Устройство для контроля состояния дистракционного костного регенерата
Изобретение относится к травматологии и ортопедии и может быть использовано при удлинении конечности для осуществления ежесуточного контроля состояния дистракционного костного регенерата. Устройство для контроля дистракционного костного регенерата содержит кнопку "Пуск", схему управления, источник стабилизированного тока, ключ, измеритель временных интервалов, два пороговых элемента, датчик с первым и вторым электродами, причем первый электрод выполнен в виде иголки с возможностью ее введения в участок сочленения костных фрагментов, а вторым электродом является опора со спицами компрессионно-дистракционного аппарата, временное устройство, запоминающее устройство, арифметическо-логическое устройство. Устройство обеспечивает оптимизацию темпа удлинения конечности при ежесуточном контроле состояния дистракционного костного регенерата, установление связи между ежесуточными темпом дистракции и зрелостью костного регенерата, улучшение условий регенерации костной ткани, снижение риска возникновения осложнений, оптимизацию сроков лечения больных и снижение травматичности. 5 ил.
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к травматологии и ортопедии, и может быть использовано для удлинения конечности при осуществлении ежесуточного контроля состояния дистракционного костного регенерата с целью оптимизации сроков лечения больных и снижения травматичности.
Наиболее близким к заявляемому устройству для контроля формирования дистракционного костного регенерата является средство для контроля формирования костного регенерата, описанное в способе по пат. РФ №2177248 С2, кл. А 61 В 5/053, 27.12.2001 [4].
Устройство - прототип содержит компрессионно-дистракционный аппарат и датчик с электродами.
Недостатком прототипа является недостаточная точность для оценки и фиксации ежесуточных изменений состояния костного регенерата из-за расположения электродов вблизи зоны дефекта, а не непосредственно в самом участке сочленения костных фрагментов. С помощью прототипа свойства костного регенерата можно оценивать только с учетом влияния близлежащих тканей. К тому же в прототипе предполагается травмирование здорового участка тела.
Технической задачей, решаемой заявленным устройством, является обеспечение удлинения конечности с оптимизацией темпа удлинения при ежесуточном контроле состояния дистракционного костного регенерата, с определением оптимального момента начала дистракции и ежесуточной величины дозированных однократных перемещений костных фрагментов, учитывающей индивидуальные особенности организма и степень зрелости костного регенерата, что улучшает условия регенерации костной ткани, снижает риск возникновения осложнений, позволяет оптимизировать сроки лечения больных и снизить травматичность.
Для реализации задачи заявляемого способа применяют устройство для контроля состояния дистракционного костного регенерата, содержащее компрессионно-дистракционный аппарат и датчик с электродами. Согласно предлагаемому изобретению в устройстве предусмотрено следующее: первый электрод датчика выполнен в виде иголки с возможностью ее введения в участок сочленения костных фрагментов, а вторым электродом датчика является опора со спицами компрессионно-дистракционного аппарата, устройство дополнительно снабжено схемой управления, источником стабилизированного тока, ключом, измерителем временных интервалов, первым пороговым элементом, вторым пороговым элементом, временным устройством, запоминающим устройством, арифметическо-логическим устройством, при этом первый выход источника стабилизированного тока соединен с общей шиной, второй выход - с первым входом ключа, выход которого подключен ко входу первого порогового элемента и через первый участок цепи к первому электроду датчика, второй электрод датчика через второй участок цепи подключен к общей шине; первый вход схемы управления подключен к кнопке «Пуск», первый выход ко второму входу ключа, второй выход ко второму входу измерителя временных интервалов, причем выход первого порогового элемента подключен к первому входу измерителя временных интервалов, вход второго порогового элемента через первый участок цепи - к первому электроду датчика, а выход - к третьему входу измерителя временных интервалов; вход временного устройства подключен к кнопке «Пуск», первый выход - к второму входу схемы управления, второй выход - ко второму входу запоминающего устройства, первый вход которого подключен к первому выходу измерителя временных интервалов, выход - к первому входу арифметическо-логического устройства, второй вход которого подключен к второму выходу измерителя временных интервалов, а его выход к электронному блоку управления компрессионно-дистракционного аппарата.
Совокупность отличительных признаков заявляемого устройства не обнаружена по патентной и научно - технической литературе.
На фиг.1 представлена блок - схема устройства для ежесуточного контроля состояния дистракционного костного регенерата и схема его подключения к компрессионно-дистракционному аппарату с кольцевыми опорами; на фиг.2 представлен вариант выполнения компрессионно-дистракционного аппарата с опорами в виде дуг; на фиг.3, 4 представлены графики зависимости работы, затрачиваемой током на перевод исследуемого участка дистракционного костного регенерата из одного состояния в другое, от степени созревания костного регенерата до начала дистракции и после; на фиг.5 представлены графики зависимости работы, затрачиваемой током на перевод исследуемого участка дистракционного костного регенерата из одного состояния в другое, от степени созревания костного регенерата в зависимости от возраста больных.
Устройство (фиг.1, 2) содержит опоры 1 и 2, дополнительную опору 3 со спицами 4, соединенные между собой резьбовыми стержнями 5 с разнонаправленной (правой и левой) резьбой, ввинченными одними концами в гильзы 6, связанные с опорой 1, а другими концами стержни ввинчены в дополнительные гильзы 7, связаны с дополнительной опорой 3. При устранении угловых деформаций гильзы 6 и 7 связаны с опорой 1 и дополнительной опорой 3 посредством шарниров 8. Разнонаправленные резьбы стержней 5 могут быть выполнены с различным по величине шагом.
Каждый из резьбовых стержней 5 в средней части связан с промежуточной опорой 2.
Храповые колеса 9 храповых пар жестко связаны со стержнями 5 и могут быть выполнены с разнонаправленными зубьями.
Рычажные звенья 10 с собачками 11 храповых пар насажаны на подшипники 12, установленные на резьбовых стержнях 5, и кинематически связаны между собой. Эта связь выполнена в виде жестких тяг 13 с шарнирами 14. Местоположение точек закрепления шарниров 14 относительно рычажных звеньев 10 может быть изменено,
Одно из рычажных звеньев 10 связано через шатун 15 с кулачком 16 приводного устройства. Ось вращения 17 шатуна 15 закреплена в корпусе приводного устройства, которое снабжено редуктором 18 и электродвигателем 19. Корпус устройства закреплен на промежуточной опоре 2 с помощью кронштейна 20.
Устройство также содержит кнопку «Пуск», схему управления 21, источник стабилизированного тока 22, ключ 23, измеритель временных интервалов 24, первый пороговый элемент 25, второй пороговый элемент 26, датчик 27 с первым и вторым электродами, причем первый электрод выполнен в виде иголки с возможностью ее введения в участок сочленения костного регенерата, а вторым электродом является опора со спицами компрессионно-дистракционного аппарата, первый участок цепи 28, второй участок цепи 29, временное устройство 30, запоминающее устройство 31, арифметическо-логическое устройство 32.
Электродвигатель 19 соединен электрической цепью с источником питания и электронным блоком управления 33.
При этом источник стабилизированного тока 22 соединен первым выходом с общей шиной, вторым выходом с первым входом ключа 23, выход которого подключен к входу первого порогового элемента 25 и через первый участок цепи 28 к первому электроду датчика. Второй электрод датчика через второй участок 29 цепи подключен к общей шине. Схема управления 21 подключена первым входом к кнопке «Пуск», вторым входом - к первому выходу временного устройства 30, первым выходом - ко второму входу ключа 23, вторым выходом - ко второму входу измерителя временных интервалов 24. Первый выход первого порогового элемента 25 подключен к первому входу измерителя временных интервалов 24, первый вход второго порогового элемента 26 через первый участок цепи 28 - к первому электроду датчика, а выход - к третьему входу измерителя временных интервалов 24, вход временного устройства 30 подключен к кнопке «Пуск», второй выход которого подключен ко второму входу запоминающего устройства 31, первый вход которого подключен к первому выходу измерителя временных интервалов 24, а выход - к первому входу арифметическо-логического устройства 32, второй вход которого подключен ко второму выходу измерителя временных интервалов 24, а выход - к электронному блоку управления 33.
Введение в устройство для контроля состояния дистракционного костного регенерата новых элементов: схемы управления 21, источника стабилизированного тока 22, ключа 23, измерителя временных интервалов 24, первого порогового элемента 25, второго порогового элемента 26, временного устройства 30, запоминающего устройства 31, арифметическо-логического устройства 32, выполнение первого электрода в виде иголки с возможностью ее введения в участок сочленения костных фрагментов и использование в качестве второго электрода опоры со спицами компрессионно-дистракционного аппарата позволяют осуществить ежесуточный контроль состояния дистракционного костного регенерата с определением момента начала дистракции и ежесуточной величины дозированных однократных перемещений костных фрагментов по величине разницы работы, затрачиваемой на перевод исследуемого участка дистракционного костного регенерата из одного состояние в другое, между последующим и предыдущим суточными значениями, способствуют оптимизации сроков лечения больных и снижению травматичности.
Сущность использования устройства состоит в следующем. Остеотомируют кость в одном из метафизарных отделов, осуществляют ежесуточный контроль состояния дистракционного костного регенерата по величине разницы работы, затрачиваемой током на перевод исследуемого участка дистракционного костного регенерата из одного состояния в другое, между последующим и предыдущим суточными значениями, осуществляют перемещение дистального и среднего фрагментов относительно проксимального на ежесуточную дозированную величину.
После выполнения остеотомии аппарат монтируется так, что фиксация фрагментов костей осуществляется следующим образом: проксимальный фрагмент кости закрепляется спицами 4 в опоре 1, а дистальный - в дополнительной опоре 3.
Первый электрод датчика 27 вводится в участок сочленения костных фрагментов, вторым электродом является компрессиоонно-дистракционный аппарат.
При нажатии кнопки «Пуск» схема управления 21 обнуляет показания измерителя временных интервалов 24, обнуляются показания временного устройства 30.
Со схемы управления 21 включается ключ 23, ток с источника стабилизированного тока 22 поступает на ключ 23, на первый участок цепи 28, датчик 27, второй участок цепи 29 и общую шину. При достижении на датчике 27 напряжения, превышающего порог срабатывания первого порогового элемента 25, первый пороговый элемент 25 срабатывает и запускает измеритель временных интервалов 24, который начинает отсчет времени изменения межэлектродного потенциала от нижнего уровня до верхнего. При достижении на датчике напряжения, превышающего порог срабатывания второго порогового элемента 26, второй пороговый элемент 26 срабатывает и прекращается отсчет времени измерителя временных интервалов 24, значение измерителя временных интервалов поступает на арифметическо - логическое устройство 32. Информация в измерителе временных интервалов 24 сохраняется до срабатывания временного устройства 30. Одновременно на арифметическо-логическое устройство 32 по сигналу с измерителя временных временных интервалов 24 из запоминающего устройства 31 считывается значение (по включению питания в запоминающем устройстве 31 содержится нулевое значение). Арифметическо-логическое устройство 32 вычисляет разницу между этими значениями, которая отображается на табло арифметическо-логического устройства 32. Арифметическо-логическое устройство 32 по значению полученной разницы между последующим и предыдущим значениями вырабатывает определенное количество импульсов, которые поступают на электронный блок управления 33.
Арифметическо-логическое устройство 32 вычисляет разницу между последующим и предыдущим значениями, соответствующими временным интервалам достижения значений межэлектродного потенциала от нижнего уровня до верхнего пороговых значений пороговых элементов 25 и 26. Поскольку работа ведется на стабилизированных токах при фиксированных значениях верхнего и нижнего уровней межэлектродного потенциала, то разница во временных интервалах соответствует значению работы, затрачиваемой током на перевод исследуемого участка дистракционного костного регенерата из одного состояния в другое.
