WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     ||
|

При первом и втором этапах модульной трансформации модели чрескостного остеосинтеза костей предплечья при переломе средней трети построены с учетом образования костного регенерата. Модульная трансформация аппарата внешней фиксации - поэтапное удаление спиц и внешних опор для уменьшения жесткости фиксации костных фрагментов, в соответствии с ростом несущей способности костного регенерата, что положительно сказывается на его функциональной перестройке. В дополнение к допущениям принятым для первой модели, ведено следующее: материал регенерата од нородный и изотропный, модуль упругости регенерата Е р1=2108 Па на первом и Е р2=2109 на втором этапах модульной трансформации.

б а в г Рис.1. Схема содержательной модели костей предплечья (а), компьютерная модель предплечья при чрескостном остеосинтезе (б), зависимость перемещений от количества конечных элементов (в) и эпюры перемещений (г) Надежность применения компьютерных моделей для исследования напряженно-деформированного состояния при чрескостном остеосинтезе костей предплечья подтверждена сопоставлением результатов вычислений с результатами экспериментальных исследований. Погрешность вычислений максимально-допустимых нагрузок составляет 10 – 40 %.

При построении моделей чрескостного остеосинтеза бедренной кости в дополнение к допущениям для моделей чрескостного остеосинтеза костей предплечья введены следующие: 1) бедренная кость жестко закреплено по проксимальной поверхности; 2) мышечные нагрузки Рi приложены в зоне прикрепления мышц к бедренной кости под углами i к ее оси.

Для оценки адекватности компьютерного моделирования проведены экспериментальные исследования жесткости аппаратов внешней фиксации совместно с сотрудником РНИИТО им. Р.Р. Вредена Кулешом П.Н. Исследования проведены с использованием биомеханического стенда (патент РФ №2246139), состоящего из станины и узлов фиксации исследуемых конструкций. Регистрация перемещений осуществлена при помощи индикаторов линейных перемещений циферблатного типа с ценой деления 0,01мм. В качестве силозадающих элементов использованы чугунные тарированные грузы для вытяжения, при использовании которых известна погрешность, которая является постоянной и составляет 1%.

На рис.2. представлена схема смещения костных отломков при нагружение дистального костного отломка при условии закрепления проксимального.

Величину перемещения костных отломков относительно друг друга X и угол раскрытия межфрагментарной щели определяют по формулам:

X = D1 + (D1 – D2)a/b, = arctg ((D1-D2)/b), где D1 и D2 - показания проксимальной и дистального индикаторов линейных перемещений, b - расстояние между датчиками, a - расстояние от перелома до проксимального индикатора.

Рис.2. Схема смещения костных отломков В третьей главе представлены: 1) результаты экспериментальных исследований жесткости аппаратов внешней фиксации при переломах костей предплечья; 2) вычисления напряжений и перемещений при различных переломах бедренной кости и костей предплечья; 3) проведено исследование влияния модульной трансформации на процесс воспитания регенерата; 4) проведены расчеты напряжений и перемещений с учетом соединительнотканных структур; 4) проведена оценка влияния мышечных усилий на смещение костных отломков при переломах бедренной кости.

1. Экспериментальные исследования проведены для девяти наиболее часто встречаемых в клинической практике типов переломов: переломы проксимальной, средней и дистальной трети лучевой костей, локтевой кости и обеих костей. Скомпонованы 18 (9 спицевых и 9 спицестержневых) компоновок аппаратов внешней фиксации, определены компоновки, обеспечиваю щие стабильность остеосинтеза при минимальном количестве чрескостных элементов. В табл. 1 представлены максимально-допустимые нагрузки и коэффициенты жесткости компоновок аппаратов внешней фиксации при переломах средней трети локтевой, лучевой и обеих костей.

Таблица 1.

Компоновка Спицевая Комбинированная Перелом средней трети локтевой кости Перемещения Р, H с, H/мм Р, H с, H/мм Сгибание 11 7,9 92 93,Разгибание 11 7,5 99 103,Приведение 14 8,2 18 17,Отведение 45 41,9 15 Перелом средней трети обеих костей Сгибание 39 38 45 Разгибание 4 4,5 44 Приведение 31 31,5 36 51,Отведение 26 32,1 36 51,Перелом средней трети лучевой кости Сгибание 39 38 64 Разгибание 4 3,7 52 Приведение 65 69,2 75 72,72 Отведение 70,7 85,Все полученные в ходе экспериментальных исследований данные подвержены статистической обработке по закону распределения случайной величины Стьюдента с доверительной вероятностью 0,9–0,99 (доверительная вероятность погрешности в динамике 0,9–0,95 вполне достаточна для практических целей). Погрешность экспериментальных исследований составляет 3,5 – 5 %.

