Способ моделирования изгибающих нагрузок на позвоночные сегменты в эксперименте

 

Изобретение относится к медицине, а именно к экспериментальному моделированию повреждений. Сущность: в анатомический препарат, состоящий из двух выше- и нижележащих от поврежденного позвонков с дисками и связочным аппаратом, вводят вдоль продольной оси попарно ригидные резьбовые стержни, осуществляют давление на середину тестируемого сегмента, расположенного по центру между точками опоры стержней, что позволяет выявлять смещение, переломовывихи и другие повреждения позвоночника. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии, и может быть использовано для экспериментального изучения механической прочности анатомических препаратов грудного и поясничного отделов позвоночника в условиях остеосинтеза различными металлоконструкциями после имитации повреждений и костно-пластических операций, а также без фиксации и имитации повреждений.

Переломы позвоночника составляют от 3,2 до 17% от всех переломов костей (С.М.Журавлев и др., 1996; Н.Г.Фомичев и др., 1994; В.М.Синицин и др., 1997). В структуре первичной инвалидности от скелетных травм повреждения позвоночника составляют до 20,6% (К.И.Шапиро и др., 1991). При этом 29,8% случаев инвалидизации приходится на долю переломов и вывихов без неврологической симптоматики и 70,2% - на травмы позвоночника с повреждением спинного мозга и его образований (Н.В.Корнилов, В.Д.Усиков, 2000).

В последнее десятилетие отмечается широкое внедрение в клиническую практику различных устройств для металлофиксации позвоночника. В отечественной и зарубежной литературе имеется значительное количество публикаций, отражающих опыт применения таких конструкций и результаты лечения больных. Тем не менее, для сравнительной оценки эффективности того или иного фиксатора необходимо знать, насколько стабилен остеосинтез, выполняемый с его помощью. Этот вопрос в специальной медицинской литературе отражен недостаточно. Отсутствие объективной информации о фиксационных характеристиках конструкций, применяемых для остеосинтеза позвоночника, во многом объясняется несовершенством способов экспериментального моделирования механических нагрузок, действующих на позвоночник человека. В связи с этим возникают затруднения при проведении экспериментально-технических исследований прочностных свойств позвоночных сегментов как в свободном их состоянии, так и в условиях металлоостеосинтеза при повреждениях. Известно, что основными видами физиологических нагрузок, воздействующих на позвоночник, являются вертикальное сдавление, разноплоскостные изгибы и скручивание (White A., Panjabi M. Clinical biomechanics of the spine. - Philadelphia. - 1990, - 534 р.). Эти же нагрузки воздействуют на травмированный позвоночник после металлоостеосинтеза. Изгибающие нагрузки имеют поперечно направленное по отношению к оси позвоночного столба направление вектора дислоцирующего усилия.

Известен способ моделирования механических нагрузок на позвоночник, описанный С.Т.Ветрилэ, для исследования в эксперименте остаточной стабильности верхнешейного отдела по отношению к поперечно направленным дислоцирующим усилиям при некоторых типичных повреждениях (Ветрилэ С.Т., Колосов С.В., Гаврюшенко Н.С.// Вестник травматологии и ортопедии имени Н.Н.Приорова. - 2002. - №1. - С.25-29). Исследования проводились на анатомических препаратах краниовертебральных блоков. Моделирование механических нагрузок на позвоночник осуществляют в машине Zwick (Германия). Для фиксации анатомических блоков в машине через основание черепа и нижнешейные позвонки проводят крестообразно спицы, которые закрепляют в кольцах аппарата Илизарова. Нагрузку на шейный отдел позвоночника передают непосредственно с подвижной траверсы машины в переднезаднем направлении.

Данный способ моделирования механической нагрузки на позвоночник позволяет количественно охарактеризовать стабильность шейного отдела по отношению к переднезадним дислоцирующим усилиям сдвигающе-изгибающего характера и зафиксировать возникающие при этом характерные смещения структурных элементов исследуемого отдела позвоночника.