В арифметическо-логическом устройстве 32 происходит сравнение полученной разницы работы тока между последующим и предыдущим значениями ΔА с пороговым значением ΔАП (пороговое значение ΔАП устанавливается экспериментально) (фиг.3, 4). Также экспериментально установлено, что работа тока уменьшается по мере созревания дистракционного костного регенерата. Если ΔА>ΔАП, то момент начала дистракции еще не наступил, и на электронный блок управления 33 импульсы не поступают. Если ΔА≤ΔАп, то момент начала дистракции наступил, и на электронный блок управления 33 поступает количество импульсов, зависящее от разницы работы ΔА, вычисляемой арифметическо-логическим устройством 32. В зависимости от свойств костной ткани момент начала дистракции будет определяться в различные сутки. Например, костеобразование в разных возрастных группах пациентов осуществляется с различной интенсивностью, что соответствующим образом влияет на изменение работы тока по мере созревания дистракционного костного регенерата. На фиг.5 кривая 1 соответствует детскому и подростковому возрасту, кривая 2 соответствует среднему возрасту, кривая 3 - пожилому. В случае, когда момент начала дистракции наступил, электронный блок управления 33 подключает электродвигатель 19 к источнику питания (на фиг.1, 2 не показан) и по количеству импульсов с арифметическо-логического устройства 32 задает число оборотов вала.
На фиг.3, 4 точка А1 соответствует моменту начала дистракции. В этот момент арифметическо-логическое устройство 32 вырабатывает 100 импульсов, поступающих на электронный блок управления, что соответствует вращению вала на один оборот, при этом на кривой зависимости работы от степени созревания дистракционного костного регенерата происходит скачкообразное изменение работы на величину t. Затем в течение суток работа тока уменьшается до определенной величины. Величина t соответствует вращению вала на один оборот, определяется экспериментально и принимается за 100% (вращение вала на один оборот вносит изменения в свойства дистракционного костного регенерата, соответствующее разнице работ между значениями работы до поворота вала и после, которая, по экспериментальным данным, постоянна и равна ΔА=t=3.5·10-7 Дж).
Если производить дистракцию, как в известных способах (каждые сутки на один оборот вала), зависимость работы тока от степени созревания дистракционного костного регенерата будет представлять собой кривую, представленную на фиг.3. В этом случае предполагается, что разница работы тока между последующим и предыдущим суточными значениями ΔА всегда будет равна нулю. Это означает, что величина перемещения костных фрагментов не измениться и будет равна одному обороту вала на протяжении всего периода дистракции.
В действительности, можно выделить три случая, описывающих возможные изменения работы тока от изменений состояния дистракционного костного регенерата за сутки (фиг.4). В первом случае (кривая 1) разница работы между последующим и предыдущим значениями ΔА равна нулю (то есть это случай, показанный на фиг.3), арифметическо - логическое устройство 32 вырабатывает 100 импульсов, что соответствует вращению вала на один оборот. Во втором случае (кривая 2) ΔА=ΔL1, арифметическо-логическое устройство 32 вырабатывает количество импульсов, пропорциональное величине (t-ΔА)%, что соответствует вращению вала на (t-ΔА)% от одного оборота. В третьем случае (кривая 3) ΔA=ΔL2, арифметическо - логическое устройство 32 вырабатывает количество импульсов, пропорциональное величине (t+ΔА)%, что соответствует вращению вала на (t+ΔА)% от одного оборота. Например, для ситуации, когда предыдущее значение работы находится в точке А2, а последующее в точке А3 ΔА=AL1+ΔL2, арифметическо-логическое устройство 32 вырабатывает количество импульсов, пропорциональное величине ((t-ΔL1)+ΔА)%, что соответствует вращению вала на ((t-ΔL1)+ΔА)% от одного оборота. Таким образом, поскольку значение разницы работы между последующим и предыдущим суточными значениями, в процентах, может получиться как положительным, так и отрицательным (±ΔA), величина дозированных однократных перемещений костных фрагментов d определяется как (((t%±ΔL%)-(±ΔА%)) процентов от одного оборота, где ΔL - значение (%), на которое в предыдущие сутки увеличили или уменьшили перемещение.
