Способ моделирования ротационных нагрузок на позвоночные сегменты в эксперименте

Изобретение относится к медицине и может быть использовано в травматологии и ортопедии. Способ заключается в том, что анатомический препарат позвоночных сегментов закрепляют в подвижных платформах, имеющих карданные узлы, за крайние позвонки с помощью костного цемента. При этом центры вращения позвонков и центры карданных узлов подвижных платформ располагают на одной линии, соответствующей вертикальной оси позвоночного столба, а расстояние от центра карданного узла платформы до центра позвонка, закрепленного в ней, соответствует расстоянию между позвоночными сегментами. Создают нарастающий вращающий момент на стенде механических испытаний и передают его через платформы на исследуемый анатомический препарат позвоночных сегментов. Имитируют подвижность смежных позвонков при ротационных нагрузках in vivo, обеспечивая возможность появления деформации изгиба, сдвига и ассиметричного сжатия, и наблюдают локальное разрушение анатомического препарата. Способ обеспечивает повышение достоверности условий моделирования. 4 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 так же 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). Среди неосложненных повреждений позвоночника травмы на грудном отделе отмечаются у 29,2%-43,9% больных, на поясничном отделе - у 40,9%-46,0% пострадавших (А.И.Казьмин, А.В.Каплан 1983; М.Ф.Дуров и др., 1983). При позвоночно-спиномозговой травме 13,3%-39,2% повреждений локализуются в грудном отделе, 31,4%-48,5% - в поясничном отделе (Г.С.Юмашев, и др. 1979; В.П.Берснев и др. 1998.). 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 недостаточно. 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. Известно, что основными видами физиологических нагрузок, воздействующих на позвоночник, являются вертикальное сдавление, разноплоскостные изгибы и скручивание (White A., Panjabi M. Clinical biomechanics of the spine. - Philadelphia. - 1990, - 534 р.). Эти же нагрузки воздействуют на травмированный позвоночник после металлоостеосинтеза.

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

Задачи изобретения:

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

- Максимально приблизить в эксперименте механические условия, в которых находятся позвоночные сегменты при статической ротационной нагрузке, к условиям, существующим прижизненно.

- Обеспечить возможность беспрепятственного возникновения в тестируемом блоке позвоночных сегментов при изолированной ротационной нагрузке не только торсионной деформации, но и вероятных деформаций изгиба, сдвига и ассиметричного сжатия.

- При величинах ротационных нагрузок, превышающих предел прочности тканей позвоночника, обеспечить возможность появления типичных смещений, переломовывихов и других существующих в реальных условиях повреждений позвоночных сегментов.

Предлагаемый способ моделирования ротационных нагрузок на позвоночные сегменты в эксперименте заключается в том, что анатомический препарат позвоночных сегментов закрепляют в подвижных платформах, имеющих карданные узлы, за крайние позвонки с помощью костного цемента так, что центры вращения позвонков и центры карданных узлов подвижных платформ находятся на одной линии, соответствующей вертикальной оси позвоночного столба, а расстояние от центра карданного узла платформы до центра позвонка, закрепленного в ней, соответствует расстоянию между позвоночными сегментами. Создают нарастающий вращающий момент на стенде механических испытаний и передают его через платформы на исследуемый анатомический препарат позвоночных сегментов, имитируют подвижность смежных позвонков при ротационных нагрузках in vivo, обеспечивая возможность появления деформации изгиба, сдвига и ассиметричного сжатия, наблюдают локальное разрушение анатомического препарата.

Преимуществами предлагаемого способа моделирования ротационной нагрузки на позвоночные сегменты в эксперименте являются: возможность изолированного ротационного воздействия на отдельный позвоночный двигательный сегмент или на несколько сегментов, в зависимости от цели исследования; максимальное приближение механических условий, в которых находятся позвоночные сегменты во время исследований, к условиям, существующим прижизненно. Способ обеспечивает возможность беспрепятственного возникновения в тестируемом блоке позвоночных сегментов при изолированной ротационной нагрузке не только торсионной деформации, но и деформации изгиба, сдвига и ассиметричного сжатия. Деформации могут возникать за счет смещений позвонков относительно друг друга во фронтальной, сагитальной и горизонтальной плоскостях. При величинах ротационных нагрузок, превышающих предел прочности ткани позвоночных сегментов, предлагаемый способ обеспечивает возможность появления вывихов переломовывихов и других существующих в реальных условиях повреждений позвоночных сегментов.

