СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ НАГРУЗОК НА ПОЗВОЧНЫЕ СЕГМЕНТЫ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ Российский патент 2004 года по МПК G09B23/28 

Предлагаемое изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии, и может быть использовано для экспериментального изучения механической прочности анатомических препаратов грудного и поясничного отделов позвоночника в условиях остеосинтеза различными металлоконструкциями после имитации повреждений и костно-пластических операций, а так же без фиксации и имитации повреждений.

Переломы позвоночника составляют от 3,2% до 17% от всех переломов костей (С.М.Журавлев и др., 1996; Н.Г.Фомичев и др., 1994; В.М.Синицин и др., 1997). Среди не осложненных повреждений позвоночника травмы на грудном отделе отмечаются у 29,2-43,9% больных, на поясничном отделе - у 40,9-46,0% пострадавших (А.И.Казьмин, А.В.Каплан, 1983; М.Ф.Дуров и др., 1983). При позвоночно-спиномозговой травме 13,3-39,2% повреждений локализуются в грудном отделе, 31,4-48,5% - в поясничном отделе (Г.С.Юмашев, и др., 1979; В.П.Берснев и др., 1998). В структуре первичной инвалидности от скелетных травм повреждения позвоночника составляют до 20,6% (К.И.Шапиро и др., 1991). При этом 29,8% случаев инвалидизации приходится на долю переломов и вывихов без неврологической симптоматики и 70,2% - на травмы позвоночника с повреждением спинного мозга и его образований (Н.В.Корнилов, В.Д.Усиков, 2000).

В последнее десятилетие отмечается широкое внедрение в клиническую практику различных устройств для металлофиксации позвоночника. В отечественной и зарубежной литературе имеется значительное количество публикаций, отражающих опыт применения таких конструкций и результаты лечения больных. Тем не менее, для сравнительной оценки эффективности того или иного фиксатора необходимо знать, насколько стабилен остеосинтез, выполняемый с его помощью. Этот вопрос в специальной медицинской литературе отражен не достаточно. Отсутствие объективной информации о фиксационных характеристиках конструкций, применяемых для остеосинтеза позвоночника, во многом объясняется несовершенством способов экспериментального моделирования механических нагрузок, действующих на позвоночник человека. В связи с этим возникают затруднения при проведении экспериментально-технических исследований прочностных свойств позвоночных сегментов как в свободном их состоянии, так и в условиях металлоостеосинтеза при повреждениях.

Известен способ моделирования механических нагрузок на позвоночник, описанный С.Т.Ветрилэ при исследовании в эксперименте остаточной стабильности верхнешейного отдела при некоторых типичных повреждениях (Ветрилэ С.Т., Колесов С.В., Гаврюшенко Н.С.//Вестник травматологии и ортопедии имени Н.Н.Приорова. - 2002. - № 1. - С. 25-29). Исследования проводились на анатомических препаратах краниовертебральных блоков. Моделирование механических нагрузок на позвоночник осуществляли в машине Zwick (Германия). Для фиксации анатомических блоков в машине через основание черепа и нижнешейные позвонки проводили крестообразно спицы, которые закрепляли в кольцах аппарата Илизарова. Нагрузка на шейный отдел позвоночника передавалась непосредственно с подвижной траверсы машины в переднезаднем направлении. Данный способ моделирования механической нагрузки на позвоночник позволяет количественно охарактеризовать стабильность шейного отдела по отношению к переднезадним дислоцирующим усилиям сдвигающего (или срезающего) характера.

Недостатками способа является передача усилия с подвижной траверсы тестирующей машины непосредственно на препарат шейного отдела позвоночника без каких-либо устройств, обеспечивающих избирательный захват отдельных позвонков. Это исключает возможность корректного моделирования осевой нагрузки на позвоночник. Фиксация крайних костных элементов исследуемого блока перекрещивающимися спицами, закрепленными в кольцах аппарата Илизарова, имеет вспомогательный характер. Она обеспечивает возможность моделировать лишь поперечно направленные дислоцирующие нагрузки сдвигающего характера.

