RU169201U1

RU169201U1 - Device for testing hip joint endoprosthesis for axial compression

Info

Publication number: RU169201U1
Application number: RU2016100546U
Authority: RU
Inventors: Виктор Иванович Митряйкин; Юрий Геннадьевич Коноплев; Оскар Александрович Саченков; Андрей Васильевич Мазуренко; Татьяна Александровна Зайцева
Priority date: 2016-01-11
Filing date: 2016-01-11
Publication date: 2017-03-09

Abstract

Полезная модель относится к медицинской технике и может быть использована при испытаниях эндопротеза тазобедренного сустава в травматологии и ортопедии, где проводятся операции эндопротезирования тазобедренного сустава. Это высокотехнологическое оперативное вмешательство, направленное на замену одного или всех (тотальное) компонентов тазобедренного сустава искусственными частями, называемого эндопротезом, с целью восстановления его функции и снятии болевого синдрома.Техническим результатом от использования заявленного технического решения является создание эффективного устройства для испытаний эндопротеза тазобедренного сустава на осевое сжатие за счет расширения функциональных возможностей его путем определения критических сил, при которых чашка эндопротеза вертлюжного компонента, установленного с различной степенью недопокрытия, теряет несущую способность в условиях сжатия, что позволяет точно судить о степени недопокрытия чашки эндопротеза, как об одном из факторов, влияющих на механическую стабильность и несущую способность имплантата, и быть более свободным в выборе хирургической тактики при имплантации вертлужного компонента чашки эндопротеза.Устройство крепится в зажимах испытательной машины УТС 110М-100, создающей осевое сжатие до 100 кН, с различной скоростью нагружения. К нижнему зажиму крепится плита 1, которая имеет ребра жесткости и прорези, в которой устанавливается и закрепляется цилиндрический стакан 2. В стакан 2 вставляется ножка эндопротеза 5 и заливается легкоплавким сплавом Вуда. Прорезь в плите 1 позволяет позиционировать стакан 2 в радиальном направлении. К верхнему зажимуThe utility model relates to medical equipment and can be used in tests of the hip joint endoprosthesis in traumatology and orthopedics, where hip joint endoprosthetics are performed. This is a high-tech surgical intervention aimed at replacing one or all (total) components of the hip joint with artificial parts, called an endoprosthesis, in order to restore its function and relieve pain. The technical result from the use of the claimed technical solution is to create an effective device for testing a hip joint endoprosthesis on axial compression by expanding its functionality by determining the critical forces at which the endoprosthesis plate of the swivel component, installed with a different degree of undercoverage, loses its bearing capacity under compression conditions, which allows us to accurately judge the degree of undercoverage of the endoprosthesis cup, as one of the factors affecting the mechanical stability and bearing capacity of the implant, and to be more free in choosing a surgical one tactics for the implantation of the acetabular component of the endoprosthesis cup. The device is mounted in the clamps of the testing machine UTS 110M-100, which creates axial compression of up to 100 kN, with different loading speeds Eden. A plate 1 is attached to the lower clamp, which has stiffening ribs and slots, in which a cylindrical cup 2 is mounted and fixed. The endoprosthesis leg 5 is inserted into the cup 2 and filled with the fusible Wood alloy. The slot in the plate 1 allows you to position the glass 2 in the radial direction. To upper clamp

Description

Полезная модель относится к медицинской технике и может быть использована при испытаниях эндопротеза тазобедренного сустава в травматологии и ортопедии, где проводятся операции эндопротезирования тазобедренного сустава. Это высокотехнологическое оперативное вмешательство, направленное на замену одного или всех (тотальное) компонентов тазобедренного сустава искусственными частями, называемого эндопротезом, с целью восстановления его функции и снятии болевого синдрома.The utility model relates to medical equipment and can be used in tests of the hip joint endoprosthesis in traumatology and orthopedics, where hip joint endoprosthetics are performed. This is a high-tech surgical intervention aimed at replacing one or all (total) components of the hip joint with artificial parts, called an endoprosthesis, in order to restore its function and relieve pain.

Известна конструкция эндопротеза проксиального конца бедренной кости, как правило, повторяет его естественную анатомическую форму. Эндопротез состоит из ножки, шейки с опорной площадкой и шаровидной головки. Узлами трения являются головка и вкладыш, установленный в чашке эндопротеза, который выполняет функцию искусственной вертлужной впадины. Чашка крепится к кости таза. Для этого вертлужная впадина рассверливается и в нее с натягом вставляется чашка. Во многих литературных источниках указывается, что минимально необходимое покрытие чашки должно составлять не менее 70% площади ее поверхности [GoranBicanic,DomagojDelimar,MarkoDelimar,MarcoPecinaInflue nceoftheacetabularcuppositiononhiploadduringarthroplastyinhipdysplasia//IntOtth op. 2009 April;33(2): 397-402.].A known design of the endoprosthesis of the proximal end of the femur, as a rule, repeats its natural anatomical shape. The endoprosthesis consists of a leg, a neck with a support platform and a spherical head. Friction nodes are the head and liner installed in the endoprosthesis cup, which performs the function of an artificial acetabulum. The cup is attached to the pelvic bone. For this, the acetabulum is drilled and a cup is inserted into it with an interference fit. Many literary sources indicate that the minimum required coating of a cup should be at least 70% of its surface area [GoranBicanic, DomagojDelimar, MarkoDelimar, MarcoPecinaInflue nceoftheacetabularcuppositiononloadloaduringuringroplastyinhipdysplasia // IntOtth op. 2009 April; 33 (2): 397-402.].