2. На рис. 3,а, г представлены геометрические компьютерные модели чрескостного остеосинтеза костей предплечья при модульной трансформации, которые построены при допущениях: материалы костного регенерата, межкостной мембраны, кольцевидной связки и фиброзно-хрящевого комплекса однородные изотропные, среда сплошная, начальные напряжения отсутствуют. Вычисления перемещений и напряжений проведены при механических параметрах: модуль упругости регенерата Ер1=2108 Па, Ер2=2109, межкостной мембраны Емкм =120 МПа, кольцевидной связки Екс =34 МПа, фибрознохрящевого комплекса Екс =10 МПа, коэффициент Пуассона р1 = р2 = кс = мкм = фк =0,4.

Для достижения необходимой точности при минимальных затратах времени на вычисление напряженно-деформированного состояния проведено разбиение на 200 тысяч конечных элементов.

а б в г е д Рис. 3. Геометрические компьютерные модели чрескостного остеосинтеза костей предплечья при первом (а) и втором (г) этапах модульной трансформации, эпюры деформаций (б, д) и перемещений (в, е) На рис.3 приведены эпюры деформаций и перемещений, как видно из эпюр максимальные деформации происходят в межкостной мембране и костном регенерате при поперечных нагрузках (сгибании - разгибании и приведении – отведении). При этом максимальные деформации межкостной мембраны происходят в зоне перелома при передаче усилий с лучевой на локтевую кость.

При модульной трансформации постепенное снижение жесткости, и в то же время уменьшение громоздкости чрескостного аппарата приводит к прогнозируемому увеличению нагрузки на костный регенерат в соответствии с ростом его несущей способности, что положительно сказывается на его функциональной перестройке.

Построены компьютерные модели при 9 основных типах переломов костей предплечья, проведены вычисления напряжений и перемещений при чрескостном остеосинтезе костей предплечья, определены максимальнодопустимые нагрузки, при которых происходит смещение костных отломков на 1 мм.

3. Содержательная модель чрескостного остеосинтеза бедренной кости построена при следующих допущениях: 1) материалы костей, спиц, стержней, колец – однородные и изотропные; 2) среда сплошная; 3) начальные напряжения в биологических структурах и во всех элементах конструкции аппарата, кроме спиц, не учитываются; 4) начальное натяжение спиц Рс; 5) бедренная кость жестко закреплено по проксимальной поверхности; 6) к дистальному концу бедренной кости приложены сосредоточенные силы P, P1 и Р2; 7) мышечные нагрузки Рi приложены в зоне прикрепления мышц к бедренной кости под углами i к ее оси.

Геометрические компьютерные модели бедренной кости построены при следующих геометрических параметрах: L= 430 мм; l1= 88 мм ; l2= 88 мм ;

l3=132 ; t2= 27; t3= 27,72; t4=27 ; t5=28,55; t6= 34,6; dок = 180 мм, 195, 225 и мм ; dc = 1,8 мм ; dcт = 8 мм ; n=2; углы = 30° и 1 =25° (рис.4).

б а Рис.4. Геометрическая компьютерная модель (а) и эпюра перемещений (б) На рис.4. представлена эпюра перемещений: смещение костных отломков при двуопорном стояние без учета мышечных усилий составляет 0,14 мм, в то время как при одноопорном стоянии смещение превышает допустимую норму.

Таблица 2.

Критические нагрузки Р, Н Р1,Н Р2, Н Спицевая компоновка Перелом проксимальной трети 21 15 Перелом средней трети 20 12 Перелом дистальной трети 30 11 Комбинированная компоновка Перелом проксимальной трети 17 8 Перелом средней трети 55 12 Перелом дистальной трети 35 9 Исследования напряженно - деформированного состояния проведены при переломах проксимальной, средней и дистальной трети бедренной кости, а также при одноопорном, двуопорном стоянии, приведении-отведении и сгибании-разгибании бедра. Нагрузки на бедренную кость варьируют весьма в широких пределах и зависят от места приложения и перемещения центра тяжести надсуставной части тела. В таблице 2 представлены критические нагрузки при переломах бедренной кости, которые приводят к смещению костных отломков на 1 мм.

В четвертой главе рассмотрены вопросы создания и практического применения системы для исследования состояния чрескостного остеосинтеза бедренной кости и костей предплечья. Блок-схема системы для исследования состояния структур конечностей при чрескостном остеосинтезе представлена на рис.5. Основными составными частями системы являются устройство ввода информации, данные параметрических моделей, данные механических свойств биологических структур, расчетный модуль с программным пакетом SolidWorks - SolidWorks Simulation, алгоритмы проведения исследований, методика проведения экспериментальных исследований, устройство печати и накопитель информации.

