УДК 612.76

БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КОСВЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ КОНТАКТНОГО ДАВЛЕНИЯ КОСТНЫХ ОТЛОМКОВ ПРИ ЛЕЧЕНИИ ПЕРЕЛОМОВ ГОЛЕНИ

Колесников Геннадий Николаевич1, Мельцер Рудольф Ионтелевич2, Тихомиров Александр Андреевич3
1Петрозаводский государственный университет, д.т.н., профессор
2Петрозаводский государственный университет, д.м.н., профессор
3Петрозаводский государственный университет, к.ф.-м.н., доцент

Аннотация
Рассмотрены биомеханические аспекты численного моделирования контактного взаимодействия костных отломков при лечении переломов голени. Моделирование выполняется с целью мониторинга и ограничения нагрузки на фрагменты костей при лечении переломов. Предложено устройство для мониторинга нагрузки на фрагменты костей при лечении переломов. Данное устройство может использоваться в целях профилактики послеоперационных осложнений при лечении пациентов с переломами трубчатых костей голени.

Ключевые слова: контактное взаимодействие отломков, мониторинг, ограничение нагрузки, переломы голени, численное моделирование


BIOMECHANICAL ASPECTS OF INDIRECT MEASUREMENTS OF THE CONTACT PRESSURE OF THE BONE FRAGMENTS IN THE TREATMENT OF TIBIA FRACTURES

Kolesnikov Gennadiy Nikolaevich1, Meltser Rudolf Iontelevich2, Tihomirov Aleksandr Andreevich3
1Petrozavodsk State University, Professor
2Petrozavodsk State University, Professor
3Petrozavodsk State University, Ph.D., Associate Professor

Abstract
Biomechanical aspects of numerical simulation of contact interaction of fragments in the treatment of tibial fractures are discussed. Simulation is performed to monitor and load limit on the bone fragments at the fracture healing. A device for monitoring of load on the bone fragments in process the fracture healing is proposed. This device can be used for the prevention of postoperative complications in patients with fractures of the tubular bones of the lower leg.

Keywords: contact interaction of bone fragments, load limit, monitoring, numerical modeling, tibial fractures


Рубрика: 14.00.00 МЕДИЦИНСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Колесников Г.Н., Мельцер Р.И., Тихомиров А.А. Биомеханические аспекты косвенных измерений контактного давления костных отломков при лечении переломов голени // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 6. Ч. 3 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/06/36151 (дата обращения: 02.06.2017).

Введение. В послеоперационном периоде при оперативном лечении переломов голени в целях активизации восстановительных процессов заживления перелома необходима ранняя ограниченная по величине и продолжительности нагрузка на травмированную конечность. По мере заживления перелома нагрузку можно постепенно увеличивать. Однако, если нагрузка на конечность, а значит и на травмированную кость как на передаточное для нагрузки звено, окажется избыточно большой, то костный регенерат, образующийся в области контакта отломков травмированной кости будет подвержен частичному или полному механическому разрушению. Такое разрушение является причиной осложнений, увеличивает продолжительность лечения и снижает его качество [1, 18, 21].

Клиническая практика показывает, что появляющаяся при повседневных движениях пациента нагрузка на травмированную конечность, неизбежно передаваемая путем механического контактного взаимодействия с одного костного отломка на другой, должна находиться в интервале, рекомендованном лечащим врачом. Это особенно важно на ранних стадиях заживления перелома [18, стр. 88]. Поэтому необходим постоянный контроль величины нагрузки на фрагменты костей в процессе лечения переломов.

Материалы и методы. Прямые измерения взаимного давления костных отломков в данном случае технически невозможны. Поэтому необходимы устройства, в которых реализовано косвенное измерение указанной выше силы. При косвенных измерениях искомая величина непосредственно не измеряется, а вычисляется по результатам измерений других связанных с ней величин. Например, зная нагрузку на голеностопный сустав можно определить силы контактного взаимодействия костных отломков с учетом особенностей методики остеосинтеза.