Недостатком способа является передача усилия с подвижной траверсы тестирующей машины непосредственно на препарат шейного отдела позвоночника без каких-либо устройств, обеспечивающих избирательный захват отдельных позвонков. Фиксация крайних костных элементов исследуемого блока перекрещивающимися спицами, закрепленными в кольцах аппарата Илизарова, имеет вспомогательный характер и не обеспечивает возможность раздельно моделировать поперечно направленные дислоцирующие нагрузки изгибающего или сдвигающего характера. Способ не позволяет изолированно передавать на препарат позвоночных сегментов изгибающую нагрузку в строго заданной фронтальной или сагиттальной плоскости, так как само воздействие тестирующей машины в данном случае не имеет характеристик изгибающего усилия, измеряемого в системе СИ в ньютонометрах (Н·м). Это исключает возможность моделирования нагрузки на позвоночник с последующим анализом полученных результатов с позиций сопромата и биомеханики.

Известен также способ испытания на излом тканей экспериментальных животных и человека на испытательном стенде стационарном (ИСС 500), описанный В.Д.Сикилинда (Сикилинда В.Д., Плоткин Г.Л., Алабут А.В., Тимошенко М.Е. и др. Биомеханические исследования небиологических объектов, тканей экспериментальных животных и человека на ИСС-500 и МИПС-150. - Методические рекомендации. - Ростов на Дону - Санкт-Петербург. - 2002. - 32 с.). Изгибающую нагрузку на анатомический препарат в данном случае моделируют по схеме трехточечного изгиба. Для проведения испытаний костный образец располагают на двух точках опоры, которыми являются подставки, помещенные на неподвижной площадке испытательного стенда. Расстояние между подставками устанавливают в соответствии с размерами объекта. Для этого подставки передвигают по площадке и после выбора необходимого положения закрепляют их винтами. В верхнем фиксаторе винтового пресса устанавливают опорный нож. Перед началом испытаний регистрируют вид объекта со всеми необходимыми характеристиками. Испытание образца на излом производят постепенным вращением винта пресса, в результате чего опорный нож оказывает давление на исследуемый костный образец между точками опоры. При этом непрерывно снимают показания измерительного прибора ИСС-500 и заносятся в журнал регистрации. Одновременно измеряют величину прогиба исследуемого образца в точке, отмеченной как середина образца и центр площадки давления опорного ножа. За начальное повреждение образца принимают нарушение целостности костных балок, а за разрушение образца - резкое снижение сопротивления образца дальнейшему воздействию опорного ножа, которое определяют по данным измерительного прибора и визуального контроля.

Данный способ позволяет исследовать прочность и показатели жесткости твердых биологических объектов по отношению к изгибающим нагрузкам, измеренным в единицах системы СИ (Н·м). Преимущества способа заключаются в его относительной простоте и в возможности избирательного изгибающего воздействия на препарат в заданном направлении, а также в достаточно высокой точности.

Недостатком способа является невозможность исследования указанных механических характеристик в отдельно взятой изолированной части биологического объекта. При проведении исследования изгибающему воздействию подвергают весь тестируемый объект, а не какую-либо отдельно взятую его часть. Для изучения прочности и показателей жесткости при изгибе локальной части анатомического препарата можно уменьшить длину исследуемого образца, уменьшив расстояние между точками опоры. Однако при этом к изгибающим усилиям будут добавляться нагрузки сдвигающе-срезающего характера. Их роль в деформации тестируемого образца будет значительно возрастать при уменьшении длины последнего. Если длина исследуемого объекта будет сопоставима с его поперечными размерами, то усилия тестирующей машины в большей мере будут направлены на появление деформации сдвига, а не на изгиб.

Позвоночный столб состоит из подвижных по отношению друг к другу элементов - позвоночных двигательных сегментов (ПДС). Мобильность позвоночника и его поперечные размеры в сагиттальной и фронтальной плоскостях различны. Вертикальный размер отдельно взятого ПДС, т.е. его длина, сопоставим с поперечными размерами, и даже меньше сагиттального, в связи с чем корректно моделировать изгибающую нагрузку на позвоночные сегменты вышеуказанным способом невозможно. Увеличение длинны тестируемого анатомического препарата за счет увеличения количества позвонков также не позволит корректно моделировать изгибающую нагрузку на отдельные позвоночные сегменты, так как при этом изгибающее усилие будет передаваться на исследуемый ПДС через несколько подвижных межпозвоночных сочленений.

Характеристики самого тестирующего воздействия в этом случае будут неконтролируемы.

