Способ моделирования травмы костной ткани при ударном нагружении Советский патент 1988 года по МПК G09B23/28 

.1

00

о: ел

со

Изобретение относится к биомеханике чер.епно-мозговой травмы и может быть использовано для моделирования повреждений органов или организма в целом при последовательных экспериментах с постепенным увеличением энергии ударов,

Цель изобретения - ускорение и повышение достоверности способа,

На фиг.,1 показано устройство для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - вид А на фиг,; на фиг. 3 - блок-схема измерительной системы.

Способ осуществляется следующим образом.

При нанесении удара по испытуемому объекту с линейным размером 1 с регистрированием скорости ударника Vy при ударе и скорости ударника V при отскоке одновременно с силой удара P(t) регистрируют и деформацию образца S (t) после зат5гхания колебательного процесса, замеряют линей- ный размер образца, вычисляют три независимых критерия деструкции - коэффициент упругости К, нормированную величину остаточной деформации йЗ .и коэффициент восстановления уда- ра К„, причем

р

-Г л

-

В

. 1.0 - ll.

; и ьу;

К.

Уб

У

где РЛ,НЩ; - максимальная нормированная сила во время удара; макс максимальная нормированная деформация образца, и считают приводящим к травме также значение V , при котором наблюдается достоверное изменение не менее двух из этих критериев. Сравнение производят для последукицих экспериментов с постепенным увеличением скорости ударника.

Устройство для реализации способа представляет собой стенд, который содержит маятниковый ударник, снабженный датчиком силы, и приспособление для фиксации испытуемого объекта причем перед испытуемым объектом ус- тановлена направляющая система с датчиком деформации и датчиком положения в виде светоприемника, а в измерительно-вычислительный коАтлекс об

5

0 5 0

5

Q j

работки .полученной в процессе удара информации - измеритель пикового значения силы, измеритель пикового зна- ч;ения деформации, индикатор остаточной деформации и блок хранения и передачи информации.

Измерение конечного линейного размера Ij образца проводят после затухания колебания образца, что фактически - -- и при его трехкратном

превышении, т,е, t З Е , результат оказывается достаточно точным, где - нормированное время затухания колебаний; tj - время задержки измерения .

Предлагаемый способ, в котором реализуется увеличение количества одновременно измеряемых параметров образца во время ударной нагрузки, благодаря повышению информативности зксперимента и его всесторонней оценке по выбранным независимым критериям позволяет резко повысить интерпретируемость получаемых результатов. Совокупность предлагаемых критериев деструкции, в которые входят относительные значения измерений параметров, а не сами параметры, позволяет объективно оценить состояние испытуемого объекта и, в частности, исключить ложную интерпретацию по типу гипердиагностики наступления травмы,

В устройстве удалось замерить все необходимые для анализа уровня деструкции параметры, определить независимые критерии и исключить погрешности, связанные с соотношением и распределением масс соударяющихся тел, а также с отсутствием удовлетворительной аналитической модели биологических объектов типа позвонков и их комплексов,

Стевд для реализации способа (фиг, и 2) содержит массивную чугунную пирамидальную основу 1 для неподвижного закрепления одного конца испытуемого образца 2, другой конец образца 2 закреплен в направляющей Г-образной обойме 3, одно плечо которого установлено на поверхности опоры 1 с возможностью возвратно-поступательного движения (направление движения указано стрелкой), к этому плечу прикреплен передвижной контакт датчика 4 деформации. Маятниковый ударник 5 подвешен посредством итанги 6 к подшипниковой опоре 7 с одной степенью свободы, причем на торце ударника 5, обращенном к образцу 2, ввинчен боек 8, являющийся одновременно датчиком силы. Перпендикулярно к плоскости движения штанги 6 маятника установлена оптическая система 9 с датчиком 10 положения с использованием, например, светоприемника. В состоянии покоя маятника (фиг.2, сплошная линия) штанга 6 проецируется на -плоскость приемника 10 света симметрично, при ударе проекция конпрограммного устройства, арифметичес кое устройстро 16 (например, vfHKpo- калькулятор КЗ-34) и индикатор 17 остаточной деформации (например, циф ровой вольтметр). При этом датчик 10 положения подключен к информацион ному входу дешифратора 11, датчик 8 силы - к входу измерителя 13 пико- 10 вого значения силы, а датчик 4 деформации - соответственно к входам измерителя 14 пикового значения деформации и индикатора 17 остаточной деформации. Выходы а и Ъ дешифратотура штанги 6 выходит за пределы све- 15 ра 11 подключены к входам первой и топриемника (фиг.2, пунктирная ли- второй ячеек памяти блока 15 хранения) 4

В целях повышения точности экспериментов, а также для подавления резонансных частот целесообразно,чтобы масса основы 1 бьша не менее 50-кратной массы ударника 5, а масса бойка 8 составляла около 1% общей массы ударника 5. Ударник 5 представляет собой сплошной стальной цилиндр, а штанга 6 маятника изготовлена из легкого прочн - го материала, например углепластика, причем ее длина составляет 1,5-2,0 м.