В свою очередь, для определения нагрузки на голеностопный сустав травмированной конечности могут быть использованы данные о контактном взаимодействии стопы пациента и опорной поверхности. Существует ряд методик и устройств для исследования контактного взаимодействия стопы и опорной поверхности [http://www.diaserv.ru/scan.html; https://www.uni-due.de/~qpd800/ и др.]. Таким образом, данные о давлении по стопе, являясь результатом прямых измерений, могут быть использованы в качестве исходных данных для моделирования контактного взаимодействия костных отломков как друг с другом, так и с элементами фиксирующих устройств [11, 12, 19, 20].

Результаты и обсуждение. Необходимость ограничения сил контактного взаимодействия костных отломков в процессе заживления перелома обосновывается с учетом биомеханических аспектов регенерации костной ткани, физиологических и клинических аспектов [1–20]. С учетом этих данных, а также социальной значимости затронутой проблемы был разработан вариант устройства для мониторинга нагрузки на фрагменты костей голени в процессе лечения переломов [19].

В предлагаемом устройстве технический результат выражается в улучшении результатов лечения и в профилактике осложнений, для достижения чего в устройстве используются блок цифрового преобразования величины давления по опорной поверхности стопы в величину взаимного давления отломков травмированной кости, а также и аудиовизуальная информация, передаваемая пациенту в виде  звуковых и световых сигналов. Указанный результат достигается тем, что устройство снабжено электронным блоком преобразования величины давления по опорной поверхности стопы в величину взаимного механического давления костных отломков травмированной конечности. Реализация предлагаемого устройства осуществлена с применением микроэлектронных компонентов.

Например, если в начальной стадии послеоперационного лечения перелома нагрузка на травмированную конечность при осторожной ходьбе с дополнительной опорой не должна превышать 10 % от веса пациента, то данное значение устанавливается (программируется) в предлагаем устройстве в качестве предельного. По мере приближения нагрузки к предельному значению, а также при его достижении пациенту выдаётся в аудиовизуальном виде соответствующая предостерегающая информация. Кроме того, названные выше результаты прямых и косвенных измерений по беспроводному каналу передаются в запоминающее устройство для дальнейшей обработки и обоснования рекомендаций по улучшению результатов лечения переломов с учетом индивидуальных особенностей пациента [10, 11].

Заключение. Доклинические испытания рассмотренного устройства выполнены в Больнице скорой медицинской помощи (г. Петрозаводск) [http://www.petrsu.ru/news.html?action=single&id=12015]. Подтверждено, что применение телекоммуникационных технологий и современных датчиков давления по площади контакта стопы с основанием позволяет с использованием методов численного моделирования биомеханических систем обеспечить дополнительные возможности в профилактике послеоперационных осложнений при лечении переломов голени.


