Механическое поведение и управление жесткостью аппарата внешней фиксации "Универсал" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Осипов, Юрий Викторович

• Осипов, Юрий Викторович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Осипов, Юрий Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

1. Основные проблемы совершенствования аппаратов внешней фиксации на современном этапе.

1Л. Классификация и сравнение существующих аппаратов внешней фиксации.

1.2. Принцип построения аппарата, адаптированного к геометрии конечности.

1.3. Аппарат внешней фиксации «Универсал» со сборными кольцами. Конструктивно-технические и биомеханические особенности.

1.4. Методы исследования и прогнозирования механического поведения каркаса аппарата внешней фиксации.

2. Механизмы регулирования жесткости.

2.1. Способ сборки (геометрический метод).

2.2. Использование уровня напряженности каркаса при сборке (механический метод).

2.3. Использование материалов с различными деформационно-прочностными характеристиками (физический метод).

2.4. Изменение размеров элементов (конструкционный метод).

3. Экспериментальный анализ жесткости элементов аппарата внешней фиксации "Универсал" и некоторых вариантов сборки аппаратов Илизарова и "Универсал".

3.1. Спица.

3.2. Сегмент.•.

3.3. Стержень-стойка.

3.4. Испытание на осевое сжатие некоторых вариантов сборки аппарата

Универсал" и аппарата Илизарова.'.

Выводы.

4. Расчет жесткости аппарата внешней фиксации "Универсал" в классическом и квазителескопическом вариантах.

4.1. Постановка задачи расчета АВФ "Универсал" как стержневой конструкции. Метод решения. Результаты расчета.

4.2. Модель спицы с учетом предварительного натяжения и жесткости опорного кольца.

4.3. Модель опорного кольца.

4.4. Методика расчета сборки 2 спицы+кольцо и оценка осевой жесткости АВФ в целом.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Механическое поведение и управление жесткостью аппарата внешней фиксации "Универсал"»

Одной из фундаментальных проблем в современной ортопедии и травматологии является проблема обеспечения стабильных внешних условий остеосинтеза различных переломов и патологий [1-4]. Каждый из широко используемых методов фиксации (жесткие компрессионные пластины, интрамедуллярные гвозди и внешние фиксаторы) имеют преимущества и недостатки, так же как и индивидуальные биомеханические характеристики. Имеющийся клинический опыт [5-11], объединенный с данными, полученными из теоретических и экспериментальных исследований [12-25], позволил улучшить конструкции систем фиксации, повысить качество лечения. Вследствие наличия показаний и противопоказаний проблема применения того или иного способа фиксации костных отломков есть проблема выбора для конкретного случая перелома, чтобы добиться оптимального результата и избежать дополнительной травмы мягких тканей и нарушения кровообращения в месте перелома [26]. В этом плане наиболее универсальными по комплексу биомеханических и медицинских характеристик являются аппараты внешней фиксации (АВФ).

АВФ позволяют создать оптимальные условия не только для костной регенерации, но и для всего восстановительного процесса в целом в поврежденной конечности. Вот эти условия: стабильная фиксация костных отломков с помощью аппарата, т.е. большая иммобилизация, чем при традиционных методах, качественно меняет характер течения костной регенерации;

- остаются свободными смежные суставы поврежденного сегмента, что имеет исключительно важное значение для профилактики развития контрактуры суставов;

- ранняя функциональная нагрузка поврежденной конечности, необходимая для обеспечения повышенного регионарного кровообращения и усиления местного питания. Она должна быть постепенной, дозированной с нарастающими усилиями [1].

Следовательно, в идеале система фиксации перелома должна обеспечивать на различных этапах лечения разную степень жесткости фиксации - от полной иммобилизации в начале процесса лечения до полного раскрепощения в конце.

Наиболее широко известным примером АВФ является аппарат Илизарова. В данной работе исследуется современный и более совершенный АВФ "Универсал", изобретенный и производящийся в томском клиническом научно - производственном объединении "Биотехника".

