Методы и биотехническая система оценки состояния чрескостного остеосинтеза тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат технических наук Измайлова, Заира Татархановна

• Измайлова, Заира Татархановна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Измайлова, Заира Татархановна

Введение.

Глава 1. Анализ современного состояния исследований чрескостного остеосинтеза бедренной кости и костей предплечья.

1.1. Строение и биомеханические свойства бедренной кости.

1.1.1. Строение и структура бедренной кости.

1.1.2. Строение мышц бедра.

1.1.3. Биомеханические свойства бедренной кости.

1.2. Строение и биомеханические свойства предплечья.

1.2.1. Строение костей предплечья.

1.2.2. Строение соединительнотканных структур.

1.2.3. Строение мышц предплечья.

1.3. Современного состояния исследования чрескостного остеосинтеза бедра и костей предплечья.

1.3.1. Методы лечения переломов бедренной кости и костей предплечья.

1.3.2. Проблемы современных биомеханических исследований чрескостного остеосинтеза бедренной кости и костей предплечья.

Выводы.

Глава 2. Моделирование чрескостного остеосинтеза бедренной кости и костей предплечья.

2.1. Построение содержательной модели чрескостного остеосинтеза при переломах костей предплечья.

2.2. Схематизация при построении содержательных моделей чрескостного остеосинтеза костей предплечья.

2.3. Моделирования чрескостного остеосинтеза с использованием компьютерных программ.

2.4. Моделирование чрескостного остеосинтеза при переломах бедренной кости.

2.5. Экспериментальные исследования аппаратов внешней фиксации при чрескостном остеосинтезе костей предплечья.

Выводы.

Глава 3. Исследование жесткости чрескостного остеосинтеза бедренной кости и костей предплечья.

3.1. Экспериментальные исследования жесткости чрескостного остеосинтеза костей предплечья.

3.2. Исследование чрескостного остеосинтеза предплечья при использовании компьютерных программ.

3.2.1. Исследование чрескостного остеосинтеза предплечья без учета соединительно-тканных структур.

3.2.2. Исследование чрескостного остеосинтеза предплечья с учетом соединительно-тканных структур при использовании компьютерных программ.

3.3. Исследование чрескостного остеосинтеза бедренной кости при использовании компьютерных программ.

3.3.1. Исследование чрескостного остеосинтеза бедренной кости без учета мышечных усилий.

3.3.2. Исследование чрескостного остеосинтеза бедренной кости с учетом мышечных усилий.

Глава 4. Система и методика для исследования для исследования состояния структур бедренной кости и костей предплечья при чрескостном остеосинтезе.

4.1. Методика для исследования состояния структур костей конечностей пи чрескостном остеосинтезе.

4.2. Методика для исследования состояния структур костей конечностей пи чрескостном остеосинтезе.

Основные результаты работы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и биотехническая система оценки состояния чрескостного остеосинтеза»

Актуальность темы. Переломы костей верхних и нижних конечностей являются самыми распространенными и составляют примерно 80-90 % от общего количества переломов. Огромное количество работ посвященных методам реабилитации пациентов, после перенесенных переломов, свидетельствуют об актуальности этой проблемы. В клинической практике используют различные методы реабилитации, но наибольшее распространение получил метод чрескостного остеосинтеза. Чрескостный остеосинтез - метод лечения повреждений костей и суставов, для реализации, которого используют связанные с костью внешние по отношению к поверхности кожи конструкции. Несмотря на всю универсальность метода чрескостного остеосинтеза, врачи постоянно работают над поиском новых схем фиксации костных отломков и совершенствование существующих. Большинство исследований чрескостного остеосинтеза направлены на определение жесткости фиксации костных отломков. На данный момент подробно изучены оптимальные позиции и уровни введения чрескостных элементов во избежание травмирования магистральных сосудов и нервов. Но вопрос выбора компоновок чрескостного остеосинтеза, обеспечивающих допустимые деформации регенерата до сих пор остается открытым.

Совершенствованием чрескостного остеосинтеза занимаются не только в институтах травматологии и ортопедии, но и в лабораториях с инженерным уклоном. В последние годы для этих целей активно используется компьютерное моделирование, которое является одним из эффективных методов изучения сложных биомеханических систем. Построение компьютерных моделей и последующий анализ, позволяют оценить допустимые нагрузки при чрескостном остеосинтезе бедренной кости и костей предплечья. Анализ моделей чрескостного остеосинтеза при переломах бедренной кости и костей предплечья, построенных в программе SolidWorks, позволяет оценить влияние модульной трансформации на процесс регенерации кости.