Применение предлагаемого способа для моделировании ротационных нагрузок на позвоночные сегменты позволит приблизить механические условия, в которых находятся анатомические препараты позвоночника в эксперименте к условиям, существующим in vivo.

При разработке способа моделирования ротационных нагрузок на позвоночные сегменты в эксперименте мы исходили из того, что в реальных прижизненных условиях ротационные усилия передается на любой позвоночный сегмент через смежные выше- и нижележащие позвонки, межпозвоночные диски и связочный аппарат. При возникновении под действием нагрузки любых деформаций позвоночного сегмента (скручивания, изгиба, сдвига, сжатия) соседние позвонки, передающие эту нагрузку, адекватно смещаются, меняя свое пространственное положение в соответствии с возникающими деформациями. При скручивании они поворачиваются, при изгибе - наклоняются в соответствующую сторону, совершая движения относительно внутреннего центра вращения, находящегося в задней части средней остеолигаментарной колонны в непосредственной близости от передней стенки позвоночного канала. В эксперименте ротационную нагрузку тестирующей машины на блок позвоночных сегментов передают подвижные платформы, которые должны иметь возможность менять свое пространственное положение в соответствии с любыми деформациями, возникающими в исследуемом препарате, и не препятствовать их появлению. При этом движения платформ под нагрузкой должны быть аналогичны физиологической подвижности смежных сегментов позвоночника in vivo в аналогичных биомеханических условиях. Последнее условие может быть достигнуто только при соответствующем взаиморасположении карданных узлов платформ и центров вращения смежных позвоночных сегментов вдоль продольной оси позвоночного столба, причем расстояние от центра карданного узла платформы до центра позвонка, закрепленного в ней, должно соответствует расстоянию между позвоночными сегментами (см. фиг.1, на которой показано соотношение центров вращения позвоночных сегментов и центров карданных узлов подвижных платформ при проведении ротационных нагрузочных тестов, А - во фронтальной плоскости, Б - в сагитальной плоскости).

Разработанные нами для реализации предлагаемого способа платформы (фиг.2) передают ротационные усилия измеряющей машины на тестируемые позвоночные сегменты через карданный узел (1, фиг.2) и способны смещаться при появлении различных деформаций в исследуемом препарате, имитируя дислокации смежных позвонков, возникающие in vivo под действием ротационной нагрузки. На фиг.3 и 4 представлены варианты смещения подвижных платформ при возникновении различных деформаций исследуемого анатомического препарата при проведении ротационных нагрузочных тестов (на фиг.3 - вариант возникновения деформации изгиба, на фиг.4 - возникновение деформации сдвига под действием ротационной нагрузки на позвоночные сегменты.).

Способ осуществляют следующим образом. Исследуемый анатомический препарат, состоящий из двух, трех или более сегментов, закрепляют в подвижных платформах за крайние позвонки с помощью костного цемента таким образом, что центры вращения позвонков находятся на одной линии с центрами карданных узлов подвижных платформ, соответственно вертикальной биомеханической оси исследуемого препарата (фиг.1). Для точной ориентации блока позвоночных сегментов по отношению к карданным узлам подвижных платформ через крайние замыкательные пластины в тела проксимального и дистального позвонков исследуемого блока вводят спицы-центраторы, расположение которых соответствует проекции вертикальной биомеханической оси позвоночника, проходящей в дорзальной части средней остеолигаментарной колонны (по Denis). В качестве спиц-центраторов используют отрезки спиц Киршнера длиной 15 мм. Наружный конец спицы выстоит над поверхностью замыкательной пластины на 4-5 мм. На замыкательную пластину наносят тонкий слой костного цемента, после чего выстоящий конец спицы-центратора вставляют в отверстия d-2,5 мм, находящиеся в центре опорной площадки каждой платформы непосредственно над карданным узлом. При этом анатомический препарат располагают на подвижной платформе, плотно прижимая крайнюю замыкательную пластину к поверхности опорной площадки. Окончательную фиксацию анатомического препарата на опорной площадке подвижной платформы производят с помощью костного цемента (2, фиг.2), который заливают в зазор между бортиком опорной площадки и боковыми поверхностями закрепляемого позвонка. После полимеризации цемента аналогичным образом закрепляют противоположный конец анатомического блока позвоночных сегментов на опорной площадке второй подвижной платформы. Таким образом, после закрепления анатомического препарата между платформами карданные узлы располагаются строго вдоль вертикальной биомеханической оси тестируемого блока позвоночных сегментов, а расстояние от центра карданного узла платформы до центра позвонка, закрепленного в ней, соответствует расстоянию между позвоночными сегментами.

Платформы с закрепленным в них блоком позвоночных сегментов устанавливают между рабочими валами стенда механических испытаний. После этого подают постепенно нарастающий вращающий момент, передающийся через рабочие валы и подвижные платформы на анатомический блок позвоночных сегментов в виде ротационной нагрузки, под действием которой происходит деформация исследуемого препарата. Подвижные платформы, передающие ротационную нагрузку тестирующей машины на исследуемый препарат позвоночных сегментов, не препятствуют возникновению различных сложных деформаций в анатомическом блоке (фиг.3, 4). Сами платформы меняют при этом свою пространственную ориентацию аналогично смежным позвонкам, передающим ротационную нагрузку на соседние сегменты in vivo. По мере нарастания деформации и дальнейшего увеличения ротационной нагрузки изменяются механические свойства нагружаемых позвоночных сегментов, их реакция на возрастающую нагрузку и характеристики воздействующего усилия. Любые деформации могут быть измерены и зафиксированы в соответствии с ротационной нагрузкой, вызвавшей их появление, вплоть до момента разрушения тестируемого анатомического препарата для последующего анализа.

Предлагаемый способ апробирован нами при проведении серии экспериментальных исследований жесткости и прочности остеосинтеза позвоночника транспедикулярной спинальной системой производства ООО МТФ «Синтез» (г. Санкт-Петербург). Исследования проводились в лаборатории кафедры сопротивления материалов Краснодарского технологического университета на стенде механических испытаний VEB Werkstoffprufmaschinen 211/19 (Leipzig, DDR). Для испытаний использовались анатомические препараты блоков позвоночных сегментов T₁₂-L₂, изъятые на секции у лиц 20-55 летнего возраста, доставленных в морг кафедры судебной медицины КГМА не позднее 48 часов после смерти. Заболевания, явившиеся причиной смерти в указанной группе, не оказывали влияния на структуру тканей позвоночника. Изъятие блоков позвоночных сегментов проводили в соответствии с требованиями подготовки тканей экспериментальных животных и человека для биомеханических исследований (Сикилинда В.Д., Акопов В.И., Хлопонин П.А. и др. Подготовка тканей экспериментальных животных и человека для биомеханических и морфологических исследований. - Методические рекомендации. - Ростов-на-Дону - Санкт-Петербург. - 2002. - 42 с.). Серия экспериментов включала 6 опытов, в которых исследовались неповрежденные позвоночные сегменты, а также имитировалось разрушение передней и средней опорных остеолигаментарных колон на уровне L₁ и остеосинтез Th₁₂-L₂ транспедикулярной спинальной системой производства ООО МТФ «Синтез», г. Санкт-Петербург (аналогично схеме на фиг.4).