Целью диссертационной работы является разработка методов повышения начальной жесткости и прогнозируемого снижения жесткости аппарата внешней фиксации «Универсал» в процессе лечения переломов. В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

- проанализировать возможные способы изменения жесткости каркаса АВФ; экспериментально изучить деформационно-прочностные характеристики элементов каркаса АВФ «Универсал», моделируя их работу в реальных условиях, чтобы оценить вклад каждого элемента в общую жесткость каркаса;

- экспериментально исследовать механическое поведение каркасов АВФ в зависимости от варианта сборки; построить математическую модель каркаса АВФ "Универсал" в классическом и квазителескопическом вариантах сборки, позволяющую рассчитывать жесткость АВФ при действии любых видов нагружения и учитывающую влияние управляющих параметров;

-на основании результатов эксперимента и расчетов разработать рекомендации по увеличению начальной жесткости АВФ «Универсал», способам управления его жесткостью в процессе лечения.

Метод решения поставленной задачи:

- экспериментальное изучение деформационно-прочностного поведения элементов конструкции и полной сборки АВФ «Универсал» в некоторых вариантах;

- численное моделирование функционирования АВФ и его элементов.

Научная новизна: впервые проведен обширный комплексный экспериментально-теоретический анализ работы АВФ «Универсал»; впервые аппарат "Универсал" моделируется как пространственная стержневая система;

- впервые создан пакет программ для расчета жесткости АВФ "Универсал" в наиболее часто применяемых в практике ортопедии классических вариантах сборки и перспективных для применения квазителескопических вариантах.

- впервые даны рекомендации, основанные на расчетах, по оптимальному монтажу квазителескопического АВФ "Универсал".

Научная и практическая ценность.

Работа выполнялась в рамках НИОКР "Биомеханические и технологические аспекты лечения переломов длинных трубчатых костей квазителескопическими системами внешней фиксации", номер госрегистрации 01990000256 в Министерстве науки и технологии.

Решение подобных задач имеет существенное значение для развития устройств и методов фиксации при лечении переломов костей различных степеней сложности [27-36]. Как известно, одной из основных проблем в современной ортопедии является обеспечение стабильных условий срастания переломов, что позволяет сокращать сроки лечения и повышать его качество.

Недостатком спицевых АВФ является сравнительно малая жесткость фиксации [26]. Результаты работы показывают, что ее можно существенно повысить, не прибегая к изменению конструкции каркаса и значительным материальным затратам.

Применение разработанных сравнительно недавно квазителескопических каркасов в лечебной практике сдерживается из-за малоизученности их биомеханики. Результаты этой работы показывают преимущество такого типа каркасов перед классическим и позволяют дать рекомендации по оптимальному монтажу АВФ.

Разработанные программы могут быть использованы для расчета и других спицевых и спице-стержневых аппаратов, например, Илизарова, при соответствующем изменении координат узлов и параметров стержневой системы.

Основные положения, выдвигаемые на защиту:

- результаты исследования вклада жесткости элементов в общую жесткость каркаса;

-результаты сравнения жесткости квазителескопических и классических вариантов сборки АВФ "Универсал";

-математические модели каркаса АВФ «Универсал»;

- способы увеличения начальной жесткости АВФ и ее прогнозируемого снижения;

-особенности сборки квазителескопического каркаса АВФ «Универсал».

Обоснованность и достоверность результатов и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием поверенного оборудования и статистической обработкой результатов эксперимента, выбором численных методов моделирования, тестированием математических моделей по результатам эксперимента.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: в J 995г. "Международная конференция по использованию результатов конверсии науки в вузах Сибири для международного сотрудничества" (г.Томск), в 1998г. «Deutschen Gesellschaft fur Biomedizinische Technik» (г.Дрезден) и EMBEC'99 (European Medical and Biological Engineering Conference) (г.Вена). Ha отечественных конференциях: в 1998г. в г.Томске «Механика летательных аппаратов и современные материалы», в 2000г. в г.Новосибирске на объединенной сессии общего собрания СО РАН и СО РАМН «Новые медицинские технологии».

