CC BY
38УДК: 617 -089.844
АНАЛИЗ КОМПЕНСАТОРНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ АППАРАТА ЭКЗОСКЕЛЕТ НИЖНЕЙ ЧЕЛЮСТИ
Воробьев А. А.1, Михальченко Д. В.2, Саргсян К. А.1, Дьяченко Д. Ю.1, Дьяченко С. В.3
Кафедра оперативной хирургии и топографической анатомии ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный медицинский университет» Минздрава Российской Федерации, Волгоград, ул.Рокоссовского, 1г.
2Кафедра пропедевтики стоматологических заболеваний ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный медицинский университет» Минздрава Российской Федерации, Волгоград, ул. Герцена, 10.
3Кафедра терапевтической стоматологии ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный медицинский университет» Минздрава Российской Федерации, Волгоград, ул. Герцена, 10.
Для корреспонденции: Дьяченко Денис Юрьевич, аспирант кафедры и топографической анатомии ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный медицинский университет», e-mail: [email protected]
For correspondence: Dyachenko Denis Yurievich, post-graduate student of the department of operative surgery and topography anatomy of the Volgograd State Medical University, e-mail: [email protected]
Information about authors:
Vorobiev A. A., http://orcid.org. 0000-0001-8378-0505 Mikhalchenko D. V., http://orcid.org. 0000-0002-0479-8588 Sargsyan K. A., http://orcid.org. 0000-0002-6118-7302 Dyachenko, D. Y., http://orcid.org. 0000-0003-4445-6109 Dyachenko S. V., https://orcid.org/0000-0002-5526-8130
РЕЗЮМЕ
Одной из наиболее распространенных травм костей лицевого отдела головы являются переломы нижней челюсти. Для восстановления функциональной активности при переломе нижней челюсти нами был разработан аппарат экзоскелет. Целью нашего исследования является доказательство компенсаторных возможностей упругих элементов аппарата экзоскелета нижней челюсти для лечения ее переломов. В ходе исследования были выбраны и рандомно распределены на 2 группы 70 добровольцев. Участникам контрольной группы было предложено ношение аппарата с грузом в течение 20 минут. Испытуемым основной группы дополнительно предложено использование эластической резиновой тяги. Направление тяги упругих элементов симулирует упругие элементы аппарата экзоскелет, которые были установлены параллельно суммарному вектору всех мышц, относящихся к движению поднимания нижней челюсти. Всем испытуемым изначально проведена оценка состояния жевательных мышц методом гнатодинамометрии.
В ходе исследования в контрольной группе выявлено переутомление мышц, проявляющееся снижением их силовых характеристик, что сопровождалось чувством усталости и легкой болезненности. Эластическая тяга позволила разгрузить жевательные мышцы, уравновешивая силы тяжести нижней челюсти вместе с грузом, сохранив при этом объем движений. Разработанная методика моделирования нагрузки и аппарат позволили определить, что длительная статическая и динамическая нагрузка вызывают переутомление, а впоследствии и снижение сократительной и силовой активностей. Предложенная для восстановления данных показателей резиновая тяга доказала свою эффективность. При сравнении результатов исследования установлено, что применение эластических элементов аппарата экзоскелет позволяет снизить утомляемость и сохранить тонус жевательных мышц.
Ключевые слова: экзоскелет нижней челюсти; переломы нижней челюсти; гнатодинамометрия.
AN ANALYSIS OF THE COMPENSATORY CAPABILITIES OF THE ELASTIC ELEMENTS OF THE LOWER JAW EXOSKELETON APPARATUS
Vorobiev A. A.1, Mikhalchenko D. V.2, Sargsyan K. A.1, Dyachenko, D. Y.1, Dyachenko S. V.3
1The department of operative surgery and topography anatomy of the Volgograd State Medical University, Volgograd, Russia 2The department of propaedeutics of dental diseases of the Volgograd State Medical University, Volgograd, Russia 3The department of therapeutic dentistry of Volgograd State Medical University, Volgograd, Russia
SUMMARY
One of the most common injuries of the bones of the facial part of the head are fractures of the lower jaw. To restore the functional activity damaged by a mandible fracture, we have developed an exoskeleton. The aim of our study was to prove the compensatory capabilities of the elastic elements of the apparatus of the lower jaw exoskeleton for the treatment of fractures. During the study, 70 volunteers were selected and randomly distributed into 2 groups. The volunteers in the control group were suggested to wear the apparatus with a load for 20 minutes. The test subjects of the main group were additionally offered to use elastic rubber rods. The thrust of these elastic elements simulates the elastic elements of the exoskeleton apparatus, which were installed parallel to the total vector of all muscles related to the lower jaw lifting movement. Initially for all the test subjects the condition of the masticatory muscles was assessed by the method of gnathodynamometry.
