CC BY
32
■ Мкарю, що практикуе
To General Practitioner
YAK 616.718.5/.6:617.584:615.477
ЛРАГАН B.B., ГЕРМАН A.A., 0EAYAH4EB П.Н., ФИЛАТОВ В.Э.*, АНАРИЯШЕК Ю.И., АНАРИАНОВ M.B, ААНИЛЮК A.B. iY «Крымский государственный медицинский университет им. С.И. Георгиевского», г. Симферополь *Центр механических испытаний и сертификации материалов и элементов конструкций Института проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Yкраины, г. Киев
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ПРИВОДНОГО ВНУТРИКОСТНОГО ДИСТРАКЦИОННОГО АППАРАТА ДЛЯ УДЛИНЕНИЯ ГОЛЕНИ С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ЕГО ПРОЧНОСТНЫХ И КОНСТРУКТОРСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Резюме. B статье приводятся результаты проведенных механических и прочностных испытаний полностью имплантируемых дистракционных аппаратов для удлинения голени базовой и усовершенствованной конструкции с целью оптимизации прочностных и конструкторских характеристик. Ключевые слова: внутрикостный аппарат, дистракция, прочность, испытания, голень.
Внутрикостный остеосинтез длинных костей является в настоящее время одним из наиболее интенсивно развивающихся и востребованных направлений восстановительной хирургии как при лечении переломов длинных костей (А.В. Калашников [3], И.М. Рубленик [4]), так и при удлинении длинных костей с использованием полностью погружаемых в кость конструкций (А.И. Блискунов (Украина) [1]; В.В. Драган (Украина) [2]; R. Baumgart, A. Betz (Fitbon, Германия) [5, 6]; J.M. Guichet (Albizzia, Франция) [7]; S. Hankemeier, А.Н. Simpson (ISKD, США) [8, 9]).
Вышеупомянутые внутрикостные дистракционные устройства, кроме непосредственно функции остеосин-теза, выполняют функцию удлинения.
Разработка метода удлинения голени, в частности конструкции полностью имплантируемого дистракци-онного аппарата, связана с рядом частных задач, требующих изучения и решения на практике.
Их специфика заключается в принципиальном отличии удлинения голени приводным внутрикостным аппаратом и определяется в первую очередь ограниченным пространством для размещения аппарата, что обусловлено анатомией большеберцовой кости и, во-вторых, тем, что голень относится к наиболее нагружаемым фрагментам опорно-двигательного аппарата, что предъявляет повышенные требования к прочности имплантируемого дистракционного аппарата. Таким образом, необходимо решение дилеммы, обусловленной, с одной стороны, необходимостью создания достаточно прочного аппарата, с другой стороны, конструкторские параметры его ограничены размерами костно-мозговой полости большеберцовой кости.
Цель работы — оценка сопротивления образца (вну-трикостного аппарата) циклическому осевому сжатию, а также сжатию с кручением, имитирующему усилия в большеберцовой кости человека при ходьбе.
Материалы и методы
Испытания полностью имплантируемого дистракционного аппарата для удлинения голени, внешний вид и чертеж которого представлены на рис. 1, были проведены в лаборатории механических испытаний Института проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Украины.
Испытания образцов на усталость выполнялись на универсальных сервогидравлических машинах Instron 8802 и BiSS Bi-00-701.
Испытания на циклическое сжатие выполнялись на сервогидравлической машине Instron 8802 фирмы Instron (Великобритания, 2005) с максимальным усилием 250 кН (рис. 2). Машина оснащена цифровой системой управления на базе контроллера Instron FastTrack 8800 с лицензионным программным обеспечением MAX (версия SAX применительно к одноосному нагру-жению) для испытания при циклически повторяющихся нагрузках.
