Способ моделирования сдвигающих нагрузок на позвоночные сегменты в эксперименте

Изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии. Сущность: готовят анатомический препарат позвоночных сегментов, состоящий из четырех или более позвонков. В позвоночные каналы двух краниальных и двух каудальных позвонков ввинчивают ригидные стержни. В тела этих же позвонков вдоль их продольной оси, параллельно введенным стержням ввинчивают через каналы, сформированные до замыкательных пластин вторых от краев препарата позвонков, ригидные стержни. Концы стержней, выстоящие из исследуемого препарата, жестко прикрепляют к Z-образным пластинам. Пластины соединяют с подвижными траверсами стенда механических испытаний, причем при соединении Z-образных пластин со стержнями добиваются такого пространственного взаиморасположения, при котором вектор дистракционного усилия тестирующей машины направлен перпендикулярно продольной оси исследуемого позвоночного сегмента в проекции межпозвоночного диска, что позволяет определять предел прочности тканей позвоночника на уровне межпозвоночного диска, а также общую прочность и показатели жесткости травмированных позвоночных сегментов в условиях металлоостеосинтеза по отношению к дислоцирующим усилиям сдвигающего характера, способ дает возможность изолированного сдвигающего воздействия на отдельный позвоночный двигательный сегмент или на несколько сегментов, в зависимости от цели исследования, позволяет моделировать сдвигающие нагрузки на позвоночные сегменты избирательно во фронтальной или сагитальной плоскостях, или в ином строго заданном направлении, исключает неконтролируемые влияния иных усилий изгибающего, компрессирующего или ротационного характера на исследуемый позвоночный двигательный сегмент во время проведения тестирующего сдвигающего воздействия. 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 костнопластических 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 не достаточно. 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. В физиологических условиях на позвоночные сегменты человека воздействуют компрессирующие, изгибающие скручивающие и сдвигающие дислоцирующие усилия. (White A., Panjabi M. Clinical biomechanics of the spine. - Philadelphia. - 1990. - 534 р.). Эти же нагрузки воздействуют на травмированный позвоночник после металлоостеосинтеза. При этом значение сдвигающих дислоцирующих воздействий на позвоночные двигательные сегменты значительно возрастает при вывихах и спондилолистезах.

Среди известных способов моделирования в эксперименте механических нагрузок на анатомические препараты позвоночных сегментов можно выделить методики статического и динамического воздействия. В большинстве случаев моделируют продольно направленные дислоцирующие воздействия на позвоночный столб компрессионного характера, реже - поперечно направленные воздействия изгибающего характера.

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

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., Колесов 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 передне-заднем направлении.

Данный способ моделирования механической нагрузки на позвоночник позволяет количественно охарактеризовать стабильность шейного отдела по отношению к передне-задним 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 передавать сдвигающую нагрузку избирательно на конкретно выбранный позвоночно-двигательный сегмент в строго заданной фронтальной или сагитальной плоскости. Это исключает возможность моделирования нагрузки на позвоночник с последующим анализом полученных результатов с позиций оценки сопротивления материалов и биомеханики.

Задачи изобретения:

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

- Обеспечить возможность моделирования сдвигающих нагрузок на позвоночные сегменты избирательно во фронтальной или сагитальной плоскостях, или в ином строго заданном направлении.

- Исключить во время проведения тестирующего сдвигающего воздействия на позвоночный двигательный сегмент неконтролируемые влияния иных усилий изгибающего, компрессирующего или ротационного характера.

- При величинах сдвигающих нагрузок, превышающих предел прочности тканей позвоночника, обеспечить возможность появления и оценки типичных смещений, повреждений позвоночных сегментов, встречающихся в реальных условиях.

Сущность способа заключается в том, что готовят анатомический препарат позвоночных сегментов, состоящий из четырех или более позвонков. В позвоночные каналы двух краниальных и двух каудальных позвонков ввинчивают ригидные стержни. В тела этих же позвонков вдоль их продольной оси, параллельно введенным стержням ввинчивают через каналы, сформированные до замыкательных пластин вторых от краев препарата позвонков, ригидные стержни. Концы стержней, выстоящие из исследуемого препарата, жестко прикрепляют к Z-образным пластинам. Пластины соединяют с подвижными траверсами стенда механических испытаний, причем при соединении Z-образных пластин со стержнями добиваются такого пространственного взаиморасположения, при котором вектор дистракционного усилия тестирующей машины направлен перпендикулярно продольной оси исследуемого позвоночного сегмента в проекции межпозвоночного диска.

