Методика компьютерной оптимизации размещения фиксирующих элементов на корпусе 8-ми винтовой накостной пластины при поперечных диафизарных переломах длинных костей опорно-двигательного аппарата

На рис.5 представлены графики обследования пациентов с нарушениями функции щитовидной железы.

На графике 1- динамика теплового излучения, характерная для здорового человека.

На графике 2- динамика теплового излучения, характерная для автоимунного тиреоидита.

На графике 3- динамика теплового излучения, характерная для излучения с узлообразованием тиреоидита.

Выводы.

1. Разработана новая модернизированная версия конструкции комплекса «Термодин», отличающаяся от предудущей большей надёжностью,

быстродействием, помехо защищённостью,

чувствительностью и возможностью работы с ноутбуками, съёмными кассетами для запоминания информации.

2. Элементная база и математическое обеспечение комплекса позволяет его эксплуатировать во взаимодействии с современными компьютерными программами.

3. Комплекс прошёл апробацию в нескольких лечебных заведениях Украины и показал свою высокую эффективность в выявалении многих заболеваний внутренних органов, регистрации отклонений физиологических показателей от нормы.

ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ветошников В.С. Белов М.Е. Прибор для измерения радиационных тепловых потоков// Патент на изобретение, 25102А, Украина, от 30.10.98

2. Шайко-Шайковский А.Г., Белов М.Е., Олексюк И.С. и др. А.Г. Шайко-Шайковский, М.Е.Белов, И.С. Олексюк. Аппаратура и методика дистанционного бесконтактного измерения радиационных тепловых потоков// Материалы междунар. научн-техн. конф. РТПСАС-2015. -с 200-202.

3. Клепиковский А.В. Математическое моделирование и оценка надёжности работы электронных систем, содержащих много каскадные термоэлектрические охладители/ А.В.Клепиковский, Е.Н. Тимофеева, Т.О. Царик, А.Г. Шайко-Шайковский/ Матер, международн. симпозиума «Надёжность и качество 2006», Пенза, 2006.-с.235-236.

4. Перепичка О.В. Методика нормализации рентгенограмм для обеспечения надёжности и стабильности остеосинтеза/О.В.Перепичка, С.В. Кирилюк, А.Т.Зинченко, И.С.Олексюк, А.Г.Шайко-Шайковский, -Материалы. Междунар. симпозиума «Надёжность и качество - 2007», Пенза, - т.2.- с.153-154

5. Пономаренко Л.А. Методы расчёта характеристик моделей процессов обслуживания вызовов в беспроводных сетях с очередями/ Л.А.Пономаренко, В.В. Паладюк, А.Г.Шайко-Шайковский.- Матер. Междунар. симпозиума «Надёжность и качество» Пенза.- 2008.-т.2. с.22-23.

6. Зинькив О.И. Комплекс «Термодин» для дистанционного измерения температуры/ О.И. Зинькив, М.Е. Белов, В.Н. Сапожник, Г.А. Билык, А.Г. Шайко-Шайковский - Матер, международного симпозиума «Надёжность и качество - 2014», Пенза, - т.2.- с.113-116.

7. Белов М.Е. Устройство и конструкция измерительного блока для регистрации энергетических сигналов со значеним телесного угла измерения в 1800/ М.Е. Белов,А.Г.Шайко-Шайковский - Матер. Международного симпозиума «Надёжность и качество - 2015», Пенза, - т.1.- с.48-51.

УДК 616.71:004.04

Шайко-Шайковский1 А.Г., Сорочан2 Е.Н., Белов1 М.Е., Олексюк3 И.С. , Леник4 Д.К.