Недостатком известной конструкции является то, что наряду со стабильными случаями эндопротезирования все большую часть составляют тяжелые врожденные патологии, которые приводят к недопокрытию вертлужного компонента. Это связано с отсутствием однозначного представления о том, при каких величинах недопокрытия необходимо использовать дополнительные фиксирующие элементы-винты и в какой степени опорные трансплантаты увеличивают надежность фиксации. Кроме того, в большинстве случаев достаточно сложно определить, какую площадь составляет дефицит покрытия, поскольку предоперационная оценка с использованием рентгеновских шаблонов не обеспечивает необходимой точности.A disadvantage of the known construction is that, along with stable cases of endoprosthetics, an increasingly large part is constituted by severe congenital pathologies, which lead to under-covering of the acetabular component. This is due to the lack of an unambiguous idea of the magnitude of undercoating that it is necessary to use additional locking screw elements and to what extent supporting transplants increase the reliability of fixation. In addition, in most cases, it is difficult to determine what area is the coverage deficit, since the preoperative assessment using x-ray templates does not provide the necessary accuracy.

Известен «Способ определения степени покрытия вертлужного компонента бесцементной фиксации в процентном соотношении после его имплантации в обработанную вертлужную впадину при первичных и ревизионных операциях эндопротезирования тазобедренного сустава» (Патент РФ №2412646 от 27.02.2011, А61В 51/00), в котором определяют величину недопокрытия вертлужного компонента методом измерений наружного диаметра и глубины недопокрытого сектора вертлужного компонента (чашки эндопротеза), реализованного при помощи линейки и штангенциркуля с занесением в таблицу, в которой: в верхней горизонтальной строке представлены наружные диаметры вертлужного компонента чашки эндопротеза в миллиметрах; в левом столбце по вертикали показана глубина недопокрытого сектора вертлужного компонента эндопротез, в миллиметрах. При пересечении этих двух перечисленных величин получаем площадь контакта на границе кость - имплантант в процентах. Именно эти данные и используются для быстрого определения величины недопокрытия.The well-known "Method for determining the degree of coverage of the acetabular component of cementless fixation in a percentage ratio after its implantation in the treated acetabulum during primary and revision hip joint endoprosthetics" (RF Patent No. 2412646 dated 02.27.2011, А61В 51/00), in which the amount of underfill is determined the acetabular component by measuring the outer diameter and depth of the uncoated sector of the acetabular component (endoprosthesis cup), implemented using a ruler and caliper with recording in a table in which: in the upper horizontal row, the outer diameters of the acetabular component of the endoprosthesis cup are presented in millimeters; in the left column, the depth of the uncoated sector of the acetabular component of the endoprosthesis, in millimeters, is shown vertically. At the intersection of these two listed values, we obtain the area of contact at the bone-implant border in percent. It is these data that are used to quickly determine the magnitude of undercoverage.

К недостаткам этого технического решения следует отнести низкую эффективность за счет того, что наряду с определением процента недопокрытия не производят учета осевых нагрузок на сжатие, т.е. не учитывают индивидуальных анатомических особенностей пациента (анатомические углы, вес пациента, его двигательная активность), что снижает точность определения недопокрытия, сказывающуюся на нестабильности чашки эндопротеза и выхода ее из строя.The disadvantages of this technical solution include low efficiency due to the fact that along with the determination of the percentage of under-coverage, axial compressive loads are not taken into account, i.e. they do not take into account the individual anatomical features of the patient (anatomical angles, weight of the patient, his motor activity), which reduces the accuracy of determining undercoverage, which affects the instability of the endoprosthesis cup and its failure.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и взятому в качестве прототипа является "Устройство для механических испытаний искусственного тазобедренного сустава" (SU 486651 AI, 30.07.1979). Устройство содержит основание, стойку, пружину, кулисный механизм, эндопротез тазобедренного сустава. При испытании это устройство позволяет воспроизводить напряженное состояние искусственного тазобедренного сустава имитацией шага различной длины.The closest in technical essence to the claimed device and taken as a prototype is a "Device for mechanical testing of an artificial hip joint" (SU 486651 AI, 07/30/1979). The device comprises a base, a stand, a spring, a rocker mechanism, an endoprosthesis of the hip joint. When tested, this device allows you to reproduce the stress state of an artificial hip joint by imitating a step of various lengths.