Преимуществами предлагаемого способа моделирования сдвигающей нагрузки на позвоночные сегменты в эксперименте являются: 1. возможность изолированного сдвигающего воздействия на отдельный позвоночный двигательный сегмент или на несколько сегментов, в зависимости от цели исследования; 2. возможность моделирования сдвигающих нагрузок на позвоночные сегменты избирательно во фронтальной или сагитальной плоскостях, или в ином строго заданном направлении; 3. исключение во время проведения тестирующего сдвигающего воздействия на позвоночный двигательный сегмент неконтролируемых влияний иных усилий изгибающего, компрессирующего или ротационного характера; 4. при величинах сдвигающих нагрузок, превышающих предел прочности тканей позвоночника, способ обеспечивает возможность появления и оценки типичных смещений и повреждений позвоночных сегментов, встречающихся в реальных условиях.

Способ позволяет экспериментально определять предел прочности тканей позвоночника на уровне межпозвоночного диска, а также общую прочность и показатели жесткости травмированных позвоночных сегментов в условиях металлоостеосинтеза по отношению к дислоцирующим усилиям сдвигающего характера.

Способ осуществляют следующим образом. Предварительно готовят анатомический препарат позвоночных сегментов, состоящий из 4 или более позвонков. В позвоночные каналы двух краниальных и двух каудальных позвонков анатомического блока плотно ввинчивают ригидные резьбовые стержни (1, фиг.1), диаметр которых подбирают в соответствии с геометрическими размерами канала. В телах этих же позвонков вдоль их продольной оси, параллельно введенным ранее ригидным стержням, сверлом делают канал, проходящий через межпозвоночный диск. Этот канал, проходя через тело второго от края препарата позвонка, слепо заканчивается у замыкательной пластины, не перфорируя ее. После этого в тела двух краниальных и двух каудальных позвонков через сформированные каналы плотно ввинчивают вторую пару ригидных резьбовых стержней соответствующего диаметра (2, фиг.1). Концы стержней, выстоящие из исследуемого препарата, жестко прикрепляют к металлическим Z-образным пластинам (3, фиг.2) через отверстия с помощью гаек (4, фиг.2). Пластины в свою очередь соединяют с подвижными траверсами стенда механических испытаний (5, фиг.2). При соединении Z-образных пластин с резьбовыми стержнями, введенными в позвонки, добиваются такого пространственного взаиморасположения, при котором вектор дистракционного усилия тестирующей машины направлен строго перпендикулярно продольной оси исследуемого позвоночного сегмента в проекции межпозвоночного диска (см. фиг.2). За счет такого расположения исследуемого препарата между траверсами тестирующей машины дистракционное усилие на Z-образные пластины преобразуется в сдвигающее воздействие на исследуемый позвоночный сегмент на уровне межпозвоночного диска.

В зависимости от поставленной задачи сдвигающая нагрузка может передаваться на отдельный позвоночный сегмент или группу сегментов в сагитальной или фронтальной плоскости, или в другом строго заданном направлении. Для проведения исследований на одном позвоночном двигательном сегменте препарат должен состоять из четырех позвонков с полностью сохраненными дисками и связочными структурами, так как для осуществления сдвигающего воздействия должны захватываться по два каудальных и краниальных от диска тестируемого сегмента позвонка (см. фиг.2). Если планируется тестирование двух смежных позвоночных сегментов, используемый препарат соответственно должен быть увеличен на один сегмент и состоять из пяти позвонков. Направление вектора сдвигающего дислоцирующего усилия в сагитальной или фронтальной плоскости исследуемого препарата позвоночника задается положением, в котором закрепляют резьбовые стержни (1 и 2) и исследуемый препарат к Z-образным пластинам.

Исследования могут проводиться на нетравмированных позвоночных сегментах (см. фиг.2), или на препаратах позвоночника после имитации нестабильных повреждений и осуществления металлоостеосинтеза (см. фиг.3). В последнем случае до осуществления исследования на анатомическом препарате предварительно с помощью остеотома производят разрушение соответствующих участков позвоночных сегментов и металлоостеосинтез каким-либо фиксатором.

Перед началом испытаний регистрируют исходный вид анатомического блока позвоночных сегментов со всеми необходимыми характеристиками и рентгенографией в стандартных проекциях. За счет движения подвижной траверсы стенда механических испытаний постепенно возрастает усилие сдвигающего характера на исследуемый позвоночный сегмент. По мере нарастания нагрузки, которую регистрируют измерительным прибором испытательного стенда, измеряют величину прогрессирующей деформации исследуемого препарата. Разрушением препарата считают резкое снижение сопротивления дальнейшему сдвигающему воздействию, которое определяют по данным измерительного прибора и визуального контроля. После разрушения препарат извлекают для морфометрии и рентгенографии в стандартных проекциях. Все полученные данные заносят в протокол эксперимента для последующего анализа.