1Черновицкий национальный университет им. Юрия Федьковича, Черновцы, Украина 2ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», Мариуполь, Украина 3Буковинский государственный медицинский университет, Черновцы, Украина 4Областная клиническая больница Черновицкой обл., Черновцы, Украина

МЕТОДИКА КОМПЬЮТЕРНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ РАЗМЕЩЕНИЯ ФИКСИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА КОРПУСЕ 8-ми ВИНТОВОЙ НАКОСТНОЙ ПЛАСТИНЫ ПРИ ПОПЕРЕЧНЫХ ДИАФИЗАРНЫХ ПЕРЕЛОМАХ ДЛИННЫХ КОСТЕЙ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Рассмотрена методика компьютерной оптимизации научно обоснованного размещения фиксирующих и блокирующих элементов на корпусе 8-ми винтовой накостной пластины при простых и сложных видах нагрузок. Показано, что во всех видах действия простых видов нагрузок есть номера отверстий и винтов, которые являются общими и которые предпочтительнее всего использовать. Полученные результаты на основании принципа независимости действия сил могут быть распространены на все виды сложных нагрузок Ключевые слова:

компьютерное моделирование, диафизарный перелом, накостный остеосинтез, фиксирующие элементы

Введение. Лечение переломов и повреждений костей опорно-двигательного аппарата остаётся важной и актуальной проблемой. Поиск и совершенствование определения оптимальных путей разрешения этой проблемы не возможен без совместных усилий, как специалистов медиков-травматологов, так и учёных в области биомеханики, материаловедения, сопротивления материалов, компьютерного моделирования.

Современные методики лечения травм и переломов костей всё чаще используют оперативные способы лечения [1], которые значительно более эффективны, чем консервативные, при которых пострадавшие вынуждены в течение нескольких недель (а в особо тяжёлых случаях - и нескольких месяцев и даже лет) находиться на больничной койке в обездвиженном состоянии [2].

Как известно, в соответствии с данными ООН, на втором месте среди причин смертности в мире среди молодёжи в возрасте 5-29 лет являются дорожно-транспортные происшествия, а также третьем - для людей в возрасте 30-44 лет. Ежедневно в мире вследствие дорожного травматизма регистрируют 145 тысяч пострадавших, 15 тысяч человек становятся инвалидами, 3,5 тысячи - гибнут [5].

Внутренний остеосинтез диафизарных переломов, в зависимости от вида и типа принято подразделять на накостный и интрамедуллярный. При этом накостный остеосинтез является одним из наиболее

доступных, дешёвых и распространённых типов фиксации, при котором отломки сломаной кости скрепляются с помощью специальных накостных пластин, имеющих ряд отверстий, через которые проводятся фиксирующие и блокирующие винты. В зависимости от типа и вида диафизарного перелома (поперечные, косые, винтовые, осколочные), его локализации, конструкции таких фиксаторов имеют соответствующую форму и размеры. Формы и края отверстий для винтов также могут быть различными, что даёт возможность создавать различные виды остео-синтеза статический, динамический или компрессионный.

Очень важным и до конца не решённым вопросом остаётся способ крепления накостного фиксатора к кортикальному веществу кости с помощью фиксирующих винтов. Их количество, направление проведения и, главным образом, месторасположение до сих пор является предметом споров и дискуссий у специалистов-травматологов [1, 2, 3].

Целью работы является разработка методики оптимального научно обоснованного варианта размещения фиксирующих и блокирующих винтов на корпусе накостных фиксирующих пластин при накостном остеосинтезе, учитывающей весь комплекс внешних нагрузок на биотехническую систему «кость- фиксатор».

Материалы и методы. В медицинской практике при накостном остеосинтезе бедренных костей, в

частности, широкое распространение нашли пластины с минимальным контактом, имеющие 6 - 12 отверстий для проведения фиксирующих и блокирующих винтов. Существует и используется достаточно большое количество типов и видов накостных пластин, которые имеют, соответственно, разные размеры и разное число отверстий для их крепления. Так, для лечения переломов фаланг пальцев используются узкие облегчённые пластины с двумя-тремя отверстиями с каждой стороны от линии перелома. Для остеосинтеза длинных костей необходимы массивные пластины с достаточно большим числом отверстий для фиксирующих и блокирующих винтов. Малое число отверстий не оставляет альтернативы врачу-травматологу для проведения винтов. Большое число отверстий, в свою очередь, существенно ослабляет корпус пластины.