Недостатком данного устройства является отсутствие функциональных возможностей устройства по исследованию вывиха эндопротеза тазобедренного сустава при приложении осевой нагрузки с различной степенью недопокрытия вертлюжной впадины эндопротеза, соответствующей весу человека, а следовательно, невозможность испытания различных типов эндопротезов, что ограничивает функциональные возможности устройства, снижающие эффективность устройства в целом.The disadvantage of this device is the lack of functionality of the device for the study of dislocation of the endoprosthesis of the hip joint when axial load is applied with a varying degree of undersurface of the swivel of the endoprosthesis corresponding to the weight of a person, and therefore, the inability to test various types of endoprostheses, which limits the functionality of the device, reducing the effectiveness of the device as a whole .

Решаемой задачей полезной модели является низкая эффективность устройства для испытания эндопротеза тазобедренного сустава из-за ограничения его функциональных возможностей, не позволяющих приложить осевую нагрузку на сжатие в соответствии с весом человека, при которых эндопротез теряет несущую способность.The problem of the utility model to be solved is the low efficiency of the device for testing the hip joint endoprosthesis due to the limitation of its functional capabilities, which do not allow axial compression to be applied in accordance with the weight of the person, in which the endoprosthesis loses its bearing capacity.

Техническим результатом от использования заявленного технического решения является создание эффективного устройства для испытаний эндопротеза тазобедренного сустава на осевое сжатие за счет расширения функциональных возможностей его путем определения критических сил, при которых чашка эндопротеза вертлюжной впадины установлена с различной степенью недопокрытия, теряет несущую способность в условиях сжатия, что позволяет точно судить о степени недопокрытия чашки эндопротеза, как об одном из факторов, влияющих на механическую стабильность и несущую способность имплантата, и быть более свободным в выборе хирургической тактики при имплантации чашки эндопротеза вертлюжного компонента.The technical result from the use of the claimed technical solution is the creation of an effective device for testing the hip joint endoprosthesis for axial compression by expanding its functionality by determining the critical forces at which the swivel endoprosthesis cup is installed with a different degree of undercoating, loses bearing capacity under compression conditions, which allows you to accurately judge the degree of undercoverage of the endoprosthesis cup, as one of the factors affecting the mechanical stub the integrity and bearing capacity of the implant, and to be more free in the choice of surgical tactics when implanting a swivel component endoprosthesis cup.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для испытания эндопротеза тазобедренного сустава на осевое сжатие, содержащем основание, стойку, плоский сектор с прорезью, эндопротез вертлужной впадины, согласно которому основание выполнено в виде плиты, а стойка - в виде цилиндрического стакана для закрепления ножки эндопротеза, причем плита выполнена с возможностью закрепления в нижнем зажиме силовозбудителя осевого сжатия, а плоский сектор - в верхнем зажиме силовозбудителя осевого сжатия, при этом в прорези плоского сектора с возможностью поворота относительно оси сжатия закреплена цилиндрическая головка, к которой прикреплен цилиндр с косым срезом, в плоскости которого выполнен сферический вырез для установки чашки эндопротеза, причем цилиндр со стороны сферического выреза состоит из набора съемных частей, секторов, выполненных с заданным шагом, соответствующим имитируемому в заданном процентном отношении участку недопокрытия чашки эндопротеза, а плита выполнена с возможностью радиального смещения в ней цилиндрического стаканThe technical result is achieved by the fact that in the device for testing the hip joint endoprosthesis for axial compression, comprising a base, a stand, a flat sector with a slot, an acetabulum endoprosthesis, according to which the base is made in the form of a plate, and the stand is in the form of a cylindrical cup for fixing the endoprosthesis leg moreover, the plate is made with the possibility of fixing in the lower clamp of the exciter of axial compression, and the flat sector in the upper clamp of the exciter of axial compression, while in the slot of the flat sector with the possibility of rotation relative to the compression axis, a cylindrical head is fixed to which a cylinder with an oblique cut is attached, in the plane of which a spherical cut is made to install the endoprosthesis cup, and the cylinder on the spherical cut side consists of a set of removable parts, sectors made with a given step corresponding to the simulated in a predetermined percentage, the area of undercoverage of the endoprosthesis cup, and the plate is made with the possibility of radial displacement in it of a cylindrical cup