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

Для испытаний использовались анатомические препараты блоков позвоночных сегментов Т₁₁-L₂, 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 5 опытов, в которых в анатомических блоках T₁₁-L₂ имитировали разрушение межпозвоночного диска и суставов сегмента T₁₂-L₁ и моносегментарный остеосинтез T₁₂-L₁ транспедикулярной спинальной системой «Синтез», состоящей из 4-х винтов (аналогично схеме на фиг.3).

Производили моделирование постепенно нарастающей сдвигающей нагрузки, действующей в сагитальной плоскости на сегмент T₁₂-L₁, провоцирующей передний вывих T₁₂. При этом измеряли деформацию, возникающую в исследуемом блоке до его разрушения.

Пример использования: На анатомическом препарате позвоночника, включающем четыре позвонка Т₁₁-L₂, три межпозвоночных диска и полностью сохраненные связочные структуры с помощью долота было произведено разрушение диска и межпозвоночных суставов Т₁₂-L₁. Произведен моносегментарный металлоостеосинтез позвоночника Т₁₂-L₁ транспедикулярной спинальной системой, состоящей из 4-х винтов, диаметром 6 мм с длиной резьбовой части 50 мм. Винты были введены через корни дуг в тела Т₁₂ и L₁ и соединены двумя продольными стержнями длиной 40 мм и диаметром 6 мм (см. фиг.3). При этом межтеловой диастаз в сегменте Т₁₂-L₁ был равен нормальному вертикальному размеру межпозвоночного диска.

В позвоночный канал T₁₁-T₁₂ и L₁,-L₂ плотно ввинтили ригидные резьбовые стержни, имеющие диаметр в соответствии с просветом каната. В телах T₁₁-T₁₂ и L₁,-L₂ параллельно продольной оси позвоночника через межпозвоночный диски, находящиеся между указанными позвонками, сформировали каналы диаметром 15 мм. При этом каналы достигали замыкательных пластин, прилежащих к разрушенному межпозвоночному диску Т₁₂-L₁, не перфорируя их. В каналы плотно ввинтили ригидные резьбовые стержни диаметром 15 мм. Концы резьбовых стержней, введенных в позвоночный канал и в тела T₁₁, T₁₂ и L₁, L₂, выстоящие из исследуемого препарата, прикрепили попарно к двум металлическим Z-образным пластинам через отверстия с помощью гаек. Пластины в свою очередь соединили с траверсами стенда механических испытаний ЗИМ Р-10. При соединении Z-образных пластин с резьбовыми стержнями, введенными в позвонки, добились такого пространственного взаиморасположения, при котором вектор дистракционного усилия тестирующей машины направлен строго перпендикулярно продольной оси исследуемого позвоночного сегмента в проекции межпозвоночного диска Т₁₂-L₁.

Исследования проводились в лаборатории кафедры сопротивления материалов Краснодарского государственного технологического университета. Перед началом испытаний регистрировали исходный вид анатомического блока позвоночных сегментов со всеми необходимыми характеристиками и рентгенографией в двух стандартных проекциях. Приводили в движение подвижную траверсу стенда механических испытаний, в результате чего на исследуемый позвоночный сегмент воздействовало постепенно нарастающее дислоцирующее усилие сдвигающего характера. По мере нарастания нагрузки, которую регистрировали измерительным прибором испытательного стенда, измеряли величину нарастающей деформации сдвига исследуемого препарата вплоть до момента разрушения. Разрушением препарата считали резкое снижение сопротивления дальнейшему тестирующему воздействию, которое определяли по данным измерительного прибора и визуального контроля. После этого нагрузку на препарат прекращали. Препарат извлекали из стенда механических испытаний, проводили его морфометрию и рентгенографию в стандартных проекциях. Все полученные данные заносили в протокол исследования для последующего анализа.

Способ моделирования сдвигающих нагрузок на позвоночные сегменты в эксперименте, отличающийся тем, что готовят анатомический препарат позвоночных сегментов из 4 или более позвонков, в позвоночные каналы двух краниальных и двух каудальных позвонков ввинчивают ригидные стержни, в тела этих же позвонков вдоль их продольной оси параллельно введенным стержням ввинчивают через каналы, сформированные до замыкательных пластин вторых от краев препарата позвонков, ригидные стержни, концы стержней, выстоящие из исследуемого препарата, жестко прикрепляют к Z-образным пластинам, пластины соединяют с подвижными траверсами стенда механических испытаний, причем при соединении Z-образных пластин с стержнями добиваются такого пространственного взаиморасположения, при котором вектор дистракционного усилия тестирующей машины направлен перпендикулярно продольной оси исследуемого позвоночного сегмента в проекции межпозвоночного диска.