CC BY
26УДК 615.4:616-71:62-2
ББК 54.58:34.42 DOI 10.24411/2587-4926-2018-10032
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ АППАРАТОВ ВНЕШНЕЙ ФИКСАЦИИ ПРИ ЛЕЧЕНИИ СКОЛИОЗА МЕХАНИЧЕСКИМИ УСТРОЙСТВАМИ
ЛИДИЯ ВЛАДИМИРОВНА УСТЮГОВА,
соискатель направления «Биотехнические системы и технологии» Тюменского индустриального университета
E-mail: lidiaustygova@gmail.com Научный руководитель: профессор, доктор технических наук В.В. Пивень
Аннотация. Сколиотическая болезнь позвоночника является одной из распространенных болезней в подростковом возрасте. Одной из форм хирургического лечение сколиоза является применение металлических устройств, обеспечивающих коррекцию деформации позвоночника в процессе лечения. Рассмотрены конструкции внутренних и внешних фиксаторов позвоночника. Проанализированы конструкции аппаратов внешней фиксации позвоночника. Рассмотрены проблемы широкого внедрения таких аппаратов. Приведены перспективные направления научных исследований по совершенствованию конструкций аппаратов внешней фиксации позвоночника.
Ключевые слова: сколиоз, аппарат внешней фиксации позвоночника, пластинчато-стержневая конструкция, напряженно-деформированное состояние деталей аппарата.
THE STRUCTURAL ANALYSIS OF EXTERNAL FIXATION DEVICES IN THE TREATMENT OF SCOLIOSIS WITH MECHANICAL DEVICES
LIDIYA V. USTYUGOVA,
competitor of the direction «Biotechnical Systems
and Technologies» of the Tyumen Industrial University
E-mail: lidiaustygova@gmail.com
Supervisor: Professor, Doctor of Technical Sciences
V.V. Piven
Annotation. Scoliosis of the spine is one of the common diseases in adolescence. One of the forms of surgical treatment of scoliosis is the use of metal devices that provide correction of spinal deformity in the treatment process. The design of internal and external fixators of the spine is considered. The design of the devices of external fixation of the spine is analyzed. The problems of wide introduction of such devices are considered. The perspective directions of scientific researches on improvement of designs of devices of external fixation of a backbone are given.
Keyword: scoliosis, apparatus for external fixation of the spine, lamellar-rod structure, stress-strain state of the apparatus parts.
Для цитирования: Устюгова Л.В. Анализ конструкций аппаратов внешней фиксации при лечении сколиоза механическими устройствами. Актуальные проблемы медицины и биологии. 2018; 3(3):20-24. Doi 10.24411/2587-4926-2018-10032.
На фоне развития технического прогресса и снижения двигательной активности сколиотическая болезнь позвоночника является одной из распространенных болезней в подростковом возрасте. Под сколиозом понимается искривление позвоночника в плоскости спины.
По классификации James сколиоз подразделяется на: грудной, поясничный и грудопоясничный (рис. 1) [1]. Наиболее тяжелым и распространенным является грудной сколиоз.
Одной из форм хирургического лечение сколиоза является применение металлических устройств, обеспечивающих коррекцию деформации позвоночника в процессе лечения [1]. Все металлические устройства, применяемые при лечении сколиоза, можно разделить на два основных типа: внутренние (погружные) устройства (рис. 2) и внешние — аппараты внешней фиксации (рис. 3).
К внутренним механическим устройствам для лечения сколиоза относятся различного рода фиксаторы-стяжки, пластинчатые фиксаторы. Фиксаторы-стяжки чаще всего применяются при компрессионных переломах позвоночного столба и обеспечивают надежную фиксацию костных фрагментов.
В случае выраженной нестабильности наиболее жесткую фиксацию обеспечивают пластинчатые фиксаторы.
Для коррекции сколиотической деформации позвоночника широкое применение нашли конструкции внутренних дистракторов авторов Харингтон, Казьмина, Роднянского [1]. Преимуществом таких дистракторов является возможность задания корригирующего воздействия на позвонки и сохранение этого воздействия в течение длительного времени без хирургического вмешательства. В то же время внутренние фиксаторы уступают внешним по возможности управления усилиями в процессе всего процесса лечения.
Устройства внешней фиксации позвоночника обеспечивают более гибкий режим коррекции в соответствии с состоянием позвоночника и позволяют управлять величиной и направлением воздействия
Рис. 1. Виды сколиозов: а) грудной; б) поясничный; в) грудопоясничный
на отдельные позвонки. Начало этих исследовательских работ в этом направлении относится к 70-м гг. прошлого столетия. Авторами таких аппаратов являются Бызовых, Чикунова, Усикова [1].
Применение аппаратов внешней фиксации позвоночника при механическом повреждении или деформации позвонков реализовал F. Маgеrl в 1982 г. [1].