Основной задачей является определение критического значения сегмента АВ (выделенная черным область на фиг. 1), при котором в процессе эксплуатации будет проявляться недопокрытие (нестабильность покрытия) чашки эндопротеза, то есть потеря ей несущей способности. Силы, действующие на чашку эндопротеза с вкладышем, или по другому вертлужный компонент, передаются через бедренный компонент (имплантата), а значит, при движении изменяются как количественно, так и по направлению действия. Для определения критического значения недопокрытия (сегмента АВ) также необходимо определить закон распределения контактных напряжений между чашкой эндопротеза и костной тканью, учитывая при этом натяг между ними при посадке имплантата. Это является сложной математической задачей и в данном тексте затрагиваться не будет.The main task is to determine the critical value of the AB segment (the black region in Fig. 1), in which the operation will show under-coating (instability of the coating) of the endoprosthesis cup, that is, loss of its bearing capacity. The forces acting on the endoprosthesis cup with the insert, or on the other acetabular component, are transmitted through the femoral component (implant), which means that during movement they change both quantitatively and in the direction of action. To determine the critical value of undercoverage (segment AB), it is also necessary to determine the law of the distribution of contact stresses between the endoprosthesis cup and bone tissue, taking into account the tightness between them during implant placement. This is a complex mathematical problem and will not be addressed in this text.

В процессе движения нагрузки, действующие на сустав, изменяются как по значению, так и по направлению. Так, при ходьбе расчетное значение реакции, возникающей в суставе, превышает вес человека в 2-3 раза, и реакция переменна по направлению действия. Для оценки несущей способности вертлужного компонента была построена плоская контактная модель. Рассматриваем некое плоское сечение, форма вертлужной впадины считается полуокружностью радиуса r, разрез проходит через центр окружности. Сила N, приходящая с имплантата, прикладывается по нормали к основному диаметру. Вводим параметр θ, характеризующий наклон вертлужной впадины около горизонтали (ацетабулярный угол).In the process of movement, the loads acting on the joint change both in value and in direction. So, when walking, the calculated value of the reaction that occurs in the joint exceeds the weight of a person by 2-3 times, and the reaction is variable in direction of action. To assess the bearing capacity of the acetabular component, a flat contact model was constructed. We consider a certain flat section, the shape of the acetabulum is considered a semicircle of radius r, the section passes through the center of the circle. The force N coming from the implant is applied normal to the main diameter. We introduce the parameter θ characterizing the slope of the acetabulum near the horizontal (acetabular angle).

Штамп (вертлужный компонент) давит на упругую область, соотношение механических характеристик Е_штамп/Е_упруг≈100, трение между материалами задавалось параметром f=0.45 и f=0.95; параметрами модели были: радиус компонента АО, величина и направления силы N, угол недопокрытия АОВ. См. фиг. 1The stamp (acetabular component) presses on the elastic region, the ratio of the mechanical characteristics E _stamp / E _elastic ≈100, the friction between the materials was set by the parameter f = 0.45 and f = 0.95; The model parameters were: radius of the AO component, magnitude and direction of the force N, angle of undercover of the AOW. See FIG. one

Для предварительной оценки порядка степени недопокрытия было решено рассмотреть закон распределения давления от вертлюжного компонента на костную ткань не в классической контактной постановке, а из нижеследующих условий, которые механически выражаются как разгруженность нижнего края вертлужного имплантата (точка D, фиг. 1).For a preliminary assessment of the order of the degree of undercoverage, it was decided to consider the law of pressure distribution from the acetabular component to the bone tissue not in the classical contact setting, but from the following conditions, which are mechanically expressed as the unloading of the lower edge of the acetabular implant (point D, Fig. 1).

Найдем функцию распределения давления по форме вертлюжной впадины чашки эндопротеза от пришедшего усилия N. Будем искать закон распределения в виде:We find the pressure distribution function over the shape of the swivel of the endoprosthesis cup from the incoming effort N. We will look for the distribution law in the form:

q(ϕ)=ACos(kϕ+b),q (ϕ) = ACos (kϕ + b),

где ϕ - окружная координата, A, k, b - неизвестные константы.where ϕ is the circumferential coordinate, A, k, b are unknown constants.

За условия для нахождения констант интерполирующей функции примем:For the conditions for finding the constants of the interpolating function we take:

B:q(π)=0B: q (π) = 0

C:q(ϕ_c)=q_max C: q (ϕ _c ) = q _max

Точка С принимается из условия максимальной удаленности от опорной горизонтали. После преобразований получим следующие значения для коэффициентов функции:Point C is taken from the condition of maximum distance from the reference horizontal. After the transformations, we obtain the following values for the coefficients of the function:

Таким образом, получаем функцию распределения давления по окружности вертлюжной впадины. Ниже приведены иллюстрация распределения для усилия N=1 Н, θ=45 единичной окружности.Thus, we obtain the pressure distribution function around the circumference of the swivel. Below is an illustration of the distribution for the force N = 1 N, θ = 45 unit circle.

Пусть вертлюжный компонент установлен в вертлюжную впадину с недопокрытием, введем параметр ϕ₀, характеризующий угол между началом вертлюжного компонента и главным диаметром вертлюжной впадины.Let the swivel component be installed in the swivel trench with undercover, we introduce the parameter ϕ ₀ characterizing the angle between the beginning of the swivel component and the main diameter of the swivel.