В специальной литературе мы не нашли публикаций, посвященных изучению устойчивости позвоночника к изгибающим нагрузкам, что, на наш взгляд, связано с отсутствием адекватного способа моделирования данных нагрузок на позвоночные сегменты в эксперименте.

Задачи изобретения

- Обеспечить возможность изолированного изгибающего воздействия на отдельный позвоночный двигательный сегмент или на несколько сегментов, в зависимости от цели исследования.

- Обеспечить возможность моделирования изгибающих нагрузок на позвоночные сегменты избирательно во фронтальной или сагиттальной плоскостях или в ином строго заданном направлении.

- Максимально приблизить в эксперименте механические условия, в которых находятся позвоночные сегменты при статической изгибающей нагрузке, к условиям, существующим прижизненно.

- При величинах изгибающих нагрузок, превышающих предел прочности тканей позвоночника, обеспечить возможность появления типичных смещений, переломовывихов и других существующих в реальных условиях повреждений позвоночных сегментов.

Сущность способа заключается в том, что перед проведением тестирующей изгибающей нагрузки на исследуемый отдел позвоночника два каудальных и два краниальных позвонка исследуемого анатомического препарата захватывают путем введения в их тела попарно вдоль продольной оси ригидных резьбовых стержней. Концы стержней, выстоящие из исследуемого препарата, используют как рычаги для передачи изгибающего момента на тестируемые позвоночные сегменты. Благодаря этому изгибающая нагрузка тестирующей машины может передаваться на отдельный позвоночный сегмент или группу сегментов в соответствии с поставленной задачей в сагиттальной или фронтальной плоскости или в другом строго заданном направлении.

При разработке способа моделирования изгибающих нагрузок в эксперименте мы исходили из того, что в прижизненных условиях изгибающее усилие передается на любой позвоночный сегмент через смежные выше- и нижележащие позвонки, межпозвоночные диски и связки. Сегмент, воспринимающий изгибающую нагрузку, фиксирован нижележащим диском и связочным аппаратом к нижележащему позвонку, а изгибающий момент передается через вышележащий диск и связки. При возникновении деформации изгиба позвоночного сегмента соседние позвонки и смежные межпозвоночные диски, передающие нагрузку, адекватно смещаются, меняя свое пространственное положение в соответствии с возникающими деформациями, наклоняясь в соответствующую сторону. Диски под действием изгибающего усилия упруго деформируются.

Для приближения условий эксперимента к биомеханическим условиям, существующим прижизненно, изгибающее усилие на позвоночные сегменты должно передаваться через те же анатомические структуры.

Способ осуществляют следующим образом. Предварительно готовят анатомический препарат блока позвоночных сегментов, который будет подвергнут механическому тестированию. В препарате, кроме исследуемого участка позвоночника, должны сохранятся по два выше- и нижележащих позвонка с неповрежденными дисками и связочными структурами. В телах указанных позвонков вдоль продольной оси позвоночника, через межпозвоночный диск, находящийся между ними, формируют по два параллельных канала диаметром 10 мм (см. фиг. 1, А). При этом каналы достигают замыкательной пластины, прилежащей к смежному от исследуемого сегмента диску, не перфорируя ее. В каналы плотно ввинчивают ригидные резьбовые стержни соответствующего диаметра, длиной 250 мм (см. фиг. 1, Б). Расположение каналов в исследуемом анатомическом препарате позвоночника задают в соответствии с поставленной задачей. При изучении показателей жесткости ПДС к изгибающим нагрузкам, ориентированным в сагиттальной плоскости, каналы в телах позвонков и введенные в них стержни располагают по отношению друг к другу во фронтальной плоскости. При моделировании изгибающих нагрузок во фронтальной плоскости стержни вводят через каналы, сформированные по отношению друг к другу в сагиттальной плоскости, т.е. в плоскости, перпендикулярной вектору действующего усилия. Общая длинна подготовленного для механического тестирования образца, при исследовании грудопоясничных сегментов, составляет 565-620 мм.