Актуальность работы обусловлена: отсутствием методов прогнозирования состояния чрескостного остеосинтеза костей предплечья и бедренной кости; существующими потребностями в системе для исследования чрескост-ного остеосинтеза бедренной кости и костей предплечья, позволяющей прогнозировать критическое состояние чрескостного остеосинтеза при различных внешних воздействиях. возможностями современных компьютерных технологий.

Цель работы: повышение эффективности прогнозирования критического состояния чрескостного остеосинтеза бедренной кости и костей предплечья при различных внешних воздействиях.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработка компьютерных моделей бедренной кости и костей предплечья, учитывающих реальные параметры и механические свойства при чрескостном остеосинтезе;

2. Создание метода исследования напряженно-деформированного состояния, возникающего при чрескостном остеосинтезе бедренной кости и костях предплечья и модульной трансформации;

3. Проведение экспериментальных исследований жесткости чрескостного остеосинтеза при использовании аппаратов внешней фиксации;

4. Разработка биотехнической системы и методического обеспечения для исследования состояния чрескостного остеосинтеза бедренной кости и костей предплечья при различных внешних воздействиях.

Методы исследования. В работе использованы методы теории механики твердого деформированного тела, методы математической статистики, методы моделирования на основе компьютерной программы SolidWorks и метод конечных элементов.

Научная новизна:

1. Разработаны компьютерные модели чрескостного остеосинтеза бедренной кости и костей предплечья для исследования напряженно-деформированного состояния при различных внешних воздействиях, позволяющие оценить его критическое состояние;

2. Создана методика исследования напряжений и перемещений при чрескостном остеосинтезе бедренной кости и костей предплечья, позволяющая строить для них компьютерные модели;

3. Разработана биотехническая система и методическое обеспечение для исследования чрескостного остеосинтеза бедренной кости и костей предплечья на основе компьютерного моделирования и анализа биологических структур по данным компьютерных томограмм.

Практическую ценность работы составляют:

1. Компьютерные модели спицевого и комбинированного чрескостного остеосинтеза бедренной кости и костей предплечья при различных внешних воздействиях;

2. Биомеханический метод исследования напряженно-деформированного состояния чрескостного остеосинтеза бедренной кости и костей предплечья;

3. Экспериментальные исследования жесткости чрескостного остеосинтеза, позволяющие оценить адекватность компьютерного моделирования;

4. Биотехническая система и методическое обеспечение для исследования состояния чрескостного остеосинтеза бедренной кости и костей предплечья при различных внешних воздействиях.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Задание геометрических параметров по клиническим данным - компьютерным томограммам отражает индивидуальные анатомические особенности пациента, что учитывается в разработанных моделях.

2. Использование биомеханического компьютерного метода исследования напряженно-деформированного состояния, возникающего при чрескост-ном остеосинтезе бедренной кости и костях предплечья и модульной трансформации, позволяет оценить их критическое состояние при различных внешних нагрузках.

3. Исследование состояния чрескостного остеосинтеза бедренной кости и костей предплечья целесообразно при использовании методического обеспечения и биотехнической системы.

Внедрение результатов. Результаты исследований, включающие компьютерные модели и алгоритм исследования напряжений и перемещений при чрескостном остеосинтезе бедренной кости и костей предплечья внедрены в клиническую практику «Российского научно-исследовательского института травматологии и ортопедии имени Р.Р.Вредена» и «Центра семейной, восстановительной и спортивной медицины «Пятый океан» и подтверждены актами о внедрении.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на 21 всероссийской и международной научной и научно-технической конференции, в том числе: 59-ая научно-техническая конференция, посвященная Дню радио (СПб-2004); XVIII всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов «Биомедсистемы - 2005» (Рязань, 2005); «Юбилейная 60-я Научно-техническая конференция, посвященная 110-летию изобретения радио» (СПб-2005); VIII всероссийская конференция по биомеханике «Биомеханика-2006» (Н.Новгород-2006); VII международная научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии - ФРЭМЭ-2006» (Владимир-2006); XIX всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов «Биомедсистемы - 2006» (Рязань, 2006); Политехнический симпозиум «Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона» (СПб- 2006); IX всероссийская конференция по биомеханике «Биомеханика-2007» (Н.Новгород-2007); Политехнический симпозиум «Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона» (СПб-2007); Всероссийская научно-практическая конференция «Клеточные и нанотехнологии в биологии и медицине» (Курган - 2007); Труды Всероссийских научных чтений «Будущее сильной России - в высоких технологиях» (СПб - 2007); IX всероссийская конференция по биомеханике «Биоме-ханика-2008» (Н.Новгород-2008); VIII международная научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии - ФРЭМЭ-2008» (Владимир, 2008); Восьмой Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике «Обозрение прикладной и промышленной математике» (Москва - 2008); Труды Всероссийских научных чтений «Будущее сильной России - в высоких технологиях» (СПб - 2008); Современные компьютерные технологии в биомеханике и медицине (СПб - 2009); «62-я Научно-техническая конференция» (СПб-2009); Третий Всероссийский форум студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах» (СПб - 2009); Рабочее совещание «БИОМЕХАНИКА-2009 (СПб - 2009); Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям (СПб - 2009); Всероссийская школа- семинар «Математическое моделирование и биомеханика в современном университете» (Ростов — на — Дону - 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, из них 9 статей, из них 3 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых научных изданиях и журналах, определенных ВАК, из них 1 статья опубликована в журнале, рекомендованном экспертным советом по электронике, измерительной технике, радиотехнике и связи, 9 работ в трудах и материалах научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 57 наименований. Основная часть работы изложена на 139 страницах машинописного текста. Работа содержит 68 рисунков и 28 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», Измайлова, Заира Татархановна