Библиографический список
  1. Akulich Y.V., Podgaets R.M., Sotin A.V. the calculation of loads acting on the femur during normal human walking // Russian Journal of Biomechanics. 2000. Т. 4. № 1. С. 49.
  2. Акулич Ю.В. Мматематическая модель процесса внутренней адаптационной перестройки спонгиозной и кортикальной костных тканей человека // Механика композиционных материалов и конструкций. 2005. Т. 11. № 2. С. 157-168.
  3. Акулич Ю.В., Акулич А.Ю., Подгаец Р.М., Торопицин М.Н. Динамика нижней конечности человека в положении лежа на спине // Российский журнал биомеханики. 2003. Т. 7. № 3. С. 44-51.
  4. Акулич Ю.В., Денисова Е.В., Холкина А.И. Влияние схемы внешних нагрузок на усилия мышц бедра и давление в тазобедренном суставе при движении нижней конечности в положении лежа на спине // Российский журнал биомеханики. 2004. Т. 8. № 1. С. 76-83.
  5. Акулич Ю.В., Подгаец Р.М., Торопицин М.Н., Холкина А.И. Определение усилий мышц и реакций в суставах при движении нижней конечности в тренажере с отягощениями // Российский журнал биомеханики. 2004. Т. 8. № 4. С. 80-85.
  6. Акулич Ю.В., Акулич А.Ю., Брюханов П.А., Денисов А.С. Контролируемое восстановление кортикальной костной ткани после лечения в аппаратах внешней фиксации // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2011. Т. 11. № 1. С. 50-59.
  7. Акулич Ю.В., Акулич А.Ю., Денисов А.С., Подгаец Р.М. Адаптационные процессы в кости после остеосинтеза шейки бедра упругими резьбовыми фиксаторами // Российский журнал биомеханики. 2007. Т. 11. № 3. С. 39-53.
  8. Акулич Ю.В., Акулич А.Ю., Денисов А.С., Подгаец Р.М. адаптационные процессы в кости после остеосинтеза шейки бедра упругими резьбовыми фиксаторами // Российский журнал биомеханики. 2007. Т. 11. № 3. С. 39-53.
  9. Акулич Ю.В., Акулич А.Ю., Денисов А.С., Мерзляков М.В., Шулятьев А.Ф. Влияние геометрических, биомеханических и хирургических факторов на величины индивидуальных моментов закручивания фиксаторов при контролируемом остеосинтезе перелома шейки бедра. Сообщение i: постановка задачи // Российский журнал биомеханики. 2013. Т. 17. № 2 (60). С. 64-74.
  10. Верховод А.Ю., Баракат М.Ф. Биомеханический анализ причин осложнений остеосинтеза блокируемыми интрамедуллярными стержнями неопорных оскольчатых диафизарных переломов костей голени // Фундаментальные исследования. 2012. № 10-2. С. 236-243.
  11. Верховод А.Ю., Иванов Д.В. Применение метода конечных элементов для сравнительной оценки стабильности остеосинтеза оскольчатых диафизарных переломов костей голени блокируемыми интрамедуллярными стержнями и аппаратами наружной фиксации // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. С. 75.
  12. Верховод А.Ю., Мельцер Р.И., Колесников Г.Н. Биомеханические аспекты остеосинтеза оскольчатых диафизарных переломов костей голени // Биомеханика 2010: тезисы докладов Десятой Всероссийской конференции (Саратов, 16-22 мая 2010 г.). Саратов, 2010. С. 51-52.
  13. Колесников Г.Н. Дискретные модели механических и биомеханических систем с односторонними связям // Петрозавод. гос. ун-т. Петрозаводск, 2004. 204 с.
  14. Колесников Г.Н., Раковская М.И. Энергетический критерий очередности перехода односторонних связей в действительное состояние // Обозрение прикладной и промышленной математики. 2006. Т. 13. С. 652.
  15. Колесников Г.Н. Алгоритм декомпозиции линейной задачи дополнительности и его применение для моделирования соударений балансов в корообдирочном барабане // Resources and Technology. 2013. Т. 10. № 2. С. 111-138.
  16. Колесников Г.Н. Биомеханическая модель скелетно-мышечной системы, построенная без субъективных критериев оптимальности // Российский журнал биомеханики. 2004. Т. 8. № 3. С. 19-29.
  17. Колесников Г.Н. Дискретные модели механических и биомеханических систем с односторонними связями // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Петрозаводский государственный университет. Петрозаводск, 2004
  18. Янсон Х.А. Биомеханика нижней конечности человека // Рига.1975. 324 с.
  19. Шелестов А.С., Колесников Г.Н., Мельцер Р. И., Екимов Д.А., Тихомиров А.А., Верховод А.Ю. Устройство для мониторинга нагрузки на фрагменты костей при лечении переломов // Патент РФ 135245.
  20. Писарев В.В., Алейников А.В., Васин И.В., Ошурков Ю.А. Оценка результатов лечения различных типов диафизарных переломов костей голени при накостном и внутрикостном остеосинтезе // Травматология и ортопедия России. 2013. № 3 (69). С. 29-36.
  21. Прокопьев А. Н., Прокопьев Н. Я. Влияние функциональных нагрузок на анатомическое восстановление и репаративную регенерацию переломов длинных трубчатых костей (краткий обзор литературы) // Молодой ученый. 2013. №. 1. С. 393-399.


Все статьи автора «Колесников Геннадий Николаевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: