RU19361U1 - Устройство для моделирования вибрационных резонансных характеристик при исследовании чрескостного остеосинтеза большеберцовой кости в эксперименте - Google Patents

Abstract

Устройство для моделирования вибрационных резонансных характеристик при исследовании чрескостного остеосинтеза большеберцовой кости в эксперименте, включающее препарированную большеберцовую кость, закрепленную на неподвижном основании, вибратор, датчики-акселерометры, отличающееся тем, что на ней смонтирована рамка стержневого аппарата, электродинамический вибратор, возбуждающий колебания объекта перпендикулярно оси кости, генератор и усилитель звуковых колебаний, функционирующий в сканирующем режиме, два датчика-акселерометра, расположенные симметрично, усилитель и регистратор колебаний, работающий в режиме построения линейной диаграммы.

Description

Блёскин Евгений Владимирович

Вихрев Сергей Владленович

Львов Сергей Евтихиевич

Маслов Леонид Борисович

Шапин Вадим Иванович

Устройство для моделирования вибрационных резонансных характеристик при исследовании чрескостного остеосинтеза большеберцовой

кости в эксперименте.

Полезная модель относится к устройствам, используемым в медицине, а именно в травматологии-ортопедии, биомеханике.

Под жёсткостью фиксации кости компрессионнодистракционным аппаратом понимается способность удерживать отломки от взаимных перемещений, вызываемых действием приложенной нагрузки. Фиксирующая способность аппарата зависит от выбранной схемы фиксации отломков. При нагружении системы аппарат-конечность её элементы испытывают деформации, которые используются в качестве количественной характеристики их жёсткости. Процесс заживления костной раны можно считать законченным, только при условии достижения механических свойств костного регенерата показателей нормальной кости (Шевцов В.И., Немков В.А., Скляр Л.В. Аппарат Илизарова. Биомеханика. Курган: Периодика, 1995. С.8-9).

Для измерения усилий в конструкциях аппарата предложены: динамометр (Авт.св. .f 142462, Л.Г.Эткин); однокомпонентный вибрационный динамометр (Авт.св. № 150273 , Л.Г.Эткин). Для тех же целей разработаны: устройство и способ для измерения сил растяжений

Объект-устройсЬо МКИА61.

спиц; устройство для измерения осевых усилий в стержнях; датчик для измерения сил растяжений спиц (Шевцов В.И., Немков В.А., Скляр Л.В. Аппарат Илизарова. Биомеханика. Курган: Периодика, 1995. - С.133-139). Недостаток подобных измерительных устройств по мнению самих авторов заключается в том, что их монтаж приводит к уменьшению жёсткости аппарата.

Статика системы аппарат-конечность изучена в теоретических исследованиях и проверена в стендовых условия на модели. (Шевцов В.И., Немков В.А., Скляр Л.В. Аппарат Илизарова. Биомеханика. Курган: Периодика, 1995. - С.140-148).

Взаимное перемещение костных фрагментов при остеосинтезе аппаратом внешней фиксации трудно поддаётся объективному контролю. Так предложен способ регистрации перемеш;ения костных фрагментов с помош;ью датчика перемещений, закреплённого между спицами наиболее прилежащими к перелому (Анисимов А.И., Карпцов В.И. Остеометрия. Функциональная оценка костной ткани. СанктПетербург: Издательство НИИТО им. P.P. Вредена, 1993. - С. 9-11).

Один из возможных вариантов оценки микроподвижности отломков предложен Н.А. Мансуровым и соавт. (1974). Устройство предусматривает введение в каждый костный фрагмент щупа и крепление его на аппарате для внеочагового остеосинтеза.

D. Paley, В. Fleming, М. Catagni, Т. bCristiansen, М. Pope (Mechanical Evaluation of external fixators used in limb lengthening //Clin. orthop. - 1990. - №. 250. - P. 50 - 57) испытывали акриловые имитаторы кости со смонтированным аппаратом внешней фиксации в машине для тестирования материалов системы MTS. В этой машине комплекс фиксатор-кость нагружали при боковой нагрузке, переднезаднем сгибании, торсии и осевой компрессии. Перемещения концов

макета кости и усилия на месте имитируемого перелома снимались прямыми измерениями.

N. Wolfson, T.S. Heart, J.J. Thomason., P.P. Armstrong. (Force and stiffness changes during Ilizarov leg lengthening // Clin. Orthop. - 1990 № 250. - P. 58-60) in vivo использовали датчики силы в стержнях апапарата Илизарова. Посредством деления разницы силы до и после дистракции на силу при приросте кости вычислялась жесткость всех тканей, удлинняемых во время дистракции.

Несмотря на большое количество предложенных методов исследования подвижности между отломками кости при внеочаговом остеосинтезе ни один из них не явился клинически значимым.

Оценка подвижности между отломками кости при внеочаговом остеосинтезе предполагает приложение смещающей силы, достаточной для максимального по величине перемещения отломков друг относительно друга. Дискретно - импульсный характер усилия ввиду возможных болезненных ощущений при исследовании на живом объекте не нашёл применения, а длительное приложение механической энергии способно привести к разрушению.