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Построены компьютерные модели, учитывающие реальную геометрию и механические характеристики структур костей предплечья бедренной кости при чрескостном остеосинтезе, позволяющие проводить исследования напряженно-деформированного состояния, возникающего в структурах при различных переломах.

3. Создан метод для исследования напряженно-деформированного состояния, чрескостного остеосинтеза костей предплечья и бедренной кости при нагрузках в продольной (компрессия-дистракция), сагиттальной (сгибание-разгибание) и фронтальной (отведение-приведение) плоскостях.

4. Проведены исследования напряженно-деформированного состояния, чрескостного остеосинтеза костей предплечья и бедренной кости при модульной трансформации.

5. Проведены экспериментальные исследования жесткости аппаратов внешней фиксации при переломах костей предплечья, позволяющие оценить адекватность компьютерного моделирования и провести сравнительный анализ жесткости спицевого и комбинированного чрескостного остеосинтеза.

6. Разработано методическое обеспечение и биотехническая система для исследования состояния чрескостного остеосинтеза костей предплечья и бедренной кости при различных переломах на основе компьютерного биомеханического моделирования и экспериментальных исследований. Разработаны предложения по составу основных компонентов, и построена обобщенная схема биотехнической системы для исследования состояния чрескостного остеосинтеза костей предплечья и бедра.

133

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Актуальность обусловлена необходимостью совершенствования методов прогнозирования состояния чрескостного остеосинтеза костей предплечья и бедренной кости, потребностями практического здравоохранения в системе для исследования состояние чрескостного остеосинтеза при различных внешних воздействиях. Поэтому цель работы - повышение эффективности прогнозирования критического состояния чрескостного остеосинтеза при различных внешних воздействиях. Для достижения поставленной цели: построены компьютерные модели, учитывающие реальную геометрию и механические характеристики костей и структур предплечья; проведены исследования напряженно-деформированного состояния, возникающего при спице-вом и комбинированном чрескостном остеосинтезе при различных переломах; проведены экспериментальные исследования жесткости спицевых и комбинированных аппаратов внешней фиксации при переломах костей предплечья; разработан биомеханический метод предоперационного прогнозирования влияния модульной трансформации, мышечных усилий и соединительнотканных структур на стабильность остеосинтеза на основе компьютерного моделирования и клинических исследований. На основе этого метода разработано информационное и методическое обеспечение системы для исследования состояния чрескостного остеосинтеза бедренной кости и костей предплечья.

Создание системы и нового методического обеспечения для исследования состояния структур костей предплечья и бедра при чрескостном остеосинтезе позволило учесть индивидуальные особенности геометрических размеров костей конкретного пациента, определить величину нагрузки, при которой происходит смещение костных отломков на 1 мм и стабильность чрескостного остеосинтеза, необходимую для консолидации перелома. Достоверность компьютерных исследований подтверждена согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Измайлова, Заира Татархановна, 2009 год

1. Практическая травматология Текст./ Л.Н. Анкин [и др.]. М.: Изд-во Книга плюс, 2002. - 110 с.

2. Анатомия человека Текст. / М.Р. Сапин [и др.]. М.: Медицина, 1996. -559 с.

3. Анатомия человека Текст.: учеб. для студ. инст. физ. культ. / В.И Козлов. М.: Физкультура и спорт, 1978.-462 с.

4. Моделирование в биомеханике Текст.: учебное пособие / П.И. Бегун [и др.]. СПб.: Изд-во «ЛЭТИ», 2000.- 472 с.