In the course of the study, in the control group we revealed muscle fatigue manifested by a decrease in the muscle strength characteristics, which was accompanied by a feeling of fatigue and mild pain. Elastic traction allowed to relieve the chewing muscles, balancing the gravity of the lower jaw with the load, while maintaining
2018, tom 21, № 3
the volume of movements. The developed method of the load modeling and the apparatus allowed to determine that a long-term static and dynamic load causes fatigue, and eventually a reduction of contractile and force activities. The proposed rubber thrust for the recovery of these indicators has proved its effectiveness. Comparing the results of the study has shown that the use of elastic elements of the exoskeleton can reduce fatigue and maintain the tone of the masticatory muscles.
Key words: exoskeleton mandible; mandibular fractures; gnathodynamometry.
Одной из наиболее распространенных травм костей лицевого отдела головы являются переломы нижней челюсти [1; 2]; они сопровождаются повреждением жевательных мышц, непосредственным воздействием травмирующего фактора, ущемлением мышечных волокон отломками нижней челюсти, которое происходит также в результате отсечения сухожилия во время оперативного доступа к линии перелома при открытом остеосин-тезе [3; 4].
Одним из факторов активации процессов осте-огенеза является ранняя функциональная нагрузка на костную ткань [5]. Это не осуществимо без сохранения двигательной активности жевательных мышц.
Принимая во внимание хирургические и косметические особенности проведения операций в челюстно-лицевой области [6], для восстановления функциональной активности при переломе нижней челюсти нами был разработан аппарат экзоскелет нижней челюсти (патент №2655086 от 17.07.2017) - конструкция многоцелевого назначения, позволяющая обеспечить точность репозиции отломков нижней челюсти в горизонтальной, фронтальной и сагиттальной плоскостях и обеспечить более жесткую фиксацию фрагментов нижней челюсти в заданном положении с возможностью сохранения подвижности нижней челюсти на весь период лечения и способствующей восстановлению функции жевательных мышц при помощи резиновых тяг и головной шапочки, а также позволяет сократить сроки лечения пациента (рис. 1).
Целью является разработка методики и выполнение анализа компенсаторных возможностей упругих элементов экзоскелета нижней челюсти для их возможного применения при оперативном лечении переломов нижней челюсти.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Исследование проводилось при участии 70 добровольцев обоих полов (37женского (54%) и 33 мужского (46%)) в возрасте от 19 до 23 лет, которые предварительно были ознакомлены с ходом испытания, получено добровольное информированное согласие пациента на участие в исследовании. Основным критерием невключения являлось наличие острой патологии и грубых деформаций со стороны тканей и органов челюстно-лицевой области. С целью моделирования нагрузки на жевательные мышцы использовалось модифициро-
ванное устройство для получения диагностических моделей челюстей [4], состоящее из параллельных пластин: пластмассовой индивидуальной оттиск-ной ложки, полученной методом объемной печати на 3Д принтере (рис. 2), помещаемой в полость рта, и расположенной по нижнему краю нижней челюсти дуги из оргстекла с пазами под крепление груза 0,5 кг. Части устройства соединены между собой стержнями (рис. 3).
Оценка состояния жевательных мышц проводилось методом гнатодинамометрии (рис. 4).
Все добровольцы были поделены на группы методом случайной выборки по 35 человек и проведен контрольный замер изначальных показаний гнатодинамометрии. Участникам первой группы, было предложено ношение аппарата с грузом в течение 20 минут. Испытуемым второй группы дополнительно, для восстановления функциональной активности жевательной мускулатуры, предложено использование эластической резиновой тяги (рис. 5). По окончании эксперимента проводили гнатодинамометрию.