ния и передачи информации, выход с - к входу блока 12 управления. Выходы измерителей пикового значения силы

20 и пикового значения деформации 14 по ключены соответственно к .входам третьей и четвертой ячеек памяти бло ка 15 хранения и передачи информации Выход блока 12 управления подключен

25 к входу -программного устройства блока 15 хранения и передачи информации Выход поапеднего подключен к входу арифметического устройства 16,

Устройство работает следующим обВлок-схема (фиг.З) содержит датчик 4 деформации (например, потенциометр, включенный в мостовую измерительную схему), датчик 8 силы (например,пье- зокристалл с соответствующим усилителем), датчик 10 положения ударника (например, светоприемник), дешифратор 11 сигналов положения ударника (например, анализатор последовательности логических уровней со счетчиком импульсов от опорного генератора частот), дешифратор имеет три выхода а,Ъ,с, где выход а служит для передачи информации о длительности затене30 разом.

После закрепления одного конца испытуемого образца 2 неподвижно к массивной основе 1 и подвижного крепления другого конца образца 2 посред25 ством Г-образной обоймы маятниковый ударник 5 отводится на некоторое расстояние (изменяющееся, например, от эксперимента к эксперименту ступенчато от 10 см до 1,0 м) и отпускается.

40 В процессе падения при прохождении маятника 5 через нижнюю точку срабатывает датчик 10 положения, передний фронт сигнала которого запускает счет импульсов (на дешифратор П). Не дония (освещения) светоприемника 10 пе- g хотя 3 мм до контакта между образцом

45 ред ударом, выход Ъ - для передачи

информации о длительности затенения (освещения) светоприемника 10 после удара, выход с - для передачи начала и конца цикла измерения, блок 17. 50 управления, состоящий из кнопки управлений и генератора управляюпщх импульсов, измеритель 13 пикового значения силы (например, пикового цифрового вольтметра), измеритель 14 пико- gg вого значения деформации (например, пикового цифрового вольтметра), блок 15 хранения и передачи информации, состоящий из четырех ячеек памяти и

2 и ударником 5 (это расстояние является достаточным для запуска электрон ной схемы с учетом необходимого време ни на переходные процессы) задний фронт сигнала датчика 10 положения останавливает счет импульсов и через выход с дешифратора 11 на вход блока 12 управления поступает импульс, запускающий программу управления, кото рая осуществляет перепись количества подсчитанных импульсов выхода а де- шифратора 11 в первую ячейку блока 15 хранения и передачи информации. При соприкосновении ударника 5 с обпрограммного устройства, арифметическое устройстро 16 (например, vfHKpo- калькулятор КЗ-34) и индикатор 17 остаточной деформации (например, цифровой вольтметр). При этом датчик 10 положения подключен к информационному входу дешифратора 11, датчик 8 силы - к входу измерителя 13 пико- вого значения силы, а датчик 4 деформации - соответственно к входам измерителя 14 пикового значения деформации и индикатора 17 остаточной деформации. Выходы а и Ъ дешифратония и передачи информации, выход с - к входу блока 12 управления. Выходы измерителей пикового значения силы

и пикового значения деформации 14 подключены соответственно к .входам третьей и четвертой ячеек памяти блока 15 хранения и передачи информации. Выход блока 12 управления подключен

к входу -программного устройства блока 15 хранения и передачи информации. Выход поапеднего подключен к входу арифметического устройства 16,

Устройство работает следующим образом.

После закрепления одного конца испытуемого образца 2 неподвижно к массивной основе 1 и подвижного крепления другого конца образца 2 посредством Г-образной обоймы маятниковый ударник 5 отводится на некоторое расстояние (изменяющееся, например, от эксперимента к эксперименту ступенчато от 10 см до 1,0 м) и отпускается.