Испытания на циклическое сжатие с кручением выполнялись на сервогидравлической машине Bi-00-701 фирмы BiSS (Индия, Бангалор, 2008) с максимальным осевым усилием 100 кН и максимальным крутящим моментом 1,2 кНм (рис. 3). Машина оснащена цифровой системой на базе контроллера BiSS Imacon 2350 с лицензионным программным обеспечением MTL32, а также прикладным программным приложением Test Builder V2 для испытаний при сложном нагружении.
Образец модуля «кость — аппарат» представляет собой две металлические трубки, имитирующие боль-шеберцовую кость, диаметром 30 мм, внутри которых располагается внутрикостный аппарат, фиксируемый с трубками тремя винтами в проксимальной части образца и двумя винтами в дистальной части.
Испытывалось два типа идентичных образцов, отличающихся диаметром блокирующих болтов:
Рисунок 1. Внешний вид и чертеж приводного внутрикостного аппарата для удлинения голени
— тип 1 — болты с резьбой М6 (далее обозначены «образцы М6»);
— тип 2 — болты с резьбой М7 (далее обозначены «образцы М7»).
Для удержания хвостовиков образцов в захватах машины при испытаниях на циклическое сжатие с кручением к машине В188 В1-00-701 изготовлена технологическая оснастка в виде втулочных переходников шпилечного типа.
Образцы устанавливались в захваты испытательных машин, и запускалась программа испытаний.
Частота нагружения при сжатии была принята фиксированной и составляла 10 Гц, а при сжатии с кручением 5 Гц, форма цикла синусоидальная. Минимальная нагрузка сжатия и минимальный крутящий момент при испытаниях на циклическое сжатие с кручением был равен —1,5 кН. Базовое число циклов, после которого испытания текущего этапа завершались независимо от состояния образца, составляло 100 000.
Результаты и их обсуждение
Экспериментальные работы выполнялись поэтапно — сначала при нагрузке, условно принятой за 100 %. К испытаниям второго этапа переходили после того, как образец выдерживал без видимых повреждений испытания первого этапа. Нагрузка на втором этапе увеличивалась до 125 %.
На первом этапе испытаний образца М6 на циклическое сжатие нагрузка изменялась в диапазоне от —1,5 до —5,25 кН, что условно принято за 100 %. Повреждения образца М6 после 100 000 циклов первого этапа не зафиксированы, и испытания образца были продолжены на более высоком уровне нагружения.
Рисунок 2. Сервогидравлическая машина Instron 8802 с установленной термокамерой
На втором этапе испытаний образца М6 максимальную нагрузку сжатия увеличили на 25 % — до —6,56 кН. До 34 000 циклов сжатия состояние образца М6 оставалось стабильным. При циклической нагрузке сжатия от —1,5 до —6,56 кН (125 %) у образца М6
после 34 000 циклов разрушился один из крепежных болтов. Поврежденный образец был снят с дальнейших испытаний.
Образец М7 на первом этапе испытания выдержал 100 000 циклов сжатия при нагрузке от —1,5 до —5,25 кН (100 %). На втором этапе нагрузка на образец М7 была увеличена до 125 %. После 100 000 циклов сжатия при нагрузке 125 % повреждений образца выявлено не было. После завершения второго этапа образец М7 был подвергнут циклическому сжатию с кручением.
Осевая нагрузка на образец составляла 100 % и изменялась в пределах от —1,5 до —5,25 кН. При этом нагрузка на деталь от крутящего момента была равна нагрузке от сжатия. Исходя из этого, минимальное и максимальное значения крутящего момента составили 9,75 и 34,125 Нм соответственно. Максимальная осевая нагрузка совпадала по фазе с максимальным крутящим моментом для моделирования наиболее опасной ситуации. Разрушение образца М7 произошло после 9570 циклов вследствие развития усталостной трещины от отверстий для болтов на трубке аппарата. Участок образца с усталостным разрушением показан на рис. 4.