Сравнение данных о компенсаторных возможностях экзоскелета проводили с данными всех испытуемых до начала эксперимента.
РЕЗУЛЬТАТЫ
В ходе эксперимента получилось определить суммарный вектор мышц, поднимающих нижнюю челюсть (поверхностная и глубокая жевательные, передняя и задняя височные, передняя и задняя медиальные крыловидные, наружная и внутренняя латеральные крыловидные [7] ).
На основании этих данных удалось разработать тяги упругих элементов аппарата экзоскелет, которые были установлены параллельно суммарному вектору всех мышц, относящихся к движению поднимания нижней челюсти, а также разместить упругие элементы для компенсации нагрузки на приспособлениях в эксперименте.
В ходе исследования выявлено, что показатели гнатодинамометрии без нагрузки у испытуемых соответствовали 486.52± 82.11 Н. В первой группе, подвергшейся 20-минутной нагрузке во время ношения аппарата, выявлено переутомление мышц, проявляющееся снижением их силовых характеристик (395.65±72.48 Н).
По результатам исследования у испытуемых второй группы, эластическая тяга позволила разгрузить жевательные мышцы, уравновешивая силы
Рис. 1.Экзоскелет нижней челюсти. 1-Аппарат внешней фиксации, 2-эластические тяги, 3- головная шапочка
Рис. 2.Индивидуальная ложка
Рис. 3. Конструктивные элементы аппарата. 1 - Индивидуальная ложка, 2 - штифты, 3 - подчелюстная дуга
Рис. 4. Гнатодинамометрия
2018, том 21, № 3
Рис. 5. Эластические тяги для компенсации нагрузки
В
Рис. 6. Распределение векторов всех жевательных мышц
Рис. 7. Данные гнатодинамометрии
тяжести нижней челюсти вместе с грузом, сохранив при этом объем движений. Снижение активности жевательных мышц при этом оказалось приближенным к изначальным значениям (456.96±69.96 Н) (рис. 6), также у испытуемых основной группы не отмечалось никаких дискомфортных ощущений во время и после ношения аппарата.
ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 6 представлено расположение и направления действия мышц, участвующих в движении нижней челюсти [8; 9; 10]. Координаты точек крепления можно взять из соответствующей литературы [11]. Рассматривается случай, когда мышцы являются взаимно независимыми. Сумма векторов определялась по общепринятой в геометрии методике сложения векторов.
В первой группе переутомление мышц, проявляющееся снижением их силовых характеристик, субъективно сопровождалось чувством усталости и легкой болезненности. Такое изменение активности жевательных мышц может возникать при использовании аппарата экзоскелет без эластических элементов. Важным, по мнению многих отечественных и зарубежных ученых, фактором заживления кости является сохранение, а, при нарушении, и скорейшее восстановление функции мышц. Ведь именно они обеспечивают механическую нагрузку на костную ткань, запускающую процессы ее регенерации, что сокращает сроки лечения при переломах [3; 4; 5; 12; 13].
Нами обнаружены данные о применении эластических тяг в способах временной транспортной иммобилизации нижней челюсти [1; 2], ортодонти-ческих аппаратах для лечения патологии прикуса, имеющих в конструкции эластические элементы [14], а также в экзоскелете верхней конечности «ЭКЗАР». Для увеличения амплитуды движения верхней конечности в плечевом и локтевом суставах одной из применяемых систем служат упругие элементы (резиновые кольца) [15; 16; 17; 18]. Сведений о применение упругих элементов для восстановления функциональной активности жевательных мышц в доступной нам литературе не встречалось.
ВЫВОДЫ
1. Разработанные нами методика моделирования нагрузки является репрезентативной и позволяет определить, что длительная статическая и динамическая нагрузки вызывают переутомление, а, впоследствии, снижение сократительной и силовой активностей жевательных мышц.
2. Предложенная резиновая тяга для восстановления данных показателей доказала свою эффективность и компенсирует до 94% нагрузки от изначальных значений гнатодинамометрии, что
позволяет снизить утомляемость и сохранить тонус жевательных мышц.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
The authors have no conflict of interests to declare.
Финансирование: работа выполнялась в рамках гранта «УМНИК».
ЛИТЕРАТУРА
1. Афанасьев В.В. Травматология челюстно-лицевой области: руководство. М.: ГЭОТАР-Ме-диа; 2010.
2. Байриков И.М. Оценка методов лечения и реабилитации больных с переломами НЧ (клини-ко-экспериментальное исследование): Дис.... докт. мед. наук. Самара; 1997. Доступно по http://medical-diss.com/medicina/otsenka-metodov-lecheniya-i-reabilitatsii-bolnyh-s-perelomami-nizhney-chelyusti. Ссылка активна на 26.07.2018.
3. Воробьев А.А., Андрющенко Ф.А. Засып-кина О.А., Кривоножкина П.С. К методике определения анатомически зависимых параметров экзоскелета верхней конечности «ЭКЗАР». Волгоградский научно-медицинский журнал. 2015;(1):58-61.
4. Воробьев А.А., Андрющенко Ф.А., Засып-кина О.А., Кривоножкина П.С. Этапы анатомической параметризации экзоскелета верхней конечности «ЭКЗАР». Журнал анатомии и гистопатологии. 2015;4(2):27-30.
5. Воробьев А.А., Андрющенко Ф.А., Соловьева И.О., Засыпкина О.А., Кривоножкина П.С., Поздняков А.М. Терминология и классификация экзоскелетов. Вестник Волгоградского государственного медицинского университета. 2015;55(3):71-78.
6. Воробьев А.А., Чигрова Н.А., Пылаева И.О., Баринова Е.А. Косметическая анатомия лица. СПб.: ЭЛБИ-СПб; 2017.
7. Воробьев А.А., Петрухин А.В. Засыпкина О.А., Кривоножкина П.С. Основные клинико-ана-томические критерии для разработки экзоскелета верхней конечности. Журнал анатомии и гистопатологии. 2014;3(1):20-27.
8. Воробьев А.А., Петрухин А.В., Засыпкина О.А., Кривоножкина П.С., Поздняков А.М. Экзоске-лет - как новое средство в абилитации и реабилитации инвалидов. (Аналитический обзор). Современные технологии в медицине.2015;7(2):185-197.
9. Дмитриенко С.В., Воробьев А.А., Ефимова Е.Ю. Зубочелюстные сегменты в структуре крани-офациального комплекса. М.: Медицинская книга; 2010.
10. Инкарбеков Ж.Б. Восстановление функций движения нижней челюсти при ее переломе после двух различных способов фиксации отломков. Институт стоматологии. 2008;38(1):48-49.
2018, том 21, № 3
11. Ли Ганг. Новые достижения и секреты, раскрытые при изучении дистракционного остеогене-за. Гений ортопедии. 2007;(1):130-136.
12. Проффит У.Р. Современная ортодонтия. М.:МЕДпрессинформ; 2008.
13. Тимофеев, А.А. Челюстно-лицевая хирургия: учебник. К.: ВСИ "Медицина"; 2010.
14. Kshirsagar R, Jaggi N, HalliR. Bite for cemeasurement in mandibular parasymphyseal fractures: a preliminary clinical study. Craniomaxillofac Trauma Reconstr. 2011;4(4):241-244. doi: 10.1055/s-0031-1293521.
15. Kumar S, Gattumeedhi SR, Sankhla B, Garg A, IngleE, Dagli N. Comparative evaluation of bite forces in patients after treatment of mandibular fractures with miniplate osteosynthesis and internal locking miniplate osteosynthesis. J Int Soc Prev Community Dent. 2014;4(1):26-31. doi: 10.4103/2231-0762.144575.
16. van Eijden T.M.G.J., Korfage J.A.M., Brugman P. Architecture of the human jaw-closing and jaw-opening muscles. The Anatomical Record. 1997;248:464-474.
17. Хватова В.А. Клиническая гнатология. М.: Медицина; 2005.
18. Koolstra J.H., van Eijden T.M.G.J., Weijs W.A., Naeije M. A three-dimensional mathematical model of the human masticatory system predicting maximum possible bite forces. Journal of Biomechan ics.1988;21(7):563-576.