Моделирование изгибающей нагрузки на позвоночные сегменты в эксперименте предлагаемым способом проводят по схеме трехточечного изгиба. Для моделирования изгибающей нагрузки подготовленный образец располагают на двух точках опоры, помещенных на неподвижной площадке стенда механических испытаний (см. фиг. 2, А). Расстояние между точками опоры, которыми являются подставки стенда, устанавливают в соответствии с размерами объекта. На подставках располагают концы ригидных резьбовых стержней, выстоящих наружу из тел позвонков таким образом, что сам анатомический препарат позвоночника оказывается в “подвешенном” состоянии между точками опоры. При этом на каждой подставке находятся по два стержня, что исключает возможность самопроизвольного изменения первоначальной пространственной ориентации тестируемого анатомического препарата. В верхней подвижной траверсе стенда механических испытаний устанавливают опорный нож. Перед началом испытаний регистрируют исходный вид анатомического блока позвоночных сегментов со всеми необходимыми характеристиками. За счет движения подвижной траверсы стенда опорный нож оказывает давление на исследуемый анатомический препарат в точке, отмеченной как середина тестируемого позвоночного сегмента, расположенного по центру между точками опоры (см. фиг. 2, Б). Для индикации деформации изгиба в исследуемом ПДС в тела образующих его позвонков в плоскости прилагаемой нагрузки, перпендикулярно оси позвоночника, вводят спицы Киршнера, изменение положения которых фиксируют угломером. По мере нарастания нагрузки, которую регистрируют измерительным прибором испытательного стенда, измеряют величину прогиба исследуемого препарата в точке, соответствующей центру площадки давления опорного ножа. Разрушением препарата считают резкое снижение сопротивления дальнейшему воздействию опорного ножа, которое определяют по данным измерительного прибора и визуального контроля.

При моделировании изгибающей нагрузки на позвоночные сегменты в эксперименте предлагаемым способом для изучения показателей жесткости и прочности одного изолированного сегмента анатомический препарат должен состоять из 6 позвонков с 5 межпозвоночными дисками и сохраненными связочными структурами. При изучении свойств двух смежных сегментов размер необходимого препарата позвоночника соответственно увеличивается до 7 позвонков. По два крайних позвонка анатомического блока будут зафиксированы ригидными резьбовыми стержнями, проведенными через их тела вдоль продольной оси позвоночника. За счет этого крайние сегменты анатомического блока не будут деформированы при тестирующих нагрузках. Деформации изгиба подвергнутся лишь изолированные ПДС, находящиеся в середине препарата. Точками опоры для них будут являться смежные интактные межпозвоночные диски, полностью сохранившие естественный биологический контакт с прилежащими позвонками, способность упруго деформироваться и менять свое пространственное положение под действием изгибающей нагрузки. Т.е. изгибающий момент за счет воздействия опорного ножа стенда механических испытаний передается на исследуемый позвоночный сегмент через смежные интактные межпозвоночные диски и сохраненный связочный аппарат, что приближает условия эксперимента к существующим прижизненно. Плечо изгибающего момента, действующего на изолированные позвоночные сегменты, соответствует длине ригидных резьбовых стержней, которая значительно больше вертикального и поперечного размеров позвонков. Благодаря этому воздействие подвижной траверсы стенда механических испытаний на изолированные позвоночные сегменты будет провоцировать изгибающее дислоцирующее усилие, а нагрузки сдвигающе-срезающего характера будут нивелированы.

Преимуществами предлагаемого способа моделирования изгибающей нагрузки на позвоночные сегменты в эксперименте являются: 1) возможность изолированного изгибающего воздействия на отдельный позвоночный двигательный сегмент или на несколько сегментов, в зависимости от цели исследования; 2) возможность моделирования изгибающих нагрузок на позвоночные сегменты избирательно во фронтальной или сагиттальной плоскостях, или в любом другом строго заданном направлении; 3) максимальное приближение механических условий, в которых находятся позвоночные сегменты при статической изгибающей нагрузке в эксперименте к условиям, существующим прижизненно; 4) при величинах изгибающих нагрузок, превышающих предел прочности тканей позвоночника, способ обеспечивает возможность появления типичных смещений, переломовывихов и других существующих в реальных условиях повреждений позвоночника.

Предлагаемый способ апробирован нами при проведении серии экспериментальных исследований жесткости остеосинтеза позвоночника транспедикулярной спинальной системой “Синтез”.