В процессе падения при прохождении маятника 5 через нижнюю точку срабатывает датчик 10 положения, передний фронт сигнала которого запускает счет импульсов (на дешифратор П). Не дохотя 3 мм до контакта между образцом

хотя 3 мм до контакта между образцом

2 и ударником 5 (это расстояние является достаточным для запуска электронной схемы с учетом необходимого времени на переходные процессы) задний фронт сигнала датчика 10 положения останавливает счет импульсов и через выход с дешифратора 11 на вход блока 12 управления поступает импульс, запускающий программу управления, которая осуществляет перепись количества подсчитанных импульсов выхода а де- , шифратора 11 в первую ячейку блока 15 хранения и передачи информации. При соприкосновении ударника 5 с об51

рязцпм 2 на измеритель 13 пикового значения силы начинает поступать сигнал с датчика .8 силы, а на измери- тель 14 ттикового значения деформа- НИИ - сигнал с датчика 4 деформации, Комплексы позвонков отпрепарируют от мягких тканей и остатков межпоз- зонковых дисков до терминальной пластинки. Верхний и нижний торец комп- плекса позвонка запивают протакрилом до уровня талии верхнего и нижнего позвонков. Моделированные торцы комплексов позвонков закреплены таким образом, чтобы верхний позвонок бло- ка мог передвигаться параллельно нижнему. Имитируется ударное нагруже ние верхнего позвонка (антериорное и постериорное). При нанесении анте- риорных уда{5ов их общее число равно 3 и 4, при нанесении постериорных-7 , Ири нагружений блока позвонков

Л

4 О,

л

спереди при мс появляется

скорости V

9 мс появляется выраженная остаточная деформация (точки кривой ОД при сохранении без видимых отклонений значений КВУ и Ю , т.е. наблюдается изменение только одного независимого критерия. Рентгенологический и визз альный контроль не показывают наличие, деструкции, т.е. резкое изменение одного критерия не сопровождается структурными изменениями образца о

При нагружений того же комплекса сзади достоверное изменение двух критериев Б;ВУ и КУ наблюдается после пятого удара (соответствующего ско

рости У 1,25 ), эта точка является порогом травматизма, в дальнейшем (при увеличении скорости) добавляется: и изменение ОД, приводящее к подтвержденному морфологически и рентгенологически перелому позвонка и деструкции диска.

При нагружений комплекса позвонко Тд -- Т,д спереди отмечают отсутствие скачков в изменении критериев КВУ и KYf а также нулевое значение остаточной деформации, что свидетельствует об отсутствии травмы (подтверждено рентгенологическим и морфологическим контролем),

При постериорном нагружений комплекса Тд Т,д при скорости V 2,4 мс наблюдается выраженное изменение КБУ и КУ (до того менялся только один критерий, посредством

рентгенологического исследования перлом не виден, но морфологические исследования выявили разрыв связок).

Таким образом, подтверждается отсутствие появления не трактуемых результатов (типа случаев деформации, превьшающей начальные размеры, а также субъективные оценки экспериментаторов ).

По сравнению с базовым объектом предлагаемый способ примерно в 10 раз позволяет уменьшить количество необходимых экспериментов при сохранении достоверности выводов, полученная информация не несет в себе значительной степени неоднородности как это наблюдается в случае учета лишь критерия деструкции, а также исключаются возможные случайные порешности и нереальные результаты, например данные о деформации,превышающей ра змеры образца.

Кроме того, возможна достаточно достоверная интерпретация экспериментов, в которых обследовались некачественно моделированные образцы, имевшие пустоты вокруг заливки, вызванные просачиванием жидких компонентов диска при полимеризации, в случае базового объекта такие эксперименты интерпретировать не удалось.

ормула изобретения

Способ моделирования травмы костной ткани при ударном нагружений путем нанесения удара испытуемому образцу с регистрацией скорости ударника при ударе и скорости ударника при отскоке с постепенным увеличением скорости ударника и последующим вычислением физических параметров,

от личающийся тем, что, с целью ускорения и повьш1ения достоверности способа, дополнительно регистрируют деформацию образца, измеряют линейный размер образца после

затухания колебательных процессов, определяют коэффициент упругости,нормированную величину остаточной деформации и коэффициент восстановления удара и модель травмы костной

ткани определяют при значении скорости ударника, сопровождающимся достоверным изменением не менее двух из этих критериев.

- S

10

Изобретение относится к биомеханике, черепно-мозговой травмы, предназначено для моделирования повреждений органов или организма в целом при последовательных экспериментах с постепенным увеличением энергии. . ударов. Для этого к процессе падения ударника замеряют силу удара, деформацию образца, скорость в момент удара и скорость в момент отскока, после затухания колебательных процессов замеряют линейный размер, рас- считывают три независимых критерия (НК) деструкции (Д), каждый из которых зависит от двух заранее независимо измеренных величин, и считают при сравнении результатов последовательных с постепенным увеличением скорости, приводящим к травме, такое значение скорости, при котором .. наблюдается достоверное изменение & не менее двух из НК, 3 ил. (Л

Фиг. 2

ISZ E-SSfSIS