Все результаты работы, в том числе и программа для расчета жесткости АВФ «Универсал», используются в производственной практике ЗАО КНПО «Биотехника» (г.Томск) и в клинической практике в Центре ортопедии и медицинского материаловедения ТНЦ СО РАМН, в Центре восстановительной травматологии и ортопедии ТНЦ СО РАМН.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 6 работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 96 страниц,, 8 фотографий и 26 рисунков. Список литературы содержит 73 наименования.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Осипов, Юрий Викторович

Все результаты работы, в том числе и программы для расчета АВФ "Универсал", внедрены в производственную практику в ЗАО КНПО «Биотехника» (г.Томск) и в клиническую практику в Центре ортопедии и медицинского материаловедения ТНЦ СО РАМН.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе посредством экспериментального и теоретического анализа проводится разработка способов повышения начальной жесткости и прогнозируемого снижения жесткости (управления жесткостью) АВФ "Универсал".

Основные полученные результаты:

Создана программа, позволяющая сравнивать жесткость каркасов АВФ "Универсал", как стержневых конструкций, в различных вариантах сборки при различных вариантах нагружения.

Создана программа расчета жесткости каркаса АВФ "Универсал" при осевом сжатии с учетом предварительного натяжения спиц.

Разработанные программы могут быть использованы для расчета других АВФ, например аппарата Илизарова, при соответствующем изменении координат узлов и параметров стержневой системы.

Разработаны рекомендации по увеличению начальной жесткости АВФ "Универсал" и, рассчитываемому по созданным программам, снижению его жесткости в процессе лечения перелома.

Разработаны рекомендации по обеспечению равного распределения функциональной нагрузки по спицам в квазителескопическом варианте каркаса.

Показано преимущество квазителескопического каркаса перед классическим при сжатии, изгибе и кручении.

Выявлены недостатки конструкции АВФ и проанализирована их причина.

83

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Осипов, Юрий Викторович, 2000 год

1. Ли А.Д. Чрескостный остеосинтез в травматологии. -Томск: Изд-во Томского ун-та, 1992. 198 с.

2. Анкин Л.Н., Анкин Н.Л. Биологические и биомеханические основы остеосинтеза // Практика остеосинтеза и эндопротезирования. Киев, 1994. - С.5-8.

3. Seligson D., Stanwyck T.S. Concepts in' external fixation. -N.Y., 1982. 85p.

4. Terjesen Т., Johnson E. Effect of fixation stiffness on fracture healing. External fixation of tibial osteotomy in the rabbit // Acta Orthop. Scand. 1986. - N57. - 146p.

5. Барабаш А.П. Управляемый комбинированный остеосинтез длинных костей: определения, перспективные направления, место в оперативной ортопедии.// Материалы II Пленума Ассоциации травматологов-ортопедов России. Ростов-на-Дону, 1996. -С.205-208.

6. Finlay J.В., Moroz Т.К. and others. Stability of ten configurations of the Hoffmann external-fixation frame // J.Bone Joint Surg. 1983. - 69A. - P.734-744.

7. Green S.A. Complications of external skeletal fixation: causes, prevention and treatment // Springfield, Illinois, Charles С Thomas. -1981. 22p.

8. Бурнейко Я.Н., Конецкий А.А., Клечковский Г.В. Стержневая фиксация переломов бедра.// Материалы Ц1 международного семинара по усовершенствованию аппаратов и методов внешней фиксации. Рига, 1989. - С.49.

9. Бартусявичус З.Ю. с соавт. Некоторые аспекты применения универсальной системы внешней фиксации.// Материалы III Международного семинара по усовершенствованию аппаратов внешней фиксации. Рига, 1985. - С.33.

10. Корж А.А., Осыпив Б.А., Рынденко В.Г. Внешняя фиксация стержневыми аппаратами//Ортопедия, травматология. 1987. -N7. - С.67-71.

11. McCoy Т.М., Chao E.Y.S., Kasman R.A. Comparison of mechanical performance in four types of external fixators // Clin. Orthop. Rel. Res. 1983. - N.180. - P.23-33.

