Устройство для моделирования механических напряжений в биологическом объекте

 

Изобретение относится к устройствам, моделирующим механические напряжения с целью изучения особенностей их распределения в образце, например в костях скелета, и может быть применено в медицине, криминалистике и в учебном процессе. Технический результат - повышение точности исследований на костях при действии различных по величине и напряжению нагрузок - достигается тем, что устройство содержит цилиндрический прочный корпус с радиально расположенными нажимными элементами винтового типа, приемными пластинами, упирающимися в пружину тензометра. Модель, выполненная из плоского оптически активного материала, располагается между прозрачными дном и крышкой устройства и сжимается прижимной и приемной пластинами. Один поляроид размещается на дне и предохраняется от истирания специальной защитной прозрачной пластиной, второй поляроид - анализатор устанавливается свободно на крышке устройства. Тензометр-динамометр закрепляется на боковой поверхности корпуса при помощи скобы. Устройство позволяет исследовать особенности распределения напряжений в моделях любой формы. При этом можно изменять в широком диапазоне количество одновременно действующих нагрузок, их величину, точки приложения и ориентацию относительно модели. Возможно включение в модель трещин, отверстий, шпилек и т.п., а также имитация скоростной (ударной) нагрузки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для определения распределения напряжений в различных точках биологического объекта кости в предоперационной диагностике, в судебной медицине, при определении силы и направления воздействия физического фактора, приведшего к перелому кости, а также для лекционных демонстраций.

Известны способы определения или прогнозирования состояния костей по минерализации костной ткани, взятой после смерти или прижизненным определением содержания минеральных солей и основного солевого обмена организма, а также при помощи эксперимента на костном биоптанте из различных участков кости (см. а.с. СССР NN 1100236, 1160310, 1027671, класс G 01 B 33/48).

Известны способы моделирования повреждений костей путем нарушения их целостности, когда, например, формируют отверстие, в него вводят дистракционное устройство и осуществляют дистракцию в продольном и/или поперечном направлениях кости до образования трещин [1] Указанные способы осуществляются на живом организме (подопытное животное). Поэтому они ограничены в применении и не дают возможность исследовать, например, механическое воздействие на длинные кости с их концевых участков.

Устройство для моделирования механических напряжений в костях без нарушения их целостности нет. В технике имеется ряд устройств, разработанных для моделирования физического воздействия на различные детали и/или взаимодействия деталей при их сопряжении.

В качестве прототипа выбрано устройство, содержащее корпус с нагружающими элементами винтового типа, между которыми вставляется испытуемая биологическая модель, выполненная в виде рассеченной пластины с центральным столбиком и боковыми крыльями, а также барабанную систему регистрации результатов испытания (см. Кокер Э. Фрайлон Л. Оптический метод исследования напряжений, Л.М. ОНТИ, 1936, с. 176 и 212; [2]).

Указанное устройство демонстрирует явление фотопластичности и не обладает универсальностью из-за строго определенной формы пластин, оно не обеспечивает исследование конкретных форм изделия.

Технический результат изобретения повышение точности исследований на костях при действии на них различных по величине и направлению нагрузок.

Поставленная цель достигается тем, что устройство имеет корпус цилиндрической формы с множеством радиально расположенных отверстий, дающих возможность изменять направление нагрузки с шагом около 20^o, модель кости размещается между пластинами с рельефной поверхностью, обеспечивающими плавное перекрытие угловой ориентации нагрузки до 20^o, модель может иметь произвольную форму и к ней одновременно можно прилагать механические усилия с нескольких направлений, тензометр (тензометры) закрепляется на корпусе при помощи скобы.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства; на фиг. 2 - продольно-поперечный разрез.

Устройство содержит металлический корпус 1, имеющий форму цилиндра, к одному из оснований которого прикреплено прозрачное дно 2, на которое укладываются последовательно поляроид 3 и защитная пластина 4.

В корпусе размещены радиально 16 отверстий с резьбой М8, в которых размещаются нагружающие винты. Центральный винт 5 сопряжен с пластиной 6, свободно скользящей в прорези пластины 4 и передающей усилие от винта на модель.

В нижней части корпуса находится пластина 7, по форме повторяющая пластину 6. Она может скользить свободно в отверстии корпуса и передает усилие с модели на тензометр 8 (динамометр), прикрепленный к корпусу при помощи скобы 9.

Модель кости, выполненная из плоского оптически активного материала, размещается между пластинами 6 и 7 и прижимается при помощи круглой прозрачной пластины 10, закрепляемой в проеме корпуса фиксаторами 11. На пластину 10 укладывается поляроид-анализатор 12. Наблюдения ведутся в проходящем свете.

Устройство работает следующим образом. При снятой пластине 10 на пластину 4 укладывается модель таким образом, чтобы напряжение, создаваемое винтом 5 и пластинами 6 и 7 соответствовало выбранному для исследований направлению. При необходимости через радиальные отверстия производятся дополнительные механические воздействия на модель путем введения дополнительных винтов. Накрывают модель пластиной 10 и фиксируют ее скобами 11. Подсвечивая устройство со стороны дна поворачивают анализатор и добиваются максимального затемнения светового поля устройства. Ввинчивая нагружающий винт, по тензометру определяют величину нагрузки, а по внешнему виду модели - особенности распределения механических напряжений в ней. Эти особенности выявляются в виде интерференционных линий, полос и пятен, яркость, густота расположения и форма которых зависят от величины и направления приложенных напряжений. Наблюдаемая картина фотографируется или зарисовывается. Для создания скоростной (ударной) нагрузки вместо винтов в отверстия вставляются стержни и по ним наносится удар. Момент удара синхронизируется с затвором фотоаппарата, регистрирующего поле напряжений в модели и показания тензометра.

В отличие от прототипа в предложенном устройстве корпус выполнен в форме цилиндра с радиальными отверстиями для винтов, создающих механические напряжения, нагружающие приспособления пластины имеют рельефную поверхность; тензометр крепится к корпусу устройства; модель имеет форму конкретной исследуемой кости.

Такая конструкция создает следующие преимущества: дает возможность варьирования как количества механических напряжений, воздействующих одновременно на модель, так и их взаимную ориентацию или ориентацию относительно выбранных направлений в модели; модель может иметь любую форму, в том числе повторять контуры исследуемой кости в любых проекциях, включая в необходимых случаях отверстия, трещины, скобы и т.д. примененный в устройстве динамометр делает его портативным и удобным в эксплуатации.

Поэтому данное устройство имеет практическую значимость в медицине, особенно, в дополнение к указанным выше достоинствам, при определении наиболее приемлемых приемов и мест проведения операций на костях (щадящая манипуляция).

Формула изобретения

1. Устройство для моделирования механических напряжений в биологическом объекте, содержащее корпус, первой и второй торцовой поверхностью которого являются соответственно прозрачные дно и крышка, а в боковой поверхности через соответствующие монтажные отверстия с противоположных сторон установлены соответственно нагружающий элемент в виде винта и первой пластины и элемент, передающий нагрузку на тензометр, в виде второй пластины, между первой и второй пластинами расположена модель биологического объекта, а между объектом, дном и крышкой размещены соответственно первый и второй поляроиды, отличающееся тем, что в качестве биологического объекта использована модель кости, корпус имеет цилиндрическую форму, обращенные к модели поверхности пластин имеют волнистую форму, а тензометр прикреплен к корпусу скобой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в цилиндрическом корпусе радиально размещены дополнительные нагружающие элементы в виде винтов и соответствующих пластин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2