Определение необходимых для исследования геометрических параметров костей выполняется по срезам компьютерных томографических снимков в вычислительном комплексе томографа. Шаг 2 мм. Информация о геометрических параметрах костей, элементов аппарата внешней фиксации, вводится в систему для исследования состояния структур конечностей при чрескостном остеосинтезе по томограммам. Вводятся механические свойства костей, соединительнотканных структур, элементов аппарата внешней фиксации:

модуль нормальной упругости Е, коэффициент Пуассона, значение допустимого напряжения в соответствии с клиническими данными пациента.

Сбор клинических данных осуществляется врачом-хирургом при обследовании пациента. Ввод данных в систему и проведение расчета проводится специально обученным персоналом – инженером-биомехаником.

Выбирается модель чрескостного остеосинтеза и проводится анализ. Если напряжения в структурах превышают допустимые, то производится повторный выбор модели в соответствии с разработанным алгоритмом, до тех пор, пока не будет найдена технология хирургического вмешательства, обеспечивающая оптимальный результат операции для данного пациента. Результаты прогноза выводятся на печатающее устройство или на накопитель информации.

Рис. 5. Схема взаимодействия основных компонентов системы для исследования состояния бедренной кости и костей предплечья при чрескостном остеосинтезе.

Для расчета рассматриваемых моделей необходим компьютер класса не ниже Pentium IV 3000 МГц, с объемом оперативной памяти не менее 1 Гб и объемом жесткого диска не менее 20 Гб. Расчет каждой из моделей на компьютерах подобного класса, при разбиении на 50-150 тысяч конечных элементов, занимает порядка 5-10 минут, а при разбиении на 200-350 тысяч – порядка 20-30 минут.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Актуальность работы определяется отсутствием объективных методов для оценки качества внешней фиксации и существующими потребностями в предоперационном прогнозировании критического состояния чрескостного остеосинтеза при переломах костей предплечья и бедренной кости. Поэтому цель работы - разработка системы для исследования состояния костей предплечья и бедренной кости при чрескостном остеосинтезе. Для достижения поставленной цели:

разработаны компьютерные модели, учитывающие реальную геометрию и механические характеристики структур костей предплечья и бедренной кости при чрескостном остеосинтезе и позволяющие проводить исследования напряженно-деформированного состояния, возникающего в структурах при различных переломах;

создан метод для исследования напряженно-деформированного состояния чрескостного остеосинтеза бедренной кости и костей предплечья и модульной трансформации;

проведены экспериментальные исследования жесткости чрескостного остеосинтеза при переломах костей предплечья, позволяющие оценить адекватность компьютерного моделирования и повести сравнительные анализ жесткости спицевого и комбинированного чрескостного остеосинтеза;

разработаны методическое обеспечение и биотехническая система для исследования состояния чрескостного остеосинтеза костей предплечья и бедренной кости при различных переломах на основе компьютерного биомеханического моделирования и анализа клинических данных по компьютерным томограммам. Построена обобщенная схема системы для исследования состояния чрескостного остеосинтеза костей предплечья и бедренной кости.

Создание системы и нового методического обеспечения для исследования состояния структур костей предплечья и бедра при чрескостном остеосинтезе позволило учесть индивидуальные особенности геометрических размеров костей конкретного пациента, определить величину нагрузки, при которой происходит смещение костных отломков на 1 мм и стабильность чрескостного остеосинтеза, необходимую для консолидации перелома. Достоверность компьютерных исследований подтверждена соответствием полученных результатов с результатами экспериментальных исследований.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации, входящие в перечень ВАК:

1. Измайлова, З.Т. Методика исследования состояния костей конечностей при чрескостном остеосинтезе [Текст]/ З.Т. Измайлова // Биомедицинская радиоэлектроника.– 2009. - №8. – С. 21 – 25.

2. Измайлова, З.Т. Предоперационная диагностика модульной трансформации при чрескостном остеосинтезе бедренной кости [Текст]/ З.Т. Измайлова // Российский журнал Биомеханики.– 2009. - №2. – С. 93 – 98.

3. Измайлова, З.Т. Математическое моделирование чрескостного остеосинтеза верхних и нижних конечностей с учетом мышечных усилий [Текст]/ З.Т.

Измайлова// Обозрение прикладной и промышленной математике. – Сочи, 2008.- С. 138 – 140.

Публикации в других изданиях:

4. Измайлова, З.Т. Сравнение жесткости чрескостного остеосинтеза по Г.А. Илизарову и комбинированного чрескостного остеосинтеза при диафи зарных переломах лучевой кости [Текст]/ З.Т. Измайлова, А.А. Егоркина, П.Н. Кулеш, П.П. Оганезов // Юбилейная научно-техническая конференция:

матер. конф. - СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2005.-С.201-202.

5. Измайлова, З.Т. Методика исследования жесткости аппаратов внешней фиксации при переломах костей предплечья [Текст]/ З.Т. Измайлова// Биомеханика-2006: сбор. докл. VIII Всеросс. конф. по биомеханике. - Н.Новгород:

2006. – С. 174-175.

Pages:     ||
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.