12. Briggs B.T., Chao E.Y.S. The mechanical performance of the standard Hoffmann Vidal external fixation apparatus // J.Bone Joint Surg. - 1982. - 64-A. - P.566-573.

13. Chao E.Y.S., Hein T.J. The mechanical performance of the standard Orthofix external fixator // Orthopaedics. 1988. - 1 1. -P.1057-1069.

14. Chao E.Y.S., Kasman R.A. and An K.N. Rigidity and stress analysis of external fracture fixation devices a theoretical approach // J.Biomechenics. - 1982. - 15(12). - P.971-983.

15. Gasser В., Wyder D., Schneider E. The stiffness behaviour of the circular, wire-based frame in contrast to conventional externalfixators 11 Proc. Inter. Soc. Frac. Rep. Helsinki and Stockholm, August 31 September 2. - 1987. - P.95-96.

16. Behrens F., Johnson W.D., Kocli T.W., Bending stiffness of unilateral and bi-lateral fixator frames // Clin Orthop RelRes. 1983. -N178. - P. 103-110.

17. Huisces R., Chao E.Y.S., Crippen Т.Е. Parametric analysis of pin-bone stresses in external fracture fixation devices// J.Orthop.Res. -1985. 3. - P.341-349.

18. Kristiansen Т., Flemming В., Neale G., Comparative study of fracture gap motion in external fixation // Clinical Biomechanics. -1992. N244. - P.57-69.

19. Gasser В., Wyder D., Schneider E. Comparative investigation on the biomechanical pro-perties of the circular and other three-dimensional external fixators // J. Bone Joint. Surg.- 1987. N.69-A. -P.578-594.

20. Карлов А.В., Лихачев B.H., Осипов Ю.В. Механика аппарата внешней фиксации "Универсал": эксперимент и оптимальное проектирование // Гений ортопедии. 1996. - №2-3. - С.89-90.

21. Paley D., Fleming В., Catagni М., Kristiansen Т. and Pope М. Mechanical Evaluation of External Fixators Used in Limb Lengthening // Clinical Orthopaedics and Related Research. -1990. N250. - P.50-57.

22. Калнберз В.К., Студерс П.Я., Добелис М.Я. Сравнительное исследование жесткости спиц Киршнера, стержней Штейнмана и винтов Шанца в идентичных экспериментальных условиях в клинике //Ортопедия, травматология. 1988. - N12. - С.16-19.

23. Carter M.D., Gilbert J.A., Dahnerts I.E. An evaluation of the bending stiffness of various tibial fixation methods // Clin. Orthop. -1987. N224. - P.289-293.

24. Edmund Y.S. Chao and Hannu T.Aro. Biomechanics of fracture fixation. Basic orthopaedic biomechanics // Van C. Mon and Wilson C. Hayes. Raven Press Ltd. New York. 1991. - P.293-336.

25. Аболина A.E., Морозов В. П. Современные зарубежные аппараты внешней фиксации // Ортопедия, травматология. 1987. - N8,- С.71-73.

26. Введенский С.П. К истории применения спице-стержневых аппаратов в СССР.// Материалы III международного семинара по усовершенствованию аппаратов и методов внешней фиксации. -Рига, 1989. С53.

27. Корнилов Н.В., Кулик В.И., Попов А.А. Новая разновидность аппаратов внешней фиксации.// Материалы III международного семинара по усовершенствованию аппаратов и методов внешней фиксации. Рига, 1989. - С.114.

28. Абдрахманов А.Ж. О возможностях унификации и повышения эффективности использования компрессионно дистракционных аппаратов. // Изобретательство и рационализаторство в травматологии и ортопедии: Сборник трудов. М., 1983. - С.33-36.

29. Голубев Г.Ш., Веселов Н.Я., Кролевец Н.В. Управление усилиями натяжения спиц при наложении аппарата Илизарова.//

30. Материалы II Пленума Ассоциации траматологов-ортопедов России. Ростов-на-Дону, 1996. - С.223-226. •

31. Гюльназарова С.В., Стахеев И.А., Новицкая Н.В. Некоторые технические решения для оптимизации чрескостного остеосинтеза // Изобретательство и рационализаторство в травматологии и ортопедии: Сборник трудов. М., 1983. - С.69-72.