Для испытаний использовались анатомические препараты блоков позвоночных сегментов Th₉-L₃, извлекаемые на секции у лиц 20-55 летнего возраста в сроки до 24 часов после смерти. Заболевания, явившиеся причиной смерти в указанной группе, не оказывали влияния на структуру тканей позвоночника. Серия экспериментов включала 8 опытов, в которых имитировали разрушение передней и средней опорных остеолигаментарных колон на уровне Th₁₂ и остеосинтез Th₁₁-L₁ транспедикулярной спинальной системой “Синтез”.

Производили моделирование постепенно нарастающей изгибающей нагрузки, действующей в сагиттальной или фронтальной плоскости на позвоночные сегменты Th₁₁-L₁, находящиеся в условиях транспедикулярного остеосинтеза (аналогично схеме на фиг. 3.). При этом измеряли все деформации, возникающие в исследуемом блоке до его разрушения.

Пример

На анатомическом препарате позвоночника, включающем семь позвонков (Th₉-L₃), шесть межпозвоночных дисков и полностью сохраненные связочные структуры, с помощью долота было произведено разрушение краниальной части тела Th₁₂ до 70% его вертикального размера. Задняя остеолигаментарная колонна была полностью сохранена. Произведен остеосинтез позвоночных сегментов транспедикулярной спинальной системой “Синтез”, состоящей из 4-х винтов, диаметром 6 мм с длиной резьбовой части 50 мм. Винты введены через корни дуг в тела Th₁₁ и L₁ и соединены двумя несущими штангами длинной 90 мм и диаметром 6 мм (см. фиг. 3).

В телах Th₉-Th₁₀ и L₂-L₃ вдоль продольной оси позвоночника, через межпозвоночные диски, находящиеся между указанными позвонками, сформировали по два параллельных канала диаметром 10 мм. При этом каналы достигали замыкательных пластин, прилежащих к смежным от исследуемых сегментов Th₁₁-L₁ дискам, не перфорируя их. В каналы плотно ввинтили ригидные резьбовые стержни длиной 250 мм. Каналы и установленные в них стержни в исследуемом анатомическом препарате позвоночника располагали по отношению друг к другу во фронтальной плоскости, так как предполагалось моделирование изгибающей нагрузки на сегменты Th₁₁-L₁ с сагиттально направленным вектором дислоцирующего усилия.

Подготовленный образец расположили на двух точках опоры, помещенных на неподвижной площадке стенда механических испытаний. Расстояние между точками опоры, которыми являлись подставки стенда, установили в соответствии с размерами объекта. На подставках расположили концы ригидных резьбовых стержней, выстоящих наружу из тел позвонков Th₉-Th₁₀ и L₂-L₃. В верхней подвижной траверсе стенда механических испытаний установили опорный нож. Перед началом испытаний зарегистрировали исходный вид анатомического блока позвоночных сегментов со всеми необходимыми характеристиками и рентгенографией в двух стандартных проекциях. Привели в движение подвижную траверсу стенда, за счет чего опорный нож начал оказывать давление на исследуемый анатомический препарат в точке, отмеченной как середина тестируемого позвоночного сегмента. Для индикации деформации изгиба в исследуемых ПДС в тела образующих его позвонков в плоскости прилагаемой нагрузки были предварительно введены спицы Киршнера, изменение положения которых фиксировали угломером.

По мере нарастания нагрузки, которую регистрировали измерительным прибором испытательного стенда, измеряли величину прогиба исследуемого препарата в точке, соответствующей центру площадки давления опорного ножа. Разрушением препарата считали резкое снижение сопротивления дальнейшему воздействию опорного ножа, которое определяли по данным измерительного прибора и визуального контроля. После этого нагрузка на препарат была прекращена. Он был извлечен из стенда механических испытаний, проведена его морфометрия и рентгенография в стандартных проекциях. Все полученные данные были занесены в протокол исследования для последующего анализа.

Формула изобретения

Способ моделирования изгибающих нагрузок на позвоночные сегменты в эксперименте, отличающийся тем, что готовят анатомический препарат, состоящий из исследуемого участка позвоночника, двух выше- и нижележащих позвонков с неповрежденными дисками и связочными структурами, в тела каудально и краниально расположенных позвонков от исследуемого сегмента вводят вдоль продольной оси анатомического препарата попарно ригидные резьбовые стержни, осуществляют давление на середину тестируемого позвоночного сегмента, расположенного по центру между точками опоры стержней.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3