Расположение отверстий в один ряд на корпусе пластины плохо способствует сопротивлению биотехнической системы ротационным воздействиям. Значительно более эффективным вариантом размещения отверстий на корпусе накостного фиксатора является способ размещения отверстий в шахматном порядке (для удобства проведения фиксирующих винтов независимо от расположения и формы линии перелома) и создания надёжной фиксации всех элементов биотехнической системы «фиксатор - костные отломки».

При этом особенно важным является вопрос об оптимальном расположении фиксирующих винтов для создания стабильного остеосинтеза, при учёте всех видов простых и сложных нагрузок, действующих на биотехническую систему.

В работе с помощью метода конечных элементов и программы Solid Works Simulation Xpress смоделировано и проанализировано напряжённо-деформированное состояние материала накостного фиксатора, конструкция которого изготовлена из био инертной стали 12Х18Н9Т. Силовое воздействие имитировалось двумя равными и противоположно направленными силами или моментами, приложенными к обоим концам накостной пластины [4].

Настоящая работа является логическим продолжением предыдущих работ, где авторами был рассмотрен случай воздействия на биотехническую систему осевых нагрузок, накостная пластина, методика исследований и методологический подход использован таким же, как и в предыдущей статье.

В работе авторы исследовали случаи изгиба в сагиттальной плоскости, а также - изгиб во фронтальной плоскости в двух направлениях: латеро-медиальном и медиа-латеральном, кручение, случаи осевого нагружения фиксатора.

Обобщение полученных результатов, определение с помощью математического моделирования вариантов оптимального крепления накостного фиксатора позволило выработать научно обоснованные практические рекомендации лечащим врачам-травматологам, базирующиеся на достижении минимальных напряжений и деформаций в материале накостных фиксирующих конструкций.

На рис. 1 представлена 8-ти винтовая накостная пластина, которая чпаще всего используется для остеосинтеза переломов бедренной кости.

Рисунок 1 - Общий вид накостной пластины с номерами отверстий для фиксирующих и блокирующих винтов

Для решения поставленной задачи с помощью специально разработанного алгоритма последовательно моделировалось крепление накостных конструкций посредством 3-х, 4-х, винтов по обе стороны от линии поперечного диафизарного перелома. Число возможных комбинаций из п элементов (отверстий) по т штук (винтов) определялось по известному из комбинаторики выражению: л т |

Л„ п\

r-<m Cn :

Pm m\{n - m)!

где Рп - число перестановок из п элементов; Атп -число размещений из п элементов по т.

Возможное число комбинаций для каждого из указанных вариантов фиксации, определяемого из т числа фиксирующих винтов представлено в таблице 1.

Таблица 1

Число возможных комбинаций крепления пластины при использовании разного числа винтов для создания накостного остеосинтеза при использовании, например, 8-ти винтовой накостной пластины.

№ варианта крепления Число отверстий n Число винтов m Число комбинаций Cmn

1 4 2 6

2 4 3 4

3 4 4 1

Количество возможных комбинаций и сочетаний будет изменяться наряду с изменением числа отверстий и фиксирующих винтов.

Результаты и их обсуждение. Математическое компьютерное моделирование всех возможных вариантов крепления при разном количестве и расположении фиксирующих и блокирующих винтов позволили определить возникающие при этом напряжения, деформации, перемещения и запас прочности материала конструкции накостного фиксатора.

Как наиболее предпочтительные принимались варианты крепления, при которых такие параметры как напряжения, деформации и перемещения были минимальными

На выбор числа винтов для фиксации и блокирования оказывает воздействие вид и тип перелома, поэтому окончательное решение о создании того или иного вида остеосинтеза принимается лечащим врачом-травматологом, так же, как и выбор того или иного количества винтов для остеосин-теза.

Сравнение и анализ результатов математического моделирования позволяет сделать выводы о том, что при 3-х винтовом способе фиксаци наиболее целесообразно использовать винты с отверстиями №№1,3,4 и 5,6,8. Этот вывод справедлив

для всех простых видов загрузок, а на основании принципа независимости действия сил, полученные результаты справедлимвы также и для всех сложных видов загрузок. Этот результат может бать использован для всех простых видов напружений (растяжения-сжатия, кручения, сдвига, поперечного и чистого изгибов во фронтальной и сагиттальной плоскостях). При использовании 2-х винтовой фиксации наиболее целесообразно будет использовать винты №№ 3,4 и 5,6. Разумеется, вывод также справедлив для всех простых видов нагрузок, узазан-ных выше. Очевидно, что и для сложных видов загрузок в соответствии с принципом суперпозиции будут соблюдаться полученные выводы.

Полученные результаты позволяют обобщить исследования и использовать их в наиболее распространённых реальных случаях сложных видов воздействия на биотехническую систему «отломки ко-сти-фиксатор».

Это свидетельствует о важном значении использования именно этих номеров отверстий для создания стабильного и надёжного остеосинтеза с помощью 8-ти винтовой накостной пластины. Рекомендации переданы врачам-травматологам, которые подтвердили, что именно с помощью использования

этих отверстий удаётся создавать надёжный осте- Выводы

осинтез поперечных диафизарных переломов бедрен- Предложена методика компьютерного моделиро-

ной кости. вания для оценки параметров напряжённо-деформи-

Анализ совокупности полученных результатов рованного состояния материала накостных фикса-

проведенных исследований позволяет выработать торов при разном числе и расположении фиксирую-практические рекомендации врачам-травматологам щих элементов для деформации кручения,

для последующего использования в медицинской Результаты проведенного математического мо-

практике. делирования позволяют выделить наиболее рацио-

В дальнейших исследованиях авторами плани- нальные и наименее удачные варианты расположения

руется осуществить математическое моделирование фиксирующих элементов при заранее заданном их

также косых, винтовых, оскольчатых переломов количестве.

диафиза, после чего также подобным же образом Полученные расчётным путём выводы полностью

провести соответствующий анализ переломов верх- подтверждаются результатами практической меди-

ней и нижней трети бедренной кости цинской оперативной деятельности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гайко Г. В. Дiафiзарнi переломи в структурi травм опорно-рухово! системи у населення Укра!ни /Г. В. Гайко, А. В. Калашн^ов, В. А. Боер [та i^] // В^ник ортопед^, травматолог^ та протезування. - 2006. - № 1. - С. 84-87.

2. Романенко К. К. Функции и виды пластин и виды винтов в современном остеосинтезе /К. К. Рома-ненко, А. И. Белостоцкий, Д. В. Прозоровский, Г. Г. Голка // Ортопедия, травматология и протезирование. - 2010. - № 1. - С. 68-75.

3. Shaiko-Shaikovskij A. Mathematical modeling and optimal allocation of fixing elements on plate body in osteosynthesis / A. Shaiko-Shaikovskij, M. Belov, S. Bilik [et al.] // The Advanced science open access Journal, CHINA. - December. - 2013. - P. 28-30..

4. Шайко-Шайковський О.Г. Моделювання та о^нка параметрiв напружено-деформованого стану на^-сткових конструк^й для остеосинтезу/О.Г. Шайко-Шайковський, М.е. Б^ов, Ш.С.Олексюк, О.Г.Дудко// Л^опис травматолог^ та ортопед^,- № 1-2, - 2014,-с.226.

5. Белов М.Е. Методика автоматизированного моделирования и оптимизация размещения фиксирующих элементов на корпусе пластины при накостном остеосинтезе/М.Е.Белов, В.М.Василов, А.Г.Дудко, И.С.Олексюк, А.Г.Шайко-Шайковский//Травма,-т.15,-№3,- -2014,-с.23-26.

6. Василов В.В., Зинькив О.И., Билык С.В., Шайко-Шайковский А.Г. и др. Интрамедуллярный фиксатор с деротационным элементом для остеосинтеза/ В.В.Василов, О.И. Зинькив, С.В. Билык, А.Г. Шайко-Шайковский и др. - Материалы междунар. Симпозиума «Надёжность и качество».- -2013,-Россия, Пенза, 2013, с. 296-297.

7. Перепичка О.В., Кирилюк С.В.,. Зинченко А.Т. Олексюк И.С., Шайко-Шайковский А.Г. Методика нормализации рентгенограмм для обеспечения надёжности и стабильности остеосинтеза/ О.В. Перепичка, С.В. Кирилюк,. А.Т. Зинченко, И.С.Олексюк, А.Г. Шайко-Шайковский - Материалы Междунар. Симпозиума «Надёжность и качество-2007», Россия. -Пенза, -т.2.-с.153-154.

УДК 621.3

Емельянов А.С., Доросинский А.Ю., Нанеташвили Р.Г., Реута Н.С., Лысенко Ю.С.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

УЛУЧШЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАБОЧЕГО МЕСТА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕМЕННЫХ РЕЗИСТОРОВ

В статье рассмотрены конструкторские вопросы создания прибора контроля параметров переменных резисторов типа СП5-21А(Б), предназначенные для работы в цепях постоянного и переменного токов частотой до 400 Гц. Приведена структурная схема и улучшенная конструкция прибора Ключевые слова:

автоматизированное рабочее место, прибор, конструкция

В настоящее время компьютеры и системы автоматизированного проектирования (САПР) широко используются для повышения эффективности труда инженеров, включая:

- сокращение затрат на натурное моделирование и испытания;

- сокращение себестоимости проектирования, уменьшение затрат на эксплуатацию;

- автоматизации оформления документации и т.д. [1-3]

На основании потребностей производства было принято решение начать создание автоматизированного рабочего места контроля параметров переменных резисторов. Прибор создавался в штучном экземпляре, для нужд предприятия выпускающего резисторы типа СП5-21А(Б), а именно прибор, который мог измерять следующие параметры[4]:

1) Полное сопротивление;

2) Величина рабочего угла;

3) Отклонение функциональной зависимости.

Проектирование прибора создавалось в САПР

«Компас-3Б»[5].

АРМ контроля параметров переменных резисторов в базовой комплектации состоит из: Прибора контроля параметров переменных резисторов и контактно-зажимного блока. Первоначально АРМ выглядело, как показано на рисунке 1.

У данной конструкции есть несколько минусов:

1) Контактно-зажимной блок довольно тяжелый, т.к. его конструкция выполнена из металла.

2) Размеры корпуса «прибора контроля параметров переменных резисторов» взяты исходя из стандартных размеров корпусов, которые можно купить, не изготавливая такой корпус на предприятии, и внутри этого корпуса остается много места.

Поэтому было принято решение улучшить данную конструкцию. Можно совместить контактно-зажимной блок (изменив его конструкцию) и прибор, в один корпус. Это позволит избавиться от лишнего блока и лишних соединений; упростит работу оператора; прибор станет одним целым и будет требовать только подключение к сети и установки измеряемого резистора в посадочное место[6, 7].

Исходя из этого, была доработана структурная схема (рис.2) и создана новая конструкция прибора контроля параметров переменных резисторов (рис.3).

Как мы видим, на рис. 3 добавился шаговый двигатель (размеры корпуса позволяют), он прочно закреплен на четырёх стойках и под него подложена прокладка из резины, для лучшей устойчивости. Разъем подключения контактно-зажимного блока (п.7 рис. 1) и разъем подключения измерительного кабеля (п.8 рис. 1) были удалены, теперь подключение блока осуществляется внутри прибора, а измерительный кабель выведен через специальное отверстие (п.1 рис. 4).