REFERENCES
1. Afanas'ev V. V. Traumatology of the maxillofacial region: a guide. M.: GEOTAR-Media; 2010. (In Russ.).
2. Bairikov I. M. Evaluation of methods of treatment of REABILITACII patients with fractures of
the NCH (clinical-experimental study): Dis.....Dr. med.
sciences. Samara; 1997. Available by http://medical-diss.com/medicina/otsenka-metodov-lecheniya-i-reabilitatsii-bolnyh-s-perelomami-nizhney-chelyusti. The link is active on 26.07.2018 (In Russ.).
3. Vorobyev A. A., Andryushchenko F. A., Zasypkina O.A., Krivonozhkina P.S. To the method of determining anatomical parameters of the exoskeleton of the upper limb «EKZAR». Volgogradskii nauchno-meditsinskii zhurnal. 2015;(1):58-61 (In Russ.).
4. Vorobyev A. A., Andryushchenko F. A., Zasypkina O.A., Krivonozhkina P.S. Stages of anatomical parametrization of exoskeleton of the upper extremity «EKZAR». Journal of anatomy and histopathology. 2015;4(2):27-30 (In Russ.).
5. Vorobyev A.A., Andryushchenko F. A., Solovieva I.O., Zasypkina O. A., Krivonozhkina P.S.,
Pozdnyakov A. M. Terminology and classification of exoskeletons. Festivalgoers state medical University. 2015;55(3):71-78 (In Russ.).
6. Vorobiev A. A., Tigrova N. A. Pylayeva I. A., Barinova E. A. Cosmetics database. SPb.: ELBI-SPb; 2017. (In Russ.).
7. Vorobiev A. A., Petrukhin V. A., Zasypkina O. A., Krivonozhkina P.S. The Basic clinical and anatomical for the development of the exoskeleton of the upper limb. Journal of anatomy and histopathology. 2014;3(1):20-27.(In Russ.).
8. Vorobiev A. A., Petrukhin, A. V., Zasypkina O. A., Krivonozhkina P.S., Pozdnyakov A. M. Exoskeleton - like novoasbest in habilitation and rehabilitation of persons with disabilities. (Analytical review.) Modern technologies in medicine. 2015;7(2):185-197. (In Russ.).
9. Dmitrienko S. V., Vorob'ev A. A., Efimova E. Yu. Dentoalveolar segments in structure countering complex. M.: Medical book; 2010. (In Russ.).
10. Inkarbekov J. B. Restoration of the functions of movement of the lower jaw at its fracture after two different ways of fixing the fragments. Institute of stomatology. 2008;38(1):48-49. (In Russ.).
11. Li Gang. New achievements and secrets revealed in the study of distraction osteogenesis. Genius of orthopedics. 2007;(1):130-136.
12. Proffit W. R. Contemporary orthodontics. M.: Representors; 2008.
13. Timofeev A. A. Oral and maxillofacial surgery: textbook. K.: VSI «Medicine»; 2010. (In Russ.).
14. Kshirsagar R, Jaggi N, HalliR. Bite for cemeasurement in mandibular parasymphyseal fractures: a preliminary clinical study. Craniomaxillofac Trauma Reconstr. 2011; 4(4):241-244. doi: 10.1055/s-0031-1293521.
15. Kumar S, Gattumeedhi SR, Sankhla B, Garg A, IngleE, Dagli N. Comparative evaluation of bite forces in patients after treatment of mandibular fractures with miniplate osteosynthesis and internal locking miniplate osteosynthesis. J IntSocPrevCommunity Dent. 2014;4(1):26-31. doi: 10.4103/2231-0762.144575.
16. vanEijden T.M.G.J., Korfage J.A.M., Brugman P. Architecture of the human jaw-closing and jaw-opening muscles. The Anatomical Record. 1997; 248:464-474.
17. Khvatova V.A. Clinical gnathology. M.: Meditsina; 2005.
18. Koolstra J.H., van Eijden T.M.G.J., Weijs W.A., Naeije M. A three-dimensional mathematical model of the human masticatory system predicting maximum possible bite forces. Journal of Biomechanics. 1988;21(7):563-576.
