Внимание! Статья адресована врачам-специалистам
Boymurodov G.A.
Specialized Scientific and Practical Medical Center of Traumatology and Orthopedics, Tashkent, Uzbekistan
Experimental research of compression-distraction apparatus
for treatment of bone’s fractures under various intensity loadings
Резюме. Проведены лабораторные испытания фиксирующего аппарата при действии на него нагрузок различной интенсивности. На основании полученных данных было доказано, что фиксирующий аппарат работает одинаково упруго до определенного уровня как при растягивающей, так и при сжимающей нагрузке.
Ключевые слова: переломы коленного сустава, компрессионно-дистракционный аппарат, экспериментальные исследования.
Медицинские новости. – 2019. – №10. – С. 63–65.
Summary. We spend laboratory researches of the fixing device at action on it of loadings of various intensity and on the basis of the received data has been proved that the fixing device works is equally elastic, to certain loading, both at stretching, and at compressing loading.
Keywords: fractures of the knee, compression-distraction apparatus, experimental research.
Meditsinskie novosti. – 2019. – N10. – P. 63–65.
В травматологии при лечении больных в зависимости от характера и мест перелома используются различные виды устройств и фиксаторов, имеющих различные конструктивные решения. Поэтому возникает необходимость экспериментального определения диапазона работы, степени устойчивой фиксации места переломов, уязвимых мест конструкции и т.д.
Проведение экспериментальных исследований занимает важное место во всех отраслях науки и техники, что значительно развивает теоретические предпосылки и технологические процессы. Результаты экспериментальных исследований являются основой развития науки и техники, так как устанавливают новые закономерности и открывают определяющие факторы, существенно влияющие на технологический процесс.
Проведение лабораторных испытаний фиксаторов позволяет определить их поведение при действии нагрузок различной величины, а также определить зоны упругой работы фиксатора, зоны пластической деформации и численных значений относительных перемещений в месте имитируемого перелома и их остаточное значение после снятия приложенной нагрузки.
Цель лабораторных испытаний – исследование поведения компрессионно-дистракционного аппарата, содержащего две П-образные рамы, соединенные между собой резьбовыми стяжками, на которых установлены узлы крепления чрескостных резьбовых стержней. На рамы закреплены спицедержатели со спицами с упорными площадками, перпендикулярно к плоскости рам установлена планка, в которой выполнены пазы овальной формы, соединенная с резьбовой стяжкой с помощью узлов крепления, в пазы установлены чрескостные резьбовые стержни, верхние концы которых выполнены с резьбой и в виде заточки, а нижние концы – с самонарезающейся головкой. Стержни снабжены фиксаторами.
Материалы и методы
Экспериментальные исследования фиксирующего аппарата при действии на него нагрузок различной интенсивности были проведены в лаборатории «Динамика пространственных систем» Института механики и сейсмостойкости сооружений им. М.Т. Уразбаева АН РУз.
Предлагаемая методика основана на тензометрических методах измерения деформаций, происходящих при действии на конструкцию растягивающих, сжимающих или других нагрузок, которым подвергается фиксирующий аппарат.
Разработанная методика измерений позволяет определить значение нагрузки, при которой конструкция в целом работает в упругом режиме и в момент соприкосновения разделенных частей кости в месте имитируемого перелома, а также максимальную растягивающую и сжимающую нагрузку, при которой начинается процесс возникновения остаточной деформации, то есть начало пластической деформации.
Результаты и обсуждение
Лабораторные исследования и изучение всех процессов позволяют определить целесообразность применения конструкции фиксатора в системе «устройство – кость» при лечении переломов костей.
Основу методики измерения деформаций конструкции системы «устройство – кость» составляют датчики перемещений, усилитель, блок питания и регистрирующий прибор, блок-схема которой показана на рисунке 1. В общем виде электроизмерительная схема состоит из датчиков перемещений [1, 2], тензометрического усилителя марки «ТОПАЗ-3-01» [3], блока питания усилителя марки «АГАТ» [4], регистрирующего прибора – светолучевого осциллографа марки Н-041 [5] и блока питания осциллографа [6].
Принцип работы измерительного комплекса по данной электрической схеме состоит в следующем: сигналы от датчиков поступают на каналы усилителя «ТОПАЗ-3-01» и через усилитель передаются на регистрирующий прибор типа осциллограф Н-041. Для регистрации поступающих сигналов в осциллографах используются гальванометры различного типа в зависимости от чувствительности конструкции «устройство – кость» к деформациям при действии нагрузок.