Анализ последних исследований и публикаций. В 80-х гг. прошлого столетия академиком Г.И. Илизаро-вым и кандидатом медицинских наук А.М. Мархошо-вым разработана конструкция аппарата внешней фиксации позвоночника с креплением деталей аппарата с позвонками посредством стержней-шурупов и спиц, зафиксированных на остистом отростке (рис. 4) [1].
С 1993 г. в Российском научном центре «Восстановительная травматология и ортопедия» им. Академика Г.А. Илизарова под руководством профессора В.И. Шевцова аппараты внешней фиксации позвоночника широко используются при лечении больных с различными травмами и заболеваниями (переломы, травмы позвоночника и спинного мозга, спондило-листезы) (рис. 5, 6) [2—5].
Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы. При всем многообразии конструкций аппаратов внешней фиксации позвоночника, эффективности их применения для различных задач масштабное внедрение таких аппаратов в лечебную практику сдерживается необходимостью наличия высокой квалификации у хирурга, применяющего аппараты.
Рис. 2. Внутренние (погружные) фиксаторы
Формулирование целей статьи. Учитывая перспективность применения аппарата внешней фиксации позвоночника на современном этапе необходима разработка алгоритмов и методик его применения,
Рис. 3. Аппараты внешней фиксации
Рис. 4. Схема фиксации деталей аппарата с позвонком через ножки дуг и хвостистых отросток
основанная на научных исследованиях напряженно-деформированного состояния деталей аппарата и позвонков, несущих данный аппарат. Целью настоящей статьи является постановка задач по дальнейшему совершенствованию аппарата внешней фиксации позвоночника с учетом механических напряжений, возникающих в деталях аппарата и позвонках.
Изложение основного материала. Аппарат внешней фиксации является пространственной пластинчато-стержневой конструкцией, имеющей высокую
степень статической неопределимости [6]. Наличие большего количества дополнительных связей между деталями аппарата приводит к увеличению напряжений в деталях аппарата и костных структурах, которые могут достигать опасных значений [4].
Механические связи между деталями аппарата должны обеспечивать жесткость и управляемость конструкции. В то же время в отдельные элементы, например, дистракционные стержни можно вводить шарнирные соединения во взаимно перпендикулярных направлениях. Это обеспечит снижение степени статической неопределимости и, следовательно, снижение механических напряжений. При необходимости можно обеспечить жесткую фиксацию таких шарниров, что будет эквивалентно переводу деталей в жесткое соединение. Для применения таких конструкции необходимо проведение исследований по влиянию шарнирных соединений на общий процесс коррекции.
При монтаже аппарата внешней фиксации на позвоночник из-за несоосностей между деталями аппарата, а также между выполняемыми отверстиями в позвонках со стержнями-шурупами могут возникать существенные монтажные напряжения. Величина таких напряжений может достигать предельных значений сразу после сборки аппарата, не оставляя никаких запасов по прочности при проведении коррекции. Решение данной частной проблемы возможно также путем применения шарниров с возможностью жесткой фиксацией после сборки [4; 7].
Рис. 5. Устройство для вправления вывихов позвонков
(Патент RU 4068 и1 / В.И. Шевцов, А.Т. Худяев, П.И. Коваленко): 1 — стержень-шуруп, 2 — пластина, 3 — дистракционный стержень, 4 — болт-зажим, 5 — микрошвеллер
Достоинством аппарата внешней фиксации позвоночника является многообразие форм воздействия на позвоночник, которое достигается различным сочетанием коррегирующих воздействий в дистрак-ционных стержнях совместно с различными компоновочными решениями всего аппарата.
В тоже время высокая степень статической неопределимости конструкции в ряде случаев не позволяет найти очевидное и однозначное решение по приложению управляющих воздействий. Создание компрессионных или дистракционных усилий в одних стержнях может привести к возникновению силовых факторов в соединении позвонок — стержень-шуруп в других совершенно в непредсказуемых блоках аппарата.
Упруго-пластические деформации, возникающие в костных тканях и связках при коррекции деформации позвоночника, вносят свою составляющую в общую картину напряженно-деформированного состояния аппарата. В связи с этим при коррекции необходимо учитывать динамику таких деформаций [8].
При сложной конструкции аппарата внешней фиксации позвоночника, многообразии решаемых задач, возникновении дополнительных вводных корректировок при проведении оперативного вмешательства перед проведением коррекции деформации позвоночника и в процессе ее необходимо проведение математического моделирования для оптимизации
Рис. 6. Устройство для лечения спондилолистеза (Патент
RU RU 2066140 C1 / В.И. Шевцов, А.М. Мархашов, А.Т. Худяев, и др.): 1 — стержень-шуруп, 2 — пластина,
3 — дистракционный стержень, 4 — болт зажим,
5 — микрошвеллер, 6 — гайка, 7 — кронштейн
управляющих воздействий и прогнозирования конечного результата [8]. Разработка такой математической модели позволит не только более эффективно осуществлять процесс коррекции, но и позволит оптимизировать конструкцию аппарата на стадии его конструирования и сборки для конкретных задач.