Известен также способ экспериментального моделирования механических нагрузок на элементы позвоночника, описанный А.М.Лавруковым (Лавруков А.М., Томилов А.Б. “Остеосинтез аппаратом внешней фиксации у больных с повреждениями и заболеваниями позвоночника”. - Екатеринбург, 2002). Для экспериментов используют анатомические препараты нижнегрудного и поясничного отделов позвоночника. Моделирование нагрузок проводят на машинах марки ФМ250 и ФМ500. Элементы позвоночника подвергают сжатию между подвижными частями машин в вертикальном и горизонтальном направлениях. Транспедикулярные стержни, введенные в позвонки, подвергают вертикальным консольным и разрывающим нагрузкам. При этом изучают механическую прочность позвонков, прочность задела транспедикулярных стержней в костной ткани, предельные фиксационные возможности чрескостного стержневого аппарата при остеосинтезе нижнегрудного и поясничного отделов позвоночника. Данный способ экспериментального моделирования механических нагрузок позволяет получить общие представления о прочности позвоночника и жесткости его остеосинтеза аппаратом внешней фиксации.

Существенным недостатком способа при моделировании вертикальных нагрузок на элементы позвоночника является передача усилий на анатомический препарат через жестко фиксированные горизонтальные платформы. Это препятствует появлению каких-либо деформаций в исследуемом препарате кроме равномерного сжатия. Позвоночный сегмент имеет сложное в опорно-механическом отношении строение и различную прочность передней, средней и задней остеолигаментарных колон (Дулаев А.К., Шаповалов В.М., Гайдар Б.В. “Закрытые повреждения позвоночника грудной и поясничной локализации”. - С.-Петербург. - 2000). Клинические наблюдения показывают, что под действием вертикальной нагрузки в реальных условиях кроме сжатия практически всегда возникает деформация изгиба. В условиях металлоостеосинтеза позвоночника при его повреждениях вертикальные нагрузки могут вызвать появление торсионной деформации. Платформа, передающая усилие на исследуемый элемент позвоночника при проведении экспериментальных исследований, не должна препятствовать возникновению этих деформаций анатомического препарата. В противном случае моделирование вертикальной нагрузки на позвоночный сегмент не может считаться корректным.

Задачи изобретения:

- Максимально приблизить в эксперименте механические условия, в которых находятся позвоночные сегменты при статической вертикальной нагрузке к условиям, существующим прижизненно.

- Обеспечить возможность возникновения в тестируемом анатомическом блоке позвоночных сегментов под действием вертикально направленного усилия не только деформации сжатия, но так же деформации изгиба, скручивания и сдвига за счет смещений позвонков относительно друг друга во фронтальной, сагитальной и горизонтальной плоскостях.

- При величинах вертикальных нагрузок, превышающих предел прочности костной ткани позвонков, обеспечить возможность появления типичных клиновидных деформаций тел позвонков, переломовывихов и других существующих в реальных условиях повреждений позвоночных сегментов.

Сущность способа заключается в использовании подвижных платформ для моделирования в эксперименте вертикальных нагрузок на позвоночные сегменты. Усилия измеряющей машины передают на исследуемый анатомический препарат позвоночных сегментов через подвижные платформы, имеющие шарнирный центр вращения. За счет наличия шарнирного узла платформы способны к адекватным наклонно-угловым смещениям при появлении деформаций в исследуемом препарате. Эти смещения платформ имитируют подвижность смежных позвонков in vivo при физиологических вертикальных нагрузках, не препятствуя возникновению возможных деформаций изгиба, скручивания, сдвига и ассиметричного сжатия в исследуемом препарате.

При разработке способа моделирования вертикальных нагрузок в эксперименте мы исходили из того, что в реальных условиях вертикально направленное усилие передается на любой позвоночный сегмент через смежные выше- и нижележащие позвонки. При возникновении под действием нагрузки любых деформаций позвоночного сегмента (изгиба, сжатия, скручивания, сдвига) соседние позвонки, передающие эту нагрузку, адекватно смещаются, меняя свое пространственное положение в соответствии с возникающими деформациями. При сжатии они сближаются, при изгибе - накланяются в соответствующую сторону, при скручивании - поворачиваются, совершая движения относительно внутреннего центра вращения, находящегося в задней части средней остеолигаментарной колонны в непосредственной близости от передней стенки позвоночного канала. В эксперименте вертикальную нагрузку тестирующей машины на блок позвоночных сегментов передают подвижные платформы, которые должны иметь возможность менять свое пространственное положение в соответствии с любыми деформациями, возникающими в исследуемом препарате, и не препятствовать их появлению. При этом движения платформ под нагрузкой должны быть аналогичны физиологической подвижности смежных сегментов позвоночника in vivo в аналогичных биомеханических условиях. Последнее условие может быть достигнуто только при соответствующем взаиморасположении шарнирных узлов платформ и центров вращения смежных позвоночных сегментов (см. фиг.1, на которой показано соотношение центров вращения позвоночных сегментов и подвижных платформ при проведении вертикальных нагрузочных тестов. А. - во фронтальной плоскости. Б. - в сагитальной плоскости. В. - при возникновении деформации под нагрузкой).