Сначала необходимо определить центральную линию прохождения центра тяжести исследуемого объекта. После определения этой линии нужно отмерить с каждого конца некоторое расстояние и просверлить отверстие диаметром D=5,0 мм для закрепления образца на прессе марки «УИМ-50». Верхнее отверстие расположено на расстоянии 15,0 мм, а нижнее – на расстоянии 34,0 мм. На эти отверстия следует установить крепежные приспособления из металлической проволоки в виде скобы, при помощи которых закрепить исследуемый объект на пресс. Затем для установления на месте имитируемого перелома тензометрических датчиков перемещения по обе стороны перелома нужно просверлить два отверстия диаметром 3,0 мм. Расстояние между отверстиями выбирается по тарировке датчиков. Так как первый датчик имеет рабочую базу 50,0 мм, а второй – 55,0 мм, то расстояние между просверленными отверстиями будет соответственно 56,0 и 61,0 мм. На эти отверстия устанавливаются датчики перемещения. В исследовании измерительные датчики были установлены с учетом изменения перемещений элементов по вертикальным ОZ-направлениям. Пунктом регистрации выбрано место возле имитируемого перелома кости для получения полной информации о перемещениях частей кости при нагрузках.
При испытании система «фиксатор – кость» подвергалась воздействию статической нагрузки по продольной оси кости, то есть на осевое растяжение. Испытания проводились при многократных осевых нагрузках и разгрузочных системах. При проведении исследований на растяжение соответствующая нагрузка подавалась при помощи пресса «УИМ-50», а величина нагрузки определяется при помощи динамометра «ДПУ-0,1-2», установленного последовательно с измеряемой системой.
Сначала определялось максимальное значение растягивающей нагрузки, при которой система «фиксатор – кость» должна работать в упругом режиме. Для определения значения этой нагрузки система подвергалась увеличивающейся растягивающей нагрузке и разгрузке. Нагрузку увеличивали постепенно, начиная с Р=1,0 кгс, и при этом контролировали значение перемещения. Когда при снятии нагрузки наблюдалось остаточное перемещение в месте имитируемого перелома кости, система «фиксатор – кость» начинала переходить из упругого режима в режим пластичности. Нагрузка после снятия, при которой не наблюдается остаточное перемещение, в месте имитируемого перелома кости и есть максимальная нагрузка упругой работы системы «фиксатор – кость». Для данного фиксатора максимальная растягивающая нагрузка, при которой система работает в упругом режиме, составляет Р=15,0 кгс. При испытании на растяжение максимальное значение упругого перемещения системы составляло U=0,6 мм. Количество экспериментов для определения упругого режима работы системы «фиксатор – кость» составило 15 лабораторных испытаний.
После определения упругого режима работы системы были продолжены эксперименты по определению пластических характеристик фиксатора. Далее на растяжение системы «фиксатор – кость» было проведено пять серий испытаний системы. Причем каждая серия эксперимента повторялась по три раза, а при обработке результатов использованы усредненные значения испытаний. Значение растягивающей нагрузки менялось в пределах от Р=15,0 кгс до 32,0 кгс, причем нагрузка увеличивалась по Р=5,0 кгс при каждой серии эксперимента. При последнем эксперименте значение нагрузки было равно Р=32,0 кгс.
Таким образом, общее количество экспериментов, проведенных для определения упругого режима и проявления пластических свойств системы «фиксатор – кость», было равно: N=15+5х3=30 экспериментов.
По оси абсцисс проставлены значения относительного перемещения частей системы, а по ординате – значения действующих растягивающих сил на систему. Как видно из графика (рис. 2), система «фиксатор – кость» при осевом растяжении до значения нагрузки Р=15,0 кгс работает в упругом режиме, то есть без остаточных деформаций системы. При этом максимальное значение упругого перемещения составляет U=0,6 мм. При дальнейшем увеличении нагрузки в конструкции системы проявляются пластические остаточные деформации.
Например, при растягивающей нагрузке Р=20,0 кгс значение общей деформации составляет U=1,2 мм, значения остаточной деформаций – ?U=0,2 мм, а при нагрузке Р=25,0 кгс – U=1,8 мм, ?U=0,4 мм.
С увеличением растягивающей нагрузки до Р=30,0 кгс значение общей деформации составляет U=2,4 мм, а остаточной деформации – ?U=0,8 мм.
При каждой серии лабораторных испытаний растягивающую нагрузку удерживали в течение одного часа, затем ее убирали и наблюдали за процессом стабилизации значения остаточной деформации в системе фиксатора. Изменение значений относительных перемещений частей кости по времени при фиксированных значениях нагрузки и разгрузки приведены на рисунке 3. Из рисунка видно, что с увеличением значения нагрузки время стабилизации относительных перемещений увеличивается.
Также были проведены эксперименты с компрессионно-дистракционным спице-стержневым аппаратом при действии сжимающих нагрузок различной интенсивности. Был использован тот же фиксатор, что и ранее в эксперименте на растяжение.