5. Атлас анатомии человека Текст.: в 3-х т. / Р. Д. Синельников. 3-е изд. - М.: «Медицина», 1967

6. A. Kapandji The Physiology of the Joints Vol. 1 Upper limb Edinburgh, etc.: Churchill Livingstone, 1982, 283p.

7. Бейдик, O.B. Остеосинтез стержневыми и спице-стержневыми аппаратами внешней фиксации Текст. /О.В. Бейдик, Т.П. Котельников, Н.В. Островский. Самара: Перспектива, 2002. - 208 с.

8. Калнберз, В.К. Компрессионно-дистракционные аппараты напряженной и жесткой систем Текст.: монография. — Рига, 1981. — 67 с.

9. Калнберз В.К. Сравнительное исследование жесткости спиц Киршнера, стержней Штейнмана и винтов Шанца в идентичных экспериментальных условиях в клинике Текст. / В.К. Калнберз, П. Студерс, М.А. Дебелис . Ортопед.,травмато л., 1988. -№ 12. - С. 16-19.

10. Волков М.В. Восстановление формы и функции суставов и костей (аппаратами авторов) Текст. / М.В. Волков, О.В. Оганесян. М.: Медицина, 1986.-256с.

11. Волков М.В. Лечение переломов и ложных суставов крупных костей с помощью репозиционного аппарата Волкова — Оганесяна Текст./ М.В. Волков, О.В. Оганесян // Хирургия. 1984. - № 1.- С. 28-33.

12. Пичхадзе, И.М. Некоторые теоретические основы остеосинтеза и их практическая реализация с использованием ЭВМ Текст./ И.М. Пичхадзе// Вест. Травматология и ортопедия им. Пирогова. 1994. - №3. — С.9 -13.

13. Шур, Л.И. Моделирование напряженного состояния костной ткани в окрестности спицы компрессионно-дистракционного аппарата Текст./ Л.И.Шур // Аппараты и методы внешней фиксации в травмат. и ортопедии: матер. II междунар. семинара.- Рига, 1985 .-С. 75-78.

14. Введенский, С.П. Классификация компрессионно-дистракционных аппаратов и некоторые технические разработки новых устройств Текст. / С.П.Введенский // Изобретательство и рационализаторство в травмат. и ортопедии. М., 1983. - С. 50 - 54.

15. Катаев, И. К выбору средств наружной чрескостной фиксации на конечностях Текст./ И.А. Катаев, Н.Н. Смелышев // Клиника и эксперимент в травматологии и ортопедии: тез. докл. юбил. науч. конф. НИИТО. — Казань, 1994.-С. 113-115.

16. Соломин, JI.H. Управляемый комбинированный остеосинтез длинных костей: Разработка, обоснование, клиническое использованиеТекст.: авто-реф. дисс. . д-ра мед. наук. Иркутск, 1996. - 40 с.

17. Соломин, Л.Н. Основы чрескостного остеосинтеза аппаратом Г.А. Илизарова Текст./ J1.H. Соломин. СПб.: «Морсар АВ», 2005. - 544 с.

18. Барабаш, А.П. Биомеханические аспекты в системах чрескостной фиксации при лечении диафизарных дефектов длинных костей Текст./ А.П.Барабаш, Ю.А. Барабаш // Вопросы травматологии и ортопедии: тез. юбил. науч.-практ. конф. Иркутск, 1996. - С. 33 - 34.

19. Барабаш, А.П. «Эсперанто» проведения чрескостных элементов при остеосинтезе аппаратом Илизарова Текст./ А.П. Барабаш, Л.Н.Соломин. -Новосибирск, 1997. 187 с.

20. Корнилов, Н.В. Применение спице-стержневых аппаратов при лечении больных с закрытыми диафизарными переломами бедренной кости Текст./ Н.В. Корнилов, В.И. Карпцов, К.А. Новоселов, Г.И. Нетылько // Вестн. хирургии. М., 1987. - № 6. - С. 155.

21. Корнилов. Н.В. Применение спице-стержневых аппаратов при лечении больных с закрытыми диафизарными переломами бедренной кости Текст./ Н.В. Корнилов, В.И. Карпцов, К.А. Новоселов, Г.И. Нетылько // Вестн. хирургии. М., 1987. - № 6. - С. 155.

22. Алямовский, А.А. SolidWork/ COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов Текст.: учеб. пособие / А.А. Алямовский. — М.:, 2004,-421с.