При подключении электродвигателя 19 к источнику питания вращение вала электродвигателя 19, пропорциональное количеству импульсов с арифметическо-логического устройства 32, через редуктор 18 передается на кулачок 16 и шатун 15, который сообщает возвратно-вращательные движения рычажным звеньям 10 храповых пар, соединенных между собой жесткими тягами 13 с шарнирами 14.
Собачки 11 рычажных звеньев 10 обеспечивают прерывистые односторонние вращения резьбовых стержней 5 через зубья храповых колес 9. Резьбовые стержни 5, выполненные на концах резьбовыми, при повороте кулачка 16 на один оборот одновременно начинают вращаться и вывинчиваются из гильз 6 и дополнительных гильз 7 на величину, равную шагу зубьев храповых колес 9. Резьбовые стержни 5, вывинчиваясь из гильз 6 и дополнительных гильз 7, обеспечивают перемещение промежуточной опоры 2 и дополнительной опоры 3 вместе с костными фрагментами, зафиксированными в дополнительной опоре 3, относительно опоры 1 и ее фрагмента.
Спустя сутки срабатывает временное устройство 30 и выдает сигналы на запоминающее устройство 31 для разрешения записи значения с измерителя временных интервалов 24 и на схему управления 21, которая по этому сигналу формирует импульс, обнуляющий измеритель временных интервалов 24. Далее работа устройства осуществляется циклично, по описанию, приведенному выше.
Оптимизация сроков лечения больных и снижение травматичности достигаются с помощью осуществления ежесуточного контроля состояния дистракционного костного регенерата, с определением момента начала дистракции и ежесуточной величины дозированных одноразовых перемещений костных фрагментов по величине разницы работы, затрачиваемой на перевод исследуемого участка дистракционного костного регенерата из одного состояние в другое, между последующим и предыдущим суточными значениями.
Устройство для контроля состояния дистракционного костного регенерата позволяет осуществлять ежесуточный контроль состояния дистракционного костного регенерата по величине разницы работы, затрачиваемой током на перевод исследуемого участка дистракционного костного регенерата из одного состояние в другое, между последующим и предыдущим суточными значениями, что нельзя было осуществить с помощью прототипа.
Рентгеновский метод, используемый для контроля состояния дистракционного костного регенерата при удлинении конечности, позволяет определить формирование дистракционного костного регенерата по снимку лишь на 30-35 день лечения, в то время как его формирование начинается спустя 20 дней [5].
Осуществление ежесуточного контроля состояния дистракционного костного регенерата с получением численной величины через определенные моменты времени, характеризующей состояние дистракционного костного регенерата, позволяет постоянно получать информацию о состоянии дистракционного костного регенерата, определять оптимальный момент начала дистракции и ежесуточную величину дозированных однократных перемещения костных фрагментов с учетом индивидуальных особенностей организма и темпа созревания костного регенерата, что позволяет оптимизировать сроки лечения больных и снизить травматичность.
Количество суток лечения больных связано с величиной ежесуточного дозирования следующим образом:
,
где nc - количество суток лечения больных, L - необходимое удлинение конечности, ED - ежесуточное дозирование.
Ежесуточное дозирование определяется с учетом индивидуальных особенностей организма и степени созревания дистракционного костного регенерата по показаниям арифметическо-логического устройства 32, полученным при предоставлении информации о состоянии дистракционного костного регенерата с помощью датчика 27, первый электрод которого расположен непосредственно в участке сочленения дистракционного костного регенерата, в то время как в прототипе ежесуточная дозировка является обобщенной стандартной величиной, полученной на основе статистических данных скорости формирования костного регенерата, не учитывающей индивидуальных особенностей организма и степени созревания дистракционного костного регенерата.