32. Edwards С.С. Staged reconstruction of complex open tibial fractures using Hoffman external fixation // Clin.Orthop.Rel.Res. -1983. 178. - P.130-161.

33. Волков MB., Оганесян О.В. Конструирование репозиционно-компрессионных аппаратов для лечения переломов костей и удлинения конечностей // Изобретательство и рационализаторство в травматологии и ортопедии: Сборник трудов. М., 1983,- С.54-56.

34. Huisces R., Chao E.Y.S. Guidelines for external fixation frame rigidity and stresses // J.Orthop.Res. 1986. - 4. - P.68-75.

35. Карлов А.В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук. 1996.

36. Прочность. Устойчивость. Колебания. Справочник, том1/ ред. Биргер И.А. и Пановко Я.Г. М.: Машиностроение, 1968. -831с.

37. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. -М.: Наука, 1979. 744с.

38. Пластины, теория упругости, пластичности и ползучести, численные методы. Справочник, т,ом 2. / ред. Палий О.М. -Ленинград: Судостроение, 1982.

39. Рекач В.Г. Руководство к решению задач прикладной теории упругости. М.: Высшая школа, 1984. - 287с. .

40. Васидзу К. Вариационные методы в теории упругости и пластичности. М.: Мир, 1987. - 542с.

41. Данилина Н.И., Дубровская Н.С., Кваша О.П., Смирнов Г.Л., Феклисов Г.И. Численные методы. М.: Высшая школа, 1976. -368с.

42. Шехтер Р. Вариационный метод в инженерных расчетах. М.: Мир, 1971. - 291с.

43. Рихтмайер Р., Мортон К. Разностные методы решения краевых задач. М.: Мир, 1972. - 418с.

44. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978. - 512 с.

45. Сосис П. М. Алгол 60 в строительной механике. М,: Наука, 1972. - 365с.

46. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972,- 238с.

47. Налимов В.В. Теория эксперимента. М: Наука, 1971. - 208с.

48. Ясельский В.К., Кузнецов А.И., Дядик В.Ф. Обработка результатов измерений. Томск: Изд. ТПИ, 1977. - 95с.

49. Серафинович Л.П. Статистическая обработка опытных данных. Томск: Изд. ТГУ, 1980. - 75с.

50. Фиалко М.Б., Кумок В.Н. Лекции по планированию эксперимента. Томск: Изд. ТГУ, 1977. - 131с.

51. Дарков А.В., Шапошников Н.Н. Строительная механика. М.: Высшая школа, 1986. - 607с.

52. Справочник по строительной механике корабля: В трех томах./Ред. Бойцов Г.В., Палий О.М., Постнов В.А., Чувиковский B.C. Л.: Судостроение, 1982. - 320с.

53. Финк К., Рорбах X. Измерение напряжений и деформаций. -М: Гос. научно-техническое изд. машиностроительной литературы, 1961. 535с.

54. Саутин С.Н., Пунин А.Е. Мир компьютеров и химическая технология. JI: Химия, 1991. - 144с:

55. A.V.Karlov, V.N.Likhatschov, Yu.V.Osipov. Biomechanik der Universal Anbenfixirungapparat: Experiment und Optimal Projektierung // Biomedizinische Technik. - 1996.'- B.41. - P.104-105.

56. Сабоннадьер Ж.К., Кулон Ж.Л. Метод конечных элементов и САПР. М.: Мир, 1989. - 192 с.

57. Сегерлинд Р. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. - 392 с.

58. Ржаницын А.Р. Строительная механика. М.: Высшая школа, 1982. - 400 с.

59. Каркаускас Р.П., Крутинис А. А. и др. Строительная механика, программы и решения задач на ЭВМ. М.: Стройиздат, 1990. - 360с.

60. Шапошников Н.Н.Дарабасов Н. Д., Петров В.Б., Мяченков В.И. Расчет машиностроительных конструкций на прочность и жесткость. М.: Машиностроение, 1981. - 333с.

61. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. Справочник. М.: Машиностроение, 1993. - 640с.

62. Пичхадзе И.М., Чекушин Ю.А. Выбор оптимальных компоновок спиц и аппаратов для чрескостного остеосинтеза применительно к каждому конкретному перелому с помощью ЭВМ.// Метод Илизарова Достижения и перспективы. - Курган, 1993. - С.99-100.

63. Карлов А.В., Лихачев В.Н., Люкшин Б.А. Компьютерное моделирование жесткости аппарата внешней фиксации «Универсал» // Гений ортопедии, научно-техн. и практический журнал. 1996. - №2-3. - С.158-159.

64. Карлов А.В., Лихачев В.Н., Люкшин Б.А. Компьютерное моделирование жесткости аппаратов внешней фиксации // Материалы Всерос.конф. Актуальные проблемы здравоохранения Сибири. Ленинск-Кузнецкий. 1998. - С.93-95.

65. Orbay G.L., Frankel V.N., Kummer F.J. The Effect of Wire Configuration on the Stability of the Ilizarov External Fixator // Clinical Orthopaedics and Related Research. 1992. - N279. - P.299-302.

66. Илизаров Г.А. Влияние расстояния между кольцами на фиксирующую способность аппарата Илизарова // Чрескостный компрессионный и дистракционный остеосинтез в травматологии и ортопедии. Курган, 1972. - С.55-69.

67. Илизаров Г.А. Жесткость фиксации костного отломка двумя перекрещивающимися спицами // Теоретические и практические аспекты чрескостного остеосинтеза. Курган, 1976. - С.50-61.

68. Kummer F.J. Biomechanics of the Ilizarov External Fixator // Clinical Orthopaedics and Related Research. 1992. - N280. - P.11-14.92

69. Karlov А.V., Likhatschov V.N., Osipov Yu.V. Modellierung der Stutzelemente Forms in Quasitelescopischen Ausseren Fixatoren // Biomedizinische Technik. 1998. - B.43. - P.324-326.

70. Karlov A.V., Likhatschov V.N., Osipov Yu.V. Effectivity of External Fixation, Comparative Analysis of Systems // Proceedings of the EMBEC'99. 1999. - V.37, S.2, Part 1. - P.306-307.1. УТВЕРЖДАЮ

71. Генеральный директор ЗАО «Клиническое научно-производственное объединение

72. Биотехника», кандидат медицинских наук1. Карлов10 сентября 2QQ0 года

73. Акт внедрения результатов диссертационной работы Осипова Ю.В. «Исследование механического поведения и способов управления жесткостью аппарата внешней фиксации «Универсал»на ЗАО КНПО «Биотехника»

74. В рамках диссертационной работы проведены экспериментальные исследования и компьютерное моделирование поведения нескольких модификаций аппаратов внешней фиксации (АВФ) «Универсал».

75. Разработанные в диссертации расчетные методики и программное обеспечение составляют основу параметрического анализа новой техники в объединении, ППП находится в штатной эксплуатации.

76. Выявленные автором в процессе механических испытаний недостатки составляющих конструкции АВФ учтены, внесены необходимые изменения в комплекты конструкторско-технологической документации.

77. Разработанные в диссертации рекомендации по увеличению жесткости АВФ «Универсал», способы управления его жесткостью в процессе чреско-стного остеосинтеза внесены в «Руководство по эксплуатации АВФ».

78. Заведующий Испытательной Лабораторией медицинских издели кандидат технических наук1. В.Н. Лихачев1. УТВЕРЖДАЮ»

79. Заместитель директора Центра ортопедии и медицинского материаловедения ТНЦ СО РАМН по научной работе, доктор медицинских наук1. И.А. Хлусов

80. У г , «10» августа 2000 года1. Актвнедрения результатов диссертационной работы Осипова Ю.В. «Исследование механического поведения и способов управления жесткостью аппарата внешней фиксации «Универсал»в ЦОиММ ТНЦ СО РАМН

81. Особенности монтажа условно-телескопических систем внешней фиксации, предложенные в диссертационной работе, включены в методические