СТЕНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ МОДЕЛЕЙ КОСТНОЙ БИОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С АППАРАТОМ ВНЕШНЕЙ ФИКСАЦИИ

Полезная модель относится к области медицины, а именно к травматологии и ортопедии и предназначена для измерения жесткости моделей костной биомеханической системы с аппаратом внешней фиксации.
Аппараты внешней фиксации предназначены для придания правильного взаиморасположения отломкам кости и стабилизации зоны перелома до завершения процесса остеогенеза. В качестве аппаратов внешней фиксации обычно используются различные механические конструкции, обеспечивающие длительное устранение подвижности отломков кости посредством штифтов или спиц из биосовместимых материалов, обладающих биологической, химической и физической инертностью. К конструкции аппаратов внешней фиксации предъявляются взаимоисключающие требования. Конструкция аппарата должна обеспечить возможность дозированных перемещений для реализации аксиальной дистракции или компрессии и угловой или трансляционной коррекции. В тоже время аппарат должен обеспечивать достаточную жесткость костной биомеханической системы, допускающую немедленное послеоперационное восприятие нагрузки. Определение необходимого комплекса биомеханических характеристик костной биомеханической системы с аппаратами внешней фиксации возможно на основе экспериментального измерения осевой, поперечной и ротационной жесткости при различных видах воздействий на специальном стенде.
Известен способ оценки надежности фиксации костных фрагментов на модели кости путем соединения фрагментов с помощью устройства внешней или внутренней фиксации, установки тензодатчиков в зоне крепления элементов устройства и приложения дозированной статической или динамической нагрузки. После проведения исследований устройство демонтируют, модель кости распиливают, проводят тарировку тензодатчиков, затем расшифровку показаний тензометрической аппаратуры и строят эпюры сил, возникающих в кости по мере затягивания элементов устройств и приложения нагрузки. Выбирают вариант, обеспечивающий равномерность распределения усилий в кости (патент RU №2017460 C1).
Недостатком является необходимость наклеивания тензодатчиков и низкая точность измерения перемещений.
Известно устройство для моделирования чрескостного остеосинтеза, выполненное в виде разъемного цилиндра, противостоящие концы частей которого снабжены съемными насадками с рисками, имеющими сопоставимые поверхности различной конфигурации, а основания - опорными площадками, при этом по периметру каждой из частей выполнены отверстия различного диаметра. Насадки снабжены ориентирными рисками (патент RU №107384 U1). В описании полезной модели написано «… для определения силовых и линейных параметров прикладываемых усилий крепят измерительные устройства.», но не указано, какие измерительные устройства используют, где и как их крепят.
Устройство предназначено для моделирования приемов остеосинтеза.
Наиболее близким является устройство для исследования жесткости моделей чрескостного остеосинтеза, содержащее станину, выполненную в виде параллелограмма, фиксирующую панель для фиксации опор аппаратов внешней фиксации и зажимную муфту для фиксации имитатора кости, балку с продольной прорезью для фиксации индикаторов перемещений, балку с блоками для моделирования нагрузок, расположенные по боковым сторонам станины, тарированные грузы с тросом, индикаторы перемещений (патент RU №2246139 С2).
Недостатком устройства является недостаточная точность, сложность и большая трудоемкость аналитического определения жесткости, заключающаяся в большом количестве опытных исследований с заменом модулей и тарировочных грузов для подбора параметров аппарата внешней фиксации.
Для повышения точности, снижения трудоемкости и упрощения процесса измерения компонентов осевой, поперечной и ротационной жесткости предлагается стенд для измерения жесткости моделей костной биомеханической системы с аппаратом внешней фиксации, содержащий каркас, фиксирующую плиту, аппарат внешней фиксации, имитатор кости, зажимную муфту для фиксации имитатора кости, датчики, нагружающие устройства. Каркас выполнен в виде четырех стоек, установленных в верхней и нижней фиксирующих плитах, в которых установлены зажимные муфты для фиксации имитатора кости с аппаратом внешней фиксации. В области перелома кости закреплены полухомуты с установленными в них индуктивными датчиками, регистрирующими перемещение кости и соединенными с аналого-цифровым преобразователем и компьютером. На нижней панели закреплены тензометрические датчики, регистрирующие прилагаемое усилие, тензометрические датчики соединены с электронными блоками динамометров, с аналого-цифровым преобразователем, который соединен с компьютером, обрабатывающим поступающую информацию по заданной программе.
Общие признаки станина (каркас), фиксирующая панель (фиксирующие плиты), аппарат внешней фиксации, имитатор кости, зажимная муфта для фиксации имитатора кости, индикаторы перемещений (индуктивные датчики), тарированные грузы (нагружающие устройства).
На фиг. 1. изображен стенд для измерения жесткости моделей костной биомеханической системы с аппаратом внешней фиксации; на фиг. 2 - верхняя зажимная муфта 4; на фиг. 3 - нижняя зажимная муфта 5; на фиг. 4 - крепление тензометрического датчика 12 на нижней фиксирующей плите 3; на фиг. 5 - крепление индуктивных датчиков перемещений 15; на фиг. 6 - крепление индуктивных датчиков перемещений 16; на фиг. 7 - электронная схема стенда.
Стенд состоит из каркаса, состоящего из четырех стоек 1, установленных в верхней фиксирующей плите 2 и нижней фиксирующей плите 3. На верхней фиксирующей плите 2 установлена зажимная муфта 4, на нижней фиксирующей плите 3 установлена зажимная муфта 5. В зажимных муфтах 4 и 5 зафиксирован имитатор кости 6 с установленным аппаратом внешней фиксации для чрескостного остеосинтеза, состоящим из полуколец 7, стержней 8, спиц 9. На нижней фиксирующей плите закреплены тензометрические датчики прилагаемого усилия 10, 11, 12 (крепление датчика 12 изображено на фиг. 4). На имитатор кости в области перелома установлены полухомуты 13, 14 с закрепленными на них двумя индуктивными датчиками перемещений кости 15 (сжатие, изгиб) и двумя индуктивными датчиками 16 (кручение) (фиг. 5, 6). Нагружающие устройства 17, 18, 19, выполненные в виде винтовой пары, воздействуют через тензометрические датчики 10, 11, 12 на имитатор кости 6.
Электронная схема стенда изображена на фиг 7. Тензометрические датчики усилий 10, 11, 12 соединены проводами 20, 21, 22 с электронными блоками динамометров ЭБ1, ЭБ2, ЭБ3, которые соединены с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и далее с компьютером, обрабатывающим поступающую информацию по заданной программе. Индуктивные датчики перемещений 15, 16, соединены проводами 23, 24, 25, 26 с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и далее с компьютером, обрабатывающим поступающую информацию по заданной программе. Для комплектования стенда установлены динамометры электронные на сжатие АЦД/2С, которые предназначены для измерения статических и медленно изменяющихся сил. Динамометр состоит из упругого элемента с наклеенными тензорезисторами, силовводящих элементов, электронного блока и соединительного кабеля. Принцип действия динамометра заключается в преобразовании деформации упругого элемента, вызванного действием приложенной силы к нагружающему устройству, в электрический сигнал. Имитатор кости выполнен из материала, обладающего свойствами натуральной кости, также может быть использована натуральная кость.
Работает стенд следующим образом. Собирают каркас стенда. На нижней фиксирующей плите 3 закрепляют тензометрические датчики усилий 10, 11, 12, соединяют их проводами 20, 21, 22 с электронными блоками динамометров ЭБ1, ЭБ2, ЭБ3, которые соединяют с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и далее с компьютером. В установленных на фиксирующих плитах 2 и 3 зажимных муфтах 4 и 5 закрепляют имитатор кости 6 с установленным аппаратом внешней фиксации для чрескостного остеосинтеза. В области перелома кости закрепляют полухомуты 13, 14, устанавливают в них индуктивные датчики перемещений 15, 16. которые соединяют проводами 23, 24, 25, 26 с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и далее с компьютером.
Нагрузку создают устройствами 17, 18 (кручение) или 19 (сжатие, изгиб) путем поворота винтовой пары, тем самым воздействуют через тензометрические датчики 10, 11, 12 на имитатор кости 6, который изменяет положение. Значения нагрузок, действующих на имитатор кости, и величина перемещения имитатора кости 6, регистрируемые тензометрическими датчиками 10, 11, 12 и индуктивными датчиками 15, 16 передаются на АЦП, далее - на компьютер. Компьютер по заданной программе вычисляет и выводит на экран зависимость жесткости от нагрузки в виде графиков. На основе построенных графиков проводится анализ и определяются оптимальные параметры и тип аппарата для внешней фиксации, обеспечивающего наилучшее совмещение и фиксацию осколков кости.
Стенд может применяться для измерения жесткости моделей костной биомеханической системы с аппаратами внешней фиксации различными по конструкции и материалам деталей. В зависимости от цели проводимых исследований количество датчиков и место их установки может изменяться.
Применение стенда по сравнению с прототипом позволит повысить точность, снизить трудоемкость и упростить процесс измерения осевой, поперечной и ротационной жесткости различных моделей костной биомеханической системы с аппаратом внешней фиксации, что позволит выбрать тип и параметры аппарата внешней фиксации, обеспечивающего наилучшее совмещение, фиксацию осколков кости и метод остеосинтеза.