Нри диагностике качества соединения кости вибрационным методом путём прямого возбуждения низкочастотных механических колебаний с амплитудой заведомо меньшей подвижности между отломками кости, исключаются возможные нежелательные болевые и разрушающие эффекты.

В качестве прототипа нами использовано устройство, использованое для реализации способа определения механических свойств кости резонансным способом ( Янсон Х.А. Биомеханика нижней конечности человека. Рига: Зинатне, 1975. - С. 222 - 247). Нринцип метода основан на измерении степени затухания низкочастотных акустических колебаний, возбуждаемых на одном конце кости и принимаемых на другом её конце или на другой стороне от линии перелома. Блок-схема устройства состоит из звукового генератора со стандартной частотой колебаний, которые передавались на кость электромеханическим преобразователем. Механоэлектрический преобразователь ( акселерометр) воспринимал колебания на противоположном конце кости и через усилитель подавал на индикатор, оценивая степень затухания звука. Колебания записывались на ленту магнитофона и автоматически анализировались, что помогло установить частоту основного тона колебаний (резонанс 70 - 340 Гц для большеберцовой кости). Испытательные стенды выполнены в виде массивной станины с набором приспособлений для крепления электромеханических преобразователей и набором устройств для размещения костных образцов или костей. Чем больше затухание колебаний и чем меньше частота собственных колебаний, тем меньше жёсткость места перелома.

Устройство конструктивно не позволяет:

1 .использовать его для изучения модели внеочагового остеосинтеза вследствие достаточно большой плош,ади источника колебаний и механо - электрического преобразователя при контакте с поверхностью кости;

2. определять амплитудно-частотную характеристику системы. Устройство позволяет изучать только один парамет - степень затухания резонансной частоты.

Технический результат устройства для моделирования диагностических характеристик прикладной механики состоит в получении нормативов амплитудно-частотной характеристики при реальных геометрических параметрах биомеханической конструкции и соблюдении аналогичности упругих свойств материалов.

Конструктивный замысел основан на возможности аналогий с устройством для изучения вибрационных резонанасных характеристик при внеочаговом остеосинтезе костей голени.

Устройство состоит (рис. 1) из объекта (1), закрепленного на неподвижном основании (2), механические колебания которого возбуждаются посредством электродинамического вибратора (3). Источником вынужденных колебаний является звуковой генератор (4) и усилитель мощности на входе вибратора (5). На объект установлены симметрично относительно вертикальной оси вибратора два датчика аксилерометра (6). Измерение параметров вибрации, а именно: резонансных частот колебаний, амплитуд колебаний и добротности биомеханического контура системы осуществляется посредством предварительного усилителя (7) и регистратора механических колебаний (8). Использовано электронное оборудование фирмы RFT. Объект исследования снабжен двумя стержнями (9), штангой (10) с резьбовыми соединениями (11). Стержневая система позволяет сделать осевую компрессию кости.

Устройство использовалось в исследовании вибрационных резонансных характеристик большеберцовой кости на стадиях регенерации при моделировании чрескостного остеосинтеза (фото).

Методика исследования заключалась в выполнении следующей последовательности технологических вибрационных резонансных испытаний:

1.определение резонансных характеристик всей неповрежденной конструкции исследуемого объекта;

2.исследование динамики конструкции при центральном поперечном разрезе кости и сохранении осевой компрессии;

МПт

4. 5. виб стн чив тами кости центрального паза; имитация фиброзной стадии сращения кости путем вставки в зазор между фрагментами полужёсткого материала; имитация костной стадии сращения путем заполнения паза твёрдым материалом. Использование предлагаемого Устройства для моделированиия рационных резонансных характеристик при исследовании чреского остеосинтеза большеберцовой кости в эксперименте обеспеает следующие положительные эффекты: 1.возможность использования устройства при исследовании чрескостного остеосинтеза; 2.возможность определения амплитудно - частотной характеристики системы аппарат внешней фиксации - кость как критерия микроподвижности между отломками кости; 3.возможность использования частотного сканирования биомеханической системы, что позволяет расчитать внутреннее трение соединений кости. Заявитель: Ректор ИГМА, проф., засл. деят. науки РФ Р.Р.Шиляев Авторы: Е.В.Бл6скин .В.Вихрев - С.Е.Львов Л.Б.Маслов В.И.Шапин

Claims (1)

1. Устройство для моделирования вибрационных резонансных характеристик при исследовании чрескостного остеосинтеза большеберцовой кости в эксперименте, включающее препарированную большеберцовую кость, закрепленную на неподвижном основании, вибратор, датчики-акселерометры, отличающееся тем, что на ней смонтирована рамка стержневого аппарата, электродинамический вибратор, возбуждающий колебания объекта перпендикулярно оси кости, генератор и усилитель звуковых колебаний, функционирующий в сканирующем режиме, два датчика-акселерометра, расположенные симметрично, усилитель и регистратор колебаний, работающий в режиме построения линейной диаграммы.