Разработанные нами для реализации предлагаемого способа платформы способны смещаться при появлении различных деформаций в исследуемом анатомическом препарате, имитируя дислокации смежных позвонков, возникающие in vivo под действием вертикальной нагрузки. На фиг.2, 3 и 4 представлены варианты смещения подвижных платформ при возникновении различных деформаций исследуемого анатомического препарата при проведении вертикальных нагрузочных тестов. На фиг.2 представлен вариант возникновения деформации сжатия, на фиг.3 - возникновение деформации изгиба, на фиг.4 - возникновение деформации сдвига под действием вертикальной нагрузки на позвоночные сегменты.

Способ осуществляют следующим образом. Исследуемый анатомический препарат, состоящий из двух, трех или более сегментов, жестко закрепляют в подвижных платформах за крайние позвонки, которые при опоре на поверхность платформы замыкательной пластиной позвонка зажимают болтами по периметру “талии” тела. Крепление осуществляют таким образом, что центры вращения позвонков находятся на одной линии с шарнирными центрами поворотов подвижных платформ, соответствующей вертикальной оси позвоночного столба (фиг.1.). Расстояние от центра поворота платформы до центра позвонка, закрепленного в ней, соответствует расстоянию между позвоночными сегментами. Платформы с закрепленным в них блоком позвоночных сегментов устанавливают между сближаемыми частями тестирующей машины (стенда механических испытаний), после чего подают постепенно нарастающую вертикально направленную нагрузку, под действием которой происходит деформация исследуемого анатомического препарата. Подвижные платформы, передающие вертикальную нагрузку тестирующей машины на исследуемый препарат позвоночных сегментов, не препятствуют возникновению различных сложных деформаций в анатомическом блоке (фиг.2, 3, 4.). Сами платформы меняют при этом свою пространственную ориентацию аналогично смежным позвонкам, передающим вертикальную нагрузку на соседние сегменты in vivo. По мере нарастания деформации изменяются механические свойства нагружаемых позвоночных сегментов, их реакция на возрастающую нагрузку и характеристики воздействующего усилия. Любые деформации могут быть измерены и зафиксированы в соответствии с вертикальной нагрузкой, вызвавшей их появление для последующего анализа.

Преимуществами предлагаемого способа моделирования вертикальной нагрузки на позвоночные сегменты в эксперименте является максимальное приближение механических условий, в которых находятся позвоночные сегменты во время исследований, к условиям, существующим прижизненно. Способ обеспечивает возможность беспрепятственного возникновения в тестируемом блоке позвоночных сегментов при вертикально направленных усилиях не только деформации сжатия, но и деформации изгиба, скручивания и сдвига. Деформации могут возникать за счет смещений позвонков относительно друг друга во фронтальной, сагитальной и горизонтальной плоскостях. При величинах вертикальных нагрузок, превышающих предел прочности костной ткани позвонков, предлагаемый способ обеспечивает возможность появление типичных клиновидных деформаций тел позвонков, переломовывихов и других существующих в реальных условиях повреждений позвоночных сегментов.

Предлагаемый способ апробирован нами при проведении серии экспериментальных исследований жесткости остеосинтеза позвоночника транспедикулярной спинальной системой “Синтез”. Исследования проводились в лаборатории кафедры сопротивления материалов Краснодарского технологического университета на стенде механических испытаний ЗИМ Р-10. Для испытаний использовались анатомические препараты блоков позвоночных сегментов Th₁₂-L₂, извлекаемые на секции у лиц 20-55 летнего возраста в сроки до 24 часов после смерти. Заболевания, явившиеся причиной смерти в указанной группе, не оказывали влияния на структуру тканей позвоночника. Серия экспериментов включала 10 опытов, в которых имитировалось разрушение передней и средней, или всех трех опорных остеолигаментарных колон на уровне L₁ и остеосинтез Th₁₂-L₂ транспедикулярной спинальной системой “Синтез”.

Анатомические препараты фиксировали подвижными платформами, имеющими шарнирный центр вращения за крайние позвонки, которые при опоре на поверхность платформы замыкательной пластиной зажимали болтами по периметру “талии” тела. Крепление осуществляли таким образом, что центры вращения позвонков находились на одной линии с шарнирными центрами поворотов подвижных платформ. Платформы устанавливали между сближаемыми частями стенда механических испытаний, после чего они передавали механическую нагрузку на исследуемый препарат.