Первый электрод датчика 27 находится в участке сочленения дистракционного костного регенерата до окончания лечения больного. И на протяжении всего лечения предоставляется информация о состоянии дистракционного костного регенерата.
Разработанное устройство позволяет осуществлять контроль состояния дистракционного костного регенерата с определением момента начала дистракции и ежесуточной величины дозированных однократных перемещений костных фрагментов, учитывающей индивидуальные особенности организма и степень созревания дистракционного костного регенерата, что улучшает условия регенерации костной ткани, обеспечивает постоянное и равномерное растяжение мягких тканей, исключающее их травматизацию или необратимые функциональные расстройства, снижает риск возникновения осложнений, приводит к оптимизации сроков лечения и реабилитации больных.
Устройство для ежесуточного контроля состояния дистракционного костного регенерата можно использовать для удлинения конечности в других компрессионно-дистракционных аппаратах, работающих без автоматического перемещения костных фрагментов, где удлинение конечности производится дозированным подкручиванием гаек, например при использовании компрессионно-дистракционного аппарата для удлинения фаланг пальцев [6]. Тогда момент начала дистракции и ежесуточная величина однократных дозированных перемещений костных фрагментов будут определяться по величине, показанной на табло арифитическо-логического устройства 32.
Источники информации
1. Ав.св. SU 1792671, кл. А 61 В 17/58, 07. 02. 93.
2. А.В.Попков. Оперативное удлинение бедра методом Г.А.Илизарова (учебно-методические разработки). - Курган, Российский научный центр «Восстановительная травматология и ортопедия» им. Г.А.Илизарова.
3. А.М.Чиркова. Репаративная регенерация и перестройка кости после разрыва дистракционного регенерата. //Гений ортопедии. - 1997. - №4.
4. Патент РФ №2177248 С2, кл. А 61 В 5/053, 27.12.2001.
5. Рентгенология /Под. Ред. В.И.Милько. - Киев: Высшая школа, 1983.
6. Ав.св. SU 170831, кл. А 61 В 17/60, 30.01.92.
Устройство для контроля состояния дистракционного костного регенерата, содержащее компрессионно-дистракционный аппарат и датчик с электродами, отличающееся тем, что первый электрод датчика выполнен в виде иголки с возможностью ее введения в участок сочленения костных фрагментов, а вторым электродом датчика является опора со спицами компрессионно-дистракционного аппарата, кроме того, оно дополнительно снабжено схемой управления, источником стабилизированного тока, ключом, измерителем временных интервалов, первым пороговым элементом, вторым пороговым элементом, временным устройством, запоминающим устройством, арифметическо-логическим устройством, при этом первый выход источника стабилизированного тока соединен с общей шиной, второй выход - с первым входом ключа, выход которого подключен ко входу первого порогового элемента и через первый участок цепи к первому электроду датчика, второй электрод датчика через второй участок цепи подключен к общей шине, первый вход схемы управления подключен к кнопке "Пуск", первый выход - ко второму входу ключа, второй выход - ко второму входу измерителя временных интервалов, причем выход первого порогового элемента подключен к первому входу измерителя временных интервалов, вход второго порогового элемента через первый участок цепи - к первому электроду датчика, а выход - к третьему входу измерителя временных интервалов, вход временного устройства подключен к кнопке "Пуск", первый выход - ко второму входу схемы управления, второй выход - ко второму входу запоминающего устройства, первый вход которого подключен к первому выходу измерителя временных интервалов, выход - к первому входу арифметическо-логического устройства, второй вход которого подключен ко второму выходу измерителя временных интервалов, а его выход - к электронному блоку управления компрессионно-дистракционного аппарата.
