серьезных осложнений.
Статья опубликована в журнале «Известия Саратовского Университета» № 2 за 2025 год.
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 5 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.