Производилось моделирование постепенно нарастающей вертикальной нагрузки на позвоночные сегменты Th₁₂-L₂, находящиеся в условиях транспедикулярного остеосинтеза (аналогично схеме на фиг.3). При этом измерялись все деформации, возникающие в исследуемом блоке до его разрушения. За счет наличия шарнирного узла платформы совершали адекватные наклонно-угловые смещения при появлении деформаций в исследуемом препарате, не препятствуя возникновению возможного изгиба, скручивания, сдвига и ассиметричного сжатия блока позвоночных сегментов.

Пример использования. На анатомическом препарате трех позвоночных сегментов (Th₁₂-L₂) с помощью долота было произведено разрушение краниальной части тела L₁ до половины его вертикального размера. Задняя остеолигаментарная колонна была полностью сохранена. Произведен остеосинтез позвоночных сегментов транспедикулярной спинальной системой “Синтез”, состоящей из 4 винтов, диаметром 6 мм с длинной резьбовой части 50 мм. Винты введены через корни дуг в тела Th₁₂ и L₂ и соединены двумя несущими штангами диаметром 6 мм. Синтезированный блок позвоночных сегментов закреплен в подвижных платформах и установлен между сближающимися частями стенда механических испытаний ЗИМ Р-10, после чего на него стала подаваться постепенно нарастающая вертикальная нагрузка. При усилии 800 н отмечено появление деформации изгиба в виде локального кифоза исследуемых сегментов 3 градуса. При нагрузке 1600 н кифоз увеличился до 12 градусов, произошло локальное разрушение препарата в области краниальной замыкательной пластины Th₁₂ непосредственно над установленными в этот позвонок транспедикулярными винтами с дислокацией последних в дорзальном направлении. Деформации самой транспедикулярной системы при этом практически не было. При дальнейшем сближении подвижных платформ уменьшение вертикальных размеров исследуемых позвоночных сегментов и нарастание угловой деформации происходило без увеличения разрушающей вертикальной нагрузки.

Использование предлагаемого способа моделирования вертикальной нагрузки на позвоночные сегменты в эксперименте позволило измерить в корректных биомеханических условиях не только деформацию сжатия, но и величину появляющейся под нагрузкой деформации изгиба исследуемого анатомического блока позвонков, которая имеет большее практическое значение. Полученные результаты позволяют обосновать режим реабилитационных нагрузок в послеоперационном периоде у больных, перенесших аналогичную операцию транспедикулярного остеосинтеза на позвоночнике.

Изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии, и может быть использовано для экспериментального изучения механической прочности анатомических препаратов грудного и поясничного отделов позвоночника в условиях остеосинтеза различными металлоконструкциями после имитации повреждений и костно-пластических операций, а так же без фиксации имитации повреждений. Способ включает передачу усилий измеряющей машины на исследуемый анатомический препарат позвоночных сегментов через подвижные платформы. Платформы имеют шарнирный центр вращения и способны к адекватному наклону и смещению при появлении деформации в исследуемом препарате. Шарнирный центр имитирует подвижность смежных позвонков in vivo при физиологических вертикальных нагрузках и не препятствует возникновению возможных деформаций изгиба, сжатия, скручивания и сдвига в исследуемом препарате. При этом сегменты закрепляют за крайние позвонки, зажимая болтами по периметру “талии” тела так, что центры вращения позвонков находятся на одной линии с шарнирными центрами поворотов подвижных платформ, соответствующей вертикальной оси позвоночного столба, а расстояниями от центра поворота платформы до центра позвонка, закрепленного в ней соответствует расстоянию между позвоночными сегментами. В результате механические условия в эксперименте максимально приближаются к прижизненным; обеспечивается возможность появления типичных клиновидных деформаций тел позвонков, переломовывихов и других существующих в реальных условиях повреждений позвоночных сегментов. 4 ил.

Способ моделирования вертикальных нагрузок на позвоночные сегменты в эксперименте, отличающийся тем, что усилия измеряющей машины передают на исследуемый анатомический препарат позвоночных сегментов через подвижные платформы, имеющие шарнирный центр вращения и способные к адекватному наклону и смещению при появлении деформаций в исследуемом препарате, имитирующему подвижность смежных позвонков in vivo при физиологических вертикальных нагрузках и не препятствующему возникновению возможных деформаций изгиба, сжатия, скручивания и сдвига в исследуемом препарате, при этом сегменты закрепляют за крайние позвонки, зажимая болтами по периметру “талии” тела так, что центры вращения позвонков находятся на одной линии с шарнирными центрами поворотов подвижных платформ, соответствующей вертикальной оси позвоночного столба, а расстояние от центра поворота платформы до центра позвонка, закрепленного в ней, соответствует расстоянию между позвоночными сегментами.