Вытоды из данного исследования и перспективы1. Наряду с совершенствованием медицинских аспектов применения аппаратов внешней фиксации необходимо решение целого ряда задач по оптимизации напряженно-деформированного состояния деталей аппарата, снижению степени статической неопределимости конструкции, а также оптимизации управляющих воздействий на позвоночник со стороны аппарата. Взаимодействие вышеприведенных составляющих должно осуществляться с учетом медико-биологических параметров больного, фактической кривизны позвоночника.
Литература
1. Шевцов В.И., Пивень В.В., Худяев А. Т., Муш-таева Ю.А. Применение аппарата внешней фиксации при патологии позвоночника. М.: Медицина, 2007.
2. Коваленко П.И., Шевцов В.И., Пивень В.В., Худяев А. Т., Муштаева Ю.А. Способ демпферного лечения заболеваний позвоночника и демпферный аппарат для его осуществления // Патент на изобретение RUS 2254080. 21.01.2003.
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МЕДИЦИНЫ И БИОЛОГИИ № 3-2018
Актуальные проблемы медицины
3. Шевцов В.И., Пивень В.В., Коваленко П.И., Худяев А. Т., Муштаева Ю.А. Способ внешней фиксации позвоночника и устройство для его осуществления // Патент на изобретение RUS 2218118. 21.05.2001.
4. Шевцов В.И., Пивень В.В., Муштаева Ю.А, Худяев А. Т., Коваленко П.И. Определение монтажных напряжений в аппарате внешней фиксации позвоночника // Гений ортопедии. 2001. № 3. С. 125, 126.
5. Шевцов В.И., Пивень В.В., Муштаева Ю.А, Худяев А. Т., Коваленко П.И. Распределение напряжений между опасными сечениями П-образного элемента аппарата внешней фиксации позвоночника // Гений ортопедии. 2001. № 3. С. 126, 127.
6. Пивень В.В., Битюков Г.Е. Обоснование математической модели напряженно-деформированного состояния стержневой конструкции // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2015. № 3. С. 107-111.
7. Piven V.V., Lyulin S.V., Kovalenko P.I., Mushtaeva Yu.A. Mechanics of external fixation device of spine: reducing the mounting stress. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering MEACS 2017 327 (2018) 042078 doi: 10.1088/1757-899X/327/4/042078.
8. Sergeev K.S., Piven V.V. The substantiation of the elastic-viscoplastic model of the human spine for modeling the correction process of kyphoscoliotic deformation. Journal of Craniovertebral Junction and Spine. 2018; 9(1):32-36.
References
1. Shevtsov V.I., Piven' V.V., Khudyayev A.T., Mushtayeva Yu.A. Primeneniye apparata vneshney fik-satsii pri patologii pozvonochnika. M.: Meditsina, 2007.
2. Kovalenko P.I, Shevtsov V.I, Piven' V.V., Khudyayev A.T., Mushtayeva Yu.A. Sposob dempfemogo lecheniya zabolevaniy pozvonochnika i dempfemyy apparat dlya ego osushchestvleniya // Patent na izobrete-niye RUS 2254080. 21.01.2003.
3. Shevtsov V.I, Piven' V.V., Kovalenko P.I, Khudyayev A. T, Mushtayeva Yu.A. Sposob vneshney fiksat-sii pozvonochnika i ustroystvo dlya ego osushchestvleniya // Patent na izobreteniye RUS 2218118. 21.05.2001.
4. Shevtsov V.I., Piven' V.V, Mushtayeva Yu.A., Khudyayev A. T, Kovalenko P.I. Opredeleniye montaz-hnykh napryazheniy v apparate vneshney fiksatsii pozvonochnika // Geniy ortopedii. 2001. № 3. S. 125, 126.
5. Shevtsov V.I., Piven' V.V, Mushtayeva Yu.A., Khudyayev A.T., Kovalenko P.I. Raspredeleniye napryazheniy mezhdu opasnymi secheniyami P-obraznogo elementa apparata vneshney fiksatsii pozvonochnika // Geniy ortopedii. 2001. № 3. S. 126, 127.
6. Piven' V. V., Bityukov G.E. Obosnovaniye mate-maticheskoy modeli napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya sterzhnevoy konstruktsii // Izvestiya vy-sshikh uchebnykh zavedeniy. Neft' i gaz. 2015. № 3. S. 107-111.
7. Piven V.V, Lyulin S. V., Kovalenko P.I., Mushtaeva Yu.A. Mechanics of external fixation device of spine: reducing the mounting stress. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering MEACS 2017 327 (2018) 042078 doi: 10.1088/1757-899X/327/4/-042078.
8. SergeevK.S., Piven V.V. The substantiation of the elastic-viscoplastic model of the human spine for modeling the correction process of kyphoscoliotic deformation. Journal of Craniovertebral Junction and Spine. 2018; 9(1):32-36.