Пример использования: На анатомическом препарате трех позвоночных сегментов (T₁₂-L₂) с помощью долота было произведено разрушение краниальной части тела L₁ до 70% его вертикального размера. Задняя остеолигаментарная колонна была полностью сохранена. Произведен остеосинтез позвоночных сегментов транспедикулярной спинальной системой «Синтез», состоящей из 4-х винтов диаметром 6 мм с длиной резьбовой части 50 мм. Винты введены через корни дуг в тела T₁₂ и L₂ и соединены двумя продольными штангами диаметром 6, 7 мм. Синтезированный блок позвоночных сегментов закреплен в подвижных платформах за крайние позвонки с помощью костного цемента таким образом, что центры вращения позвонков находились на одной линии с центрами карданных узлов подвижных платформ соответственно вертикальной биомеханической оси исследуемого препарата. Для точной ориентации блока позвоночных сегментов по отношению к карданным узлам подвижных платформ через крайние замыкательные пластины в тела проксимального и дистального позвонков исследуемого блока были введены спицы-центраторы, расположение которых соответствовало проекции вертикальной биомеханической оси позвоночника, проходящей в дорзальной части средней остеолигаментарной колонны (по Denis). В качестве спиц-центраторов использовали отрезки спиц Киршнера длиной 15 мм. Наружный конец спицы после введения в тело позвонка выстоял над поверхностью замыкательной пластины на 4-5 мм. На замыкательную пластину наносили тонкий слой костного цемента, после чего выстоящий конец спицы-центратора вставляли в отверстия d-2,5 мм, находящиеся в центре опорной площадки каждой платформы непосредственно над карданным узлом. При этом анатомический препарат располагали на подвижной платформе, плотно прижимая крайнюю замыкательную пластину к поверхности опорной площадки. Окончательную фиксацию анатомического препарата на опорной площадке подвижной платформы производили с помощью костного цемента, который заливали в зазор между бортиком опорной площадки и боковыми поверхностями закрепляемого позвонка. После полимеризации цемента аналогичным образом закрепляли противоположный конец анатомического блока позвоночных сегментов на опорной площадке второй подвижной платформы.

Платформы с закрепленным в них блоком позвоночных сегментов закрепили между рабочими валами стенда механических испытаний VEB Werkstoffprufmaschinen 211/19 (Leipzig, DDR). После этого стали подавать постепенно нарастающий вращающий момент, передающийся через платформы на анатомический блок позвоночных сегментов в виде ротационной нагрузки, под действием которой происходила деформация исследуемого препарата. Торсионная деформация регистрировалась сразу после начала нагрузки, а при усилии 24 Nм отмечено появление бокового изгиба тестируемых сегментов на 3 градуса. При нагрузке 38 Nм торсионная деформация составляла 12 градусов, а боковой изгиб увеличился до 9 градусов. Подвижные платформы, передающие ротационную нагрузку тестирующей машины, не препятствовали возникновению сложной деформации в анатомическом блоке. Они меняли свою пространственную ориентацию аналогично смежным позвонкам, передающим ротационную нагрузку на соседние сегменты in vivo, совершая адекватные прогрессирующей деформации наклонно-угловые перемещения. При нагрузке 39 Nм произошло локальное разрушение препарата в области корня одной (левой) дуги Т₁₂ с дислокацией установленного в этот позвонок винта в дорзальном направлении. В дальнейшем увеличение торсионной деформации и деформации изгиба происходило без увеличения ротационной нагрузки.

Использование предлагаемого способа моделирования ротационных нагрузок на позвоночные сегменты в эксперименте позволило измерить в корректных биомеханических условиях торсионную деформацию, а также выявить и измерить величину появляющейся при ротационной нагрузке деформации изгиба исследуемого анатомического блока позвоночных сегментов, которая имеет большое практическое значение. Полученные результаты могут быть положены в основу дальнейших исследований и позволят обосновать режим реабилитационных нагрузок в послеоперационном периоде у больных, перенесших аналогичную операцию транспедикулярного остеосинтеза на позвоночнике.

Способ моделирования ротационных нагрузок на позвоночные сегменты в эксперименте, заключающийся в том, что анатомический препарат позвоночных сегментов закрепляют в подвижных платформах, имеющих карданные узлы, за крайние позвонки с помощью костного цемента так, что центры вращения позвонков и центры карданных узлов подвижных платформ находятся на одной линии, соответствующей вертикальной оси позвоночного столба, а расстояние от центра карданного узла платформы до центра позвонка, закрепленного в ней, соответствует расстоянию между позвоночными сегментами, создают нарастающий вращающий момент на стенде механических испытаний и передают его через платформы на исследуемый анатомический препарат позвоночных сегментов, имитируют подвижность смежных позвонков при ротационных нагрузках in vivo, обеспечивая деформации изгиба, сдвига и асимметричного сжатия, наблюдают локальное разрушение анатомического препарата.