23. Алямовский, А.А. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике Текст.: учеб. пособие / А.А. Алямовский, А.А. Собачкин, Е.В. Одинцов и др. СПБ.: БХВ-Петербург. - 2005. - 800 с.

24. Янсон А.Х. Биомеханика нижней конечности человека Текст.: монография. Рига: Изд-во «Зинатне», 1975.-324.

25. Бегун П.И. Биомеханические основы модульной трансформации аппаратов для чрескостного остеосинтеза костей голени / Соломин JI.H., Назаров В.А., Мыкало Д.В.

26. Соломин, J1.H. Метод Унифицированного Обозначения Чрескостного остеосинтеза/JI.H. Соломин // http://www.rniito.org/solomin/index.html

27. Назаров В. А. Биомеханические основы модульной трансформации аппаратов для чрескостного остеосинтеза длинных трубчатых костей (экспериментально-клинические исследования) Текст.: автореф. дис.канд. мед. Наук/ В .А. Назаров. СПб, 2005.-24с.

28. Бейдик, О.В. Компьютерное моделирование стержневого чрескостного остеосинтеза трубчатых костей Текст./ О.В. Бейдик, В.В. Анников, К.К. Лвченко, И.А. Аристова, А.В. Спицин //Гений отртопедии.-2005.-№4.-С.57-64.

29. Ткачева, А.В. Биомеханические системы внешней фиксации при лечении переломов болыпеберцовой кости Текст.: автореф. дис. канд. физ-мат'. Наук / А.В. Ткачева. Саратов:2006.-23с.

30. Сафонова, Л.В. Биомеханическое обоснование систем чрескостного остеосинтеза при лечении переломов-и деформаций пяточной кости Текст.: автореф. дис. канд. физ-мат. Наук / Л.В. Сафонова. Саратов:2008.-24с.

31. Андрианов, М.В. Комбинированный чрескостный остеосинтез при диафизарных переломах бедренной кости и их последствиях Текст.: дис.кан. мед.наук /Андрианов Максим Васильевич. СПб., 2006.-238с.

32. Евсеев, В.И. Биомеханическое моделирование остеосинтеза Текст./ В.И. Евсеев, М.Г. Корепанов // Современные проблемы биомеханики. — Рига: «Зинатне», 1988. №5. - С. 73-93.

33. Блоха, А.Г. Математическое моделирование системы «аппарат сегмент конечности при ЧКДО» Текст./ А.Г. Блоха// Биомеханика на защите жизни и здоровья человека. - Н. Новгород, 1992. - С. 28-29.

34. Бейдик О.В. Моделирование наружного чрескостного остеосинтеза Текст./ О.В. Бейдик , К.Г. Бутовский, Н.В. Островский, В.Н. Лясников. Саратов: ООО «Тесар - издат», 2002. - 190 с.

35. Голубев Г.Ш. Компьютерное управление аппаратом Илизарова в клинических условиях Текст./ Г.Ш. Голубев. — Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 1997.-239 с.

36. Шевцов В.И. Аппарат Илизарова. Бимеханика Текст./ В.И. Шевцов,

37. B.А. Немков, Л.В. Скляр. Курган: «Периодика», 1995. - 165 с.

38. Измайлова, З.Т. Методика исследования жесткости аппаратов внешней фиксации при переломах костей предплечья Текст./ З.Т. Измайлова// Биоме-ханика-2006: тез. докл. VIII Всеросс. конф. по биомеханике. Н.Новгород: 2006. -С. 174-175.

39. Измайлова, З.Т. Компьютерная методика оценки напряженно-деформированного состояния чрескостного остеосинтеза бедренной кости Текст./ З.Т. Измайлова, П.И. Бегун // Всероссийская конференция по математике и механике. Томск, 2008.

40. Измайлова, З.Т. Биомеханический анализ состояния чрескостного остеосинтеза бедренной кости с учетом мышечных усилий Текст./ З.Т. Измайлова// Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ".- СПб., 2008. 97 с.

41. Измайлова, З.Т. Компьютерное моделирование при чрескостном остеосинтезе бедренной кости Текст./ З.Т. Измайлова // Современные компьютерные технологии в биомеханике и медицине: мат. конф Н. Новгород, 2009.

42. Измайлова, З.Т. Предоперационная диагностика модульной трансформации при чрескостном остеосинтезе бедренной кости Текст./ З.Т. Измайлова // Российский журнал Биомеханики 2009. - №2. - С. 93 - 98.

43. Измайлова, З.Т. Методика исследования состояния костей конечностей при чрескостном остеосинтезе Текст./ З.Т. Измайлова // Биомедицинская радиоэлектроника 2009. - №8. - С. 21- 25.