Составим уравнение моментов около точки В для левой и правой частей:We compose the equation of moments near point B for the left and right sides:

где n_o - плечо момента относительно точки О.where n _o is the arm of the moment relative to point O.

После приведения получим выражения:After the cast, we get the expressions:

Условия нестабильности в этом случае запишутся в виде:The instability conditions in this case are written in the form:

mom_o"-"<mom_o"+"mom _o "-"<mom _o "+"

После подстановки выражений моментов для выбранной интерполяции функции давления в неравенство и приведения выражений получаем следующее выражение:After substituting the moment expressions for the chosen interpolation of the pressure function into inequality and reducing the expressions, we obtain the following expression:

Cosϕ₀[SinbSinkπ-Cosb(1+Coskπ)]+Cosϕ ₀ [SinbSinkπ-Cosb (1 + Coskπ)] +

Sinϕ₀[kSinb(1+Coskπ)+kCosbSinkπ]>0Sinϕ ₀ [kSinb (1 + Coskπ) + kCosbSinkπ]> 0

отнесенное к тригонометрическим функциям от параметра ϕ₀ (степень недопокрытия).attributed to trigonometric functions of the parameter ϕ ₀ (degree of under coverage).

Данная задача сводится к:This task comes down to:

где Where

Здесь варьируя угол θ (ацетабулярный угол), можно получить значения для угла ϕ₀, а значит, оценить степень недопокрытия. Таким образом получаем зависимость критического значения угла ϕ₀ от угла θ.Here, by varying the angle θ (acetabular angle), it is possible to obtain values for the angle ϕ ₀ , and therefore, to estimate the degree of undercoverage. Thus, we obtain the dependence of the critical value of the angle ϕ ₀ on the angle θ.

Далее аппроксимируем функцию процента недопокрытия чашки эндопротеза в зависимости от ацетабулярного угла следующим образом:Next, we approximate the function of the percentage of undercoverage of the endoprosthesis cup depending on the acetabular angle as follows:

у=3Е-05х²-0,0033х+0,4812,y = 3E-05x ² -0.0033x + 0.4812,

где оценка погрешности составит:where the error estimate is:

R²=0,9989.R ² = 0.9989.

Данное уравнение характеризует величину критического недопокрытия в зависимости от ацетабулярного угла. Стоит отметить, что приведенные значения отнесены к продольному сечению бедренной кости (истинные углы) и, чтобы их привести к проекционным значениям, ,необходимо спроектировать на угол антеторсии шейки бедра.This equation characterizes the magnitude of the critical under coverage depending on the acetabular angle. It is worth noting that the values given are related to the longitudinal section of the femur (true angles) and, in order to bring them to the projection values, it is necessary to project the angle of antitorsia of the femoral neck.

Сформулированная задача решалась методом конечных элементов, для расчетов использовался плоский 8-узловой элемент с квадратичной аппроксимацией по перемещениям, по дуге ACD моделировалось контактное взаимодействие с учетом сил трения. Упругая область моделировалась плоским прямоугольником с жестким защемлением узлов на торцах. Условием потери несущей способности вертлужного компонента являлось появление точки отрыва дуги вертлужного компонента от дуги упругой области. Таким образом, получили величину критического недопокрытия в зависимости от ацетабулярного угла.The formulated problem was solved by the finite element method, a flat 8-nodal element with quadratic approximation by displacements was used for calculations, contact interaction was simulated along the ACD arc taking into account friction forces. The elastic region was modeled by a flat rectangle with rigid pinching of the nodes at the ends. A condition for the loss of the bearing capacity of the acetabular component was the appearance of a point of separation of the arc of the acetabular component from the arc of the elastic region. Thus, the value of the critical undercoverage was obtained depending on the acetabular angle.

Расчеты для диаметров вертлужного компонента проводились в диапазоне 48-58 мм, с приложением силы до 1000 Н, ацетабулярный угол задавался равным 45°, угол недопокрытия варьировался. Расчеты показали потерю несущей способности имплантата при величине недопокрытия более 20°. Стоит отметить, что приведенные значения отнесены к продольному сечению бедренной кости (истинные углы), и чтобы их привести к проекционным значениям, необходимо спроектировать на угол антеторсии шейки бедра. Все это свидетельствует о росте влияния процента недопокрытия на критические значения силы. Результаты использовались в экспериментальных исследованиях для определения начального диапазона критической степени недопокрытия вертлужного компонента.The calculations for the diameters of the acetabular component were carried out in the range of 48–58 mm, with a force of up to 1000 N, the acetabular angle was set equal to 45 °, and the angle of undercoating was varied. The calculations showed a loss in the bearing capacity of the implant with a magnitude of undercoverage of more than 20 °. It is worth noting that the values given are related to the longitudinal section of the femur (true angles), and in order to bring them to projection values, it is necessary to project the angle of antetorsion of the femoral neck. All this indicates an increase in the influence of the percentage of under coverage on the critical values of force. The results were used in experimental studies to determine the initial range of the critical degree of under-coverage of the acetabular component.

На фиг. 1 - представлена схема недопокрытия чашки эндопротеза, где: In FIG. 1 - presents a scheme of undercovement of the endoprosthesis cup, where:

дуга AD - вертлюжный компонент;arc AD - swivel component;

дуга АВ - область недопокрытия;arc AB - the area of undercoverage;

О - центр головки бедренного компонента;About - the center of the femoral component head;

N - усилие (сила), приходящая с имплантата, прикладывается по нормали к основному диаметру.N - force (force) coming from the implant is applied normal to the main diameter.

Основной задачей является определение критического значения сегмента АВ, при котором в процессе эксплуатации будет проявляться недопокрытие чашки эндопротеза вертлюжного компонента, снижающей несущую способность эндопротеза. Силы, действующие на вертлюжный компонент впадины, передаются через бедренный компонент эндопротеза (имплантата), а значит, при движении изменяются как количественно, так и по направлению действия.The main task is to determine the critical value of the AB segment, in which during operation an undercoverage of the swivel endoprosthesis cup will occur, which reduces the bearing capacity of the endoprosthesis. The forces acting on the swivel component of the cavity are transmitted through the femoral component of the endoprosthesis (implant), which means that during movement they change both quantitatively and in the direction of action.

На фиг. 2 представлено заявляемое устройство для испытания эндопротеза, где:In FIG. 2 presents the inventive device for testing an endoprosthesis, where:

1 - плита;1 - plate;

2 - цилиндрический стакан;2 - a cylindrical glass;

3 - ножка эндопротеза;3 - leg of the endoprosthesis;

4 - плоский сектор;4 - flat sector;

5 - цилиндрическая головка;5 - a cylindrical head;

6 - цилиндр с косым срезом;6 - cylinder with an oblique cut;

7 - чашка эндопротеза;7 - a cup of an endoprosthesis;

8 - вкладыш;8 - insert;

9 - набор съемных частей, секторов;9 - a set of removable parts, sectors;

10 - головка эндопротеза.10 - endoprosthesis head.

Устройство крепится в зажимах, например, испытательной машины УТС 110М-100, создающей осевое сжатие до 100 кН, с различной скоростью нагружения. К нижнему зажиму крепится плита 1, которая имеет ребра жесткости и прорези, в которой устанавливается и закрепляется цилиндрический стакан 2. В стакан 2 вставляется ножка эндопротеза 5 и заливается легкоплавким сплавом Вуда. Прорезь в плите 1 позволяет позиционировать стакан 2 в радиальном направлении. К верхнему зажиму крепится плоский сектор 4 с прорезью, в которой закрепляется цилиндрическая головка 5. Такое соединение позволяет головке наклоняться относительно оси сжатия. К цилиндрической головке 5 крепится цилиндр с косым срезом 6, состоящий из набора съемных частей, секторов 9, в плоскости косого среза выполнен сферический вырез, в котором расположены головка эндопротеза 10, вкладыш 8 и чашка 7, образующие вертлюжный компонент.The device is mounted in clamps, for example, of the UTS 110M-100 testing machine, which creates axial compression up to 100 kN, with different loading speeds. A plate 1 is attached to the lower clamp, which has stiffening ribs and slots, in which a cylindrical cup 2 is mounted and fixed. The endoprosthesis leg 5 is inserted into the cup 2 and filled with the fusible Wood alloy. The slot in the plate 1 allows you to position the glass 2 in the radial direction. A flat sector 4 with a slot is attached to the upper clamp, in which the cylindrical head 5 is fixed. This connection allows the head to tilt relative to the compression axis. A cylinder with an oblique slice 6, consisting of a set of removable parts, sectors 9, is attached to the cylindrical head 5, a spherical cut is made in the plane of the oblique cut, in which the endoprosthesis head 10, insert 8 and cup 7, forming the swivel component, are located.

Дефицит покрытия (недопокрытие) чашки эндопротеза задавался путем отсоединений секторов 9. Диапазон дефицита покрытия подбирался на основе предварительных расчетов и определялся степенью недопокрытий, рассчитанных по методике, описанной в патенте РФ №2412646 от 27.02.2011, А61В 51/00. Материал секторов по своим механическим характеристикам подбирают наиболее близким по значениям к реальной кости.The coverage deficit (under-coverage) of the endoprosthesis cup was set by disconnecting sectors 9. The coverage deficit range was selected on the basis of preliminary calculations and was determined by the degree of under-coverage calculated according to the method described in RF patent No. 2412646 dated 02.27.2011, А61В 51/00. The material of the sectors according to their mechanical characteristics is selected closest in value to the real bone.

При проведении испытаний в сферический вырез цилиндра с косым срезом устанавливалась чашка эндопротеза 7 и вкладыш 8. Чашка эндопротеза устанавливалась с натягом (бесцементная фиксация). Предусмотрено дополнительное крепление чашки винтами. На ножку эндопротеза навинчивалась головка 10.During testing, an endoprosthesis cup 7 and an insert 8 were inserted into the spherical cutout of the cylinder with an oblique cut. The endoprosthesis cup was installed with an interference fit (cementless fixation). Additional cup mounting with screws is provided. The head 10 was screwed onto the endoprosthesis leg.

При этом на макете удаляются необходимые съемные части, секторы, выполненные с заданным шагом, соответствующим имитируемому в заданном процентном отношении участку недопокрытия, таким образом, чтобы реализовать заданный необходимый дефицит покрытия, сам макет устанавливают под заданным углом путем регулировки цилиндрической головки 7 и на плите 3 фиксируется стакан 4 с эндопротезом, тем самым позволяя задавать анатомические параметры пациента (угол антеторсии, ацетабулярный угол).In this case, the necessary removable parts and sectors are removed on the layout, the sectors performed with a given step corresponding to the undershot area simulated in a given percentage, so as to realize the specified required coating deficit, the layout itself is set at a given angle by adjusting the cylindrical head 7 and on the plate 3 a glass 4 with an endoprosthesis is fixed, thereby allowing you to set the anatomical parameters of the patient (angle of antetorsia, acetabular angle).

После окончательной фиксации и проверки всех установленных параметров системы (процент дефицита покрытия и анатомические углы) проводят маркировку положений эндопротеза.After the final fixation and verification of all established system parameters (percentage of coating deficit and anatomical angles), the positions of the endoprosthesis are marked.

В ходе испытаний в нижнем зажиме плиты 1 с закрепленным эндопротезом задавалось движение с заданной скоростью. При этом фиксировалось перемещение и усилие, необходимое для этого, и время. Нагружение проводилось до смещения чашки эндопротеза 7, что на диаграмме будет сопровождаться падением измеряемого. Максимальное значение усилия потери несущей способности принимается за критическую нагрузку для заданного в процентном отношении недопокрытия чашки 7.During the tests in the lower clamp of the plate 1 with a fixed endoprosthesis, the movement was set at a given speed. At the same time, the movement and the force required for this, and the time were recorded. Loading was carried out until the displacement of the endoprosthesis cup 7, which in the diagram will be accompanied by a drop in the measured one. The maximum value of the effort of loss of bearing capacity is taken as a critical load for a given percentage of undercoverage of the cup 7.

Проводились испытания макетов с установленным эндопротезом: размер вертлужной впадины диаметром 54 мм, с посадкой вертлужного компонента диаметром 56 мм. Испытания проводились для моделей, на которых имитировалось 18%, 25% и 33% недопокрытия. Проводились также испытания для этого же вертлужного компонента с недопокрытием 33%, подкрепленного винтами.Models with an installed endoprosthesis were tested: size of the acetabulum with a diameter of 54 mm, with the landing of the acetabular component with a diameter of 56 mm. Tests were conducted for models that simulated 18%, 25% and 33% of under coverage. Tests were also conducted for the same acetabular component with an undercoating of 33%, supported by screws.

Результатами испытаний являются диаграммы в осях "сила - перемещение", до потери несущей способности сила и перемещение должны возрастать (это связано с деформацией испытательного образца), как только вертлужный компонент начнет перемещаться как жесткое тело (другими словами, терять стабильность), величина силы резко снизится, а перемещения продолжают возрастать.The test results are diagrams in the force – displacement axes; before loss of bearing capacity, force and displacement must increase (this is due to deformation of the test specimen), as soon as the acetabular component begins to move as a rigid body (in other words, lose stability), the force will decrease, and movements continue to increase.

В результате исследований были определены диапазоны недопокрытия с устойчивым и с нестабильным поведением вертлужного компонента, оценена степень влияния подкрепления на несущую способность вертлужного компонента, что позволяет быть более свободным в выборе хирургической тактики при имплантации вертлужного компонента и более точно судить о степени недопокрытия вертлужного компонента, как одном из факторов, влияющих на механическую стабильность имплантата:As a result of the studies, the undercoverage ranges with stable and unstable behavior of the acetabular component were determined, the degree of influence of reinforcements on the bearing capacity of the acetabular component was evaluated, which allows one to be more free in the choice of surgical tactics during implantation of the acetabular component and more accurately judge the degree of undercoverage of the acetabular component, as one of the factors affecting the mechanical stability of the implant:

испытания для недопокрытия 18% - явная стабильность вертлужного компонента, разрушаются испытуемые образцы;tests for under-coverage of 18% - obvious stability of the acetabular component, test samples are destroyed;

испытания для недопокрытия 25% - критическим диапазоном значения силы является 1100-1300 Н, если отнести эти значения к имеющимся диаграммам усилия при ходьбе, то в зоне риска оказываются пациенты весом 55-65 кг;tests for under-coverage of 25% - the critical range of the force value is 1100-1300 N, if these values are attributed to the available walking force diagrams, then patients weighing 55-65 kg are at risk;

испытания для недопокрытия 33% - критическим диапазоном значения силы является 600-850 Н, если отнести эти значения к имеющимся диаграммам усилия при ходьбе, то в зоне риска оказываются пациенты весом 30-45 кг;tests for under-coverage of 33% - the critical range of the strength value is 600-850 N, if these values are related to the available walking force diagrams, then patients weighing 30-45 kg are at risk;

испытания для недопокрытия 33% с подкреплением - критическим значением силы - является 1050 Н, если отнести эти значения к имеющимся диаграммам усилия при ходьбе, то в зоне риска оказываются пациенты весом 52 кг. В связи с этим можно видеть, что подкрепление значительно влияет на несущую способность вертлужного компонента, поворот, осуществляемый вертлужным компонентом, ограничивается подкрепляющим винтом, что увеличивает несущую способность имплантата. Количество винтов (соединяемых деталей) определяет сам врач в зависимости от максимально допустимой нагрузки при заданном весе.tests for undercoverage of 33% with reinforcement - a critical value of strength - is 1050 N, if these values are related to the available walking force diagrams, then patients weighing 52 kg are at risk. In this regard, it can be seen that the reinforcement significantly affects the bearing capacity of the acetabular component, the rotation carried out by the acetabular component is limited by the reinforcing screw, which increases the bearing capacity of the implant. The number of screws (connected parts) is determined by the doctor himself, depending on the maximum allowable load for a given weight.

Критическими значениями недопокрытия без фиксации являлось недопокрытие в 25%, критическими значениями, при которых даже винтовая фиксация не гарантирует надежной первичной стабилизации вертлужного компонента, являются значения более 35%. При еще большей степени недопокрытия надежная первичная фиксация вертлужного компонента возможна только при использовании опорного структурного трансплантата или металлического аугмента.The critical values of undercoating without fixation were undercoating of 25%, the critical values at which even screw fixing does not guarantee reliable primary stabilization of the acetabular component are more than 35%. With an even greater degree of undercoverage, reliable primary fixation of the acetabular component is possible only when using a support structural graft or metal augment.

Проведенные испытания наглядно продемонстрировали качественное влияние процента недопокрытия и подкрепления на несущую способность вертлужного компонента.The tests carried out clearly demonstrated the qualitative effect of the percentage of undercoverage and reinforcement on the bearing capacity of the acetabular component.

По своим технико-экономическим преимуществам заявляемое техническое решение по сравнению с известными аналогами позволяет получить эффективное устройство для испытания эндопротеза тазобедренного сустава на осевое сжатие за счет расширения функциональных возможностей его путем определения критических сил, при которых чашка эндопротеза с вкладышем, выполненная в виде вертлюжного компонента впадины, состоящей из чашки эндопротеза, вкладыша и головки, установленных с различной степенью недопокрытия в виде набора съемных частей, секторов, выполненных с заданным шагом, соответствующим имитируемому в заданном процентом отношении участку недопокрытия, теряет несущую способность в условиях сжатия, что позволяет точно судить о степени недопокрытия чашки эндопротеза, как об одном из факторов, влияющих на механическую стабильность и несущую способность имплантата, и быть более свободным в выборе хирургической тактики при имплантации чашки эндопротеза.According to its technical and economic advantages, the claimed technical solution in comparison with the known analogues allows to obtain an effective device for testing the hip joint endoprosthesis for axial compression by expanding its functionality by determining the critical forces at which the endoprosthesis cup with an insert, made in the form of a swivel component of the cavity consisting of a cup of an endoprosthesis, an insert and a head installed with varying degrees of undercoverage in the form of a set of removable parts, sect An imperfections performed with a given step corresponding to the under-coverage area simulated in a given percentage, loses its bearing capacity under compression conditions, which allows us to accurately judge the degree of under-coverage of the endoprosthesis cup, as one of the factors affecting the mechanical stability and bearing capacity of the implant, and be more free in the choice of surgical tactics for implantation of an implant cup.

Claims

A device for testing the hip joint endoprosthesis for axial compression, comprising a base, a stand, a flat sector with a slot, an acetabulum endoprosthesis, characterized in that the base is made in the form of a plate, and the stand is in the form of a cylindrical glass for fixing the endoprosthesis leg, and the plate is made with the possibility of fixing in the lower clamp of the exciter of axial compression, and the flat sector in the upper clamp of the exciter of axial compression, while in the slot of the flat sector with the possibility of rotation about the axis a cylindrical head is fixed to the compression, to which a cylinder with an oblique cut is attached, in the plane of which a spherical cut is made to install the endoprosthesis cup, and the cylinder from the side of the spherical cut consists of a set of removable parts, sectors made with a given step corresponding to the area simulated in a given percentage ratio undercovement of the cup of the endoprosthesis, and the plate is made with the possibility of radial displacement in it of a cylindrical glass.