Для проведения экспериментальных исследований на сжатие система «фиксатор – кость» была установлена на пресс последовательно с динамометром «ДОСМ» и направляющей деревянной приставкой. При помощи направляющей деревянной приставки обеспечивалась строгая вертикальность прилагаемой сжимающей нагрузки. В месте имитируемого перелома кости был установлен зазор в размере 2,0 мм, после чего приступали к испытаниям. При проведении испытаний использовали ранее использованную электроизмерительную систему регистрации.
В экспериментах на сжатие сжимающую нагрузку увеличивали постепенно для каждой серии по Р=5,0 кгс и фиксировали значения относительного перемещения костей. Максимальную сжимающую нагрузку доводили до Р=25,0 кгс. При этой нагрузке в месте имитируемого перелома кости происходило соприкосновение частей кости. Каждая серия испытаний повторялась по три раза (как и в первом варианте опытов). Количество проведенных экспериментов в этой серии: N=5х3=15 экспериментов.
На основании полученных данных и обработки результатов испытаний системы «фиксатор – кость» на сжатие построен график изменения перемещений частей кости в месте имитируемого перелома в зависимости от приложенной нагрузки (рис. 4).
Из рисунка 4 видно, что при нарастающем значении сжимающей нагрузки до Р=15,0 кгс в системе «фиксатор – кость» значения перемещений частей кости в месте имитируемого перелома прямолинейны. С увеличением нагрузки перемещение становилось криволинейным, то есть в системе проявлялись пластические свойства. Например, при увеличении сжимающей нагрузки с Р=5,0 кгс до Р=10,0 кгс значение перемещения составляет U=0,42 мм, а при увеличении сжимающей нагрузки с Р=15,0 кгс до Р=20,0 кгс – U=0,28 мм.
Выводы:
1. Разработана методика проведения экспериментальных исследований для компрессионно-дистракционного аппарата при действии растягивающих и сжимающих нагрузок различной интенсивности с применением тензометрии.
2. Разработаны конструкции и изготовлены тензометрические датчики для регистрации микроперемещений частей кости в месте имитируемого перелома при фиксации компрессионно-дистракционным аппаратом.
3. Определены зона упругой работы фиксатора и максимальное значение нагрузки, а также значения относительного перемещения частей кости в месте имитируемого перелома при действии растягивающих нагрузок.
4. Определена зона прямолинейного участка упругой работы фиксатора при действии сжимающей нагрузки и перехода в пластическую зону работы. Дальнейшее увеличение нагрузки приведет к нестабильной работе фиксирующего аппарата.
5. На основании этих данных можно констатировать, что фиксирующий аппарат работает одинаково упруго до определенного уровня как при растягивающей, так и при сжимающей нагрузке.
6. При проведении лабораторных испытаний фиксатора не учтено влияние мышц, тканей и др.
Л И Т Е Р А ТУ Р А
1. Бабалян В.А. // Зб. наук. прац.-наук.-практ. конф. з мiжнар. участю, присвяч. 25-рiччю каф. травматол. та вертеброл. Харкiвскоi мед. академii пiслядипломноi ocвiти 10–11 квiтня 2003 р. – Харкiв, 2003. – С.218–221; С.210–214.
2. Бэц Г.В., Бабалян В.А. // Ортопед. Травматол. – 1999. – №3. – С.26–29.
3. Воронкевич И.А., Кулик В.И. // Зб. наук. праць 8-зiзду ортопед-травматологв Украiни – Киiв – Донецьк, 2001. – С.149–150.
4. Голосов В.А. Внутрисуставные переломы мыщелков бедра, большеберцовой кости и межмыщелкового возвышения: Автореф. дис. канд.мед.наук. – Донецк, 1976. – 20 с.
5. Климовицкий В.Г., Рыбачук О.И., Пастернак В.Н. и. др. // Травма. – 2001. – Т.2, №4. – С.363–370.
6. Рыбачук О.И., Черныш В.Ю., Лобко А.Я., Приколота В.Д. // Вісник ортопедії, травматології та протезування. – 2001. – С.41–44.
7. Сагдиев Х., Тешабоев З.Р., Хаджанов И.Ю. // Проблема Механика. – 1997. – №3. – С.17–22.
8. Янсон Х.А. Биомеханика нижней конечности человека. – Рига, 1975. – 277 с.
9. Яременко Д.А., Шевченко Е.Г., Таршис В.Б. // Ортопед. травматол. – 1994. – С.46–47.
Медицинские новости. – 2019. – №10. – С. 63-65.
Внимание! Статья адресована врачам-специалистам. Перепечатка данной статьи или её фрагментов в Интернете без гиперссылки на первоисточник рассматривается как нарушение авторских прав.