Выводы
1. В режиме циклического сжатия под номинальной максимальной нагрузкой —5,25 кН образец М6 выдержал 100 000 циклов без признаков механического повреждения. При повторном испытании под нагрузкой —6,56 кН, что составляет 125 % от первоначальной, после 34 000 разрушился один из крепежных болтов.
2. В режиме циклического сжатия образца М7 под нагрузкой —6,56 кН, составляющей 125 % от номиналь-
Рисунок 4. Усталостное разрушение образца М7 в результате циклического сжатия с кручением
ной, при наработке 100 000 циклов не заметно признаков механического повреждения.
3. В режиме циклического сжатия с кручением под синфазной нагрузкой —6,56 кН, составляющей 125 % от номинальной, образец М7 после 9570 циклов разрушился вследствие развития усталостной трещины от отверстий для болтов на внутренней трубке аппарата.
4. Конструкция аппарата внутрикостного с крепежными болтами М7 прочнее.
5. По предварительным данным, одновременное воздействие циклического сжатия и кручения снижает долговечность аппарата более чем на порядок по сравнению с нагружением только циклическим сжатием. Вместе с тем количественную сравнительную оценку долговечности можно получить только на большем числе образцов.
6. Учитывая данные, полученные при проведенных испытаниях, целесообразно использование аппарата с блокирующими винтами М7 с увеличенной прочностью внешнего корпуса за счет увеличения толщины его стенки.
Рисунок 3: А — сервогидравлическая машина BiSS Bi-00-701 с клиновыми захватами для растяжения-сжатия; Б — захваты для кручения
Список литературы
1. Блискунов А.И. Удлинение бедра управляемыми имплантируемыми конструкциями (экспериментально-клиническое исследование): дис... д-ра мед. наук: 14.00.22. - М, 1983. - 305 с.
2. Драган В.В. Удлинение длинных костей нижних конечностей приводными внутрикостными аппаратами (экспериментально-клиническое исследование): дис... д-ра мед. наук: 14.00.22. - Д., 2010. - 283 с.
3. Калашшков А.В., Гайко О.Г., Луцишин В.Г., Во-вченко Г.Я. Комплексна характеристика репа-ративного остеогенезу при застосуванш блокую-чого ттрамедулярного остеосинтезу у хворих i3 дiафiзарними переломами стегново'1 шстки// Bim. ортопед., травматол. та протезув. — 2008. — № 3 (58). - С. 24-28.
4. Рубленик И.М., Васюк В.Л. Интрамедуллярный блокирующий остеосинтез в лечении переломов дистального отдела бедра // Всник морськоИ медицини. — 2006. — № 3 (34). - С. 253-261.
5. Betz A, Baumgart R, Schweiberer L. A fully implantable intramedullary system for callus distraction — intramedul-
lary nail with programmable drive for leg lengthening and segment displacement. Principles and initial clinical results //Chirurgie. - 1990. - Vol. 61. - P. 605-609.
6. Baumgart R., Burklein D, Hinterwimmer S., Thaller P. The management of leg-length discrepancy in Ollier's disease with a fully implantable lengthening nail// J. Bone Jt Surg. - 2005. - Vol. 87-B. - P. 1000-1004.
7. Guichet J.-M., Deromendis B., Donnan L.T. et al. Gradual femoral lengthening with the Albizzia intramedullary nail// J. Bone Jt Surg. — 2003. — Vol. 85. - P. 838-848.
8. Hankemeier S., Hans-Christoph Pape. Improved comfort in lower limb lengthening with the intramedullary skeletal kinetic distractor. Principles and preliminary clinical experiences // J. Springer. - 2004. - Vol. 124. - № 2. -P. 129-133.
9. Simpson А.Н., Shalaby H., Keenan G. Femoral lengthening with the Intramedullary Skeletal Kinetic Distractor// J. Bone Joint. Surg. Brit. - 2009. - Vol. 91-B (7). -P. 955-961.
Получено 07.06.11 □
Араган B.B., Герман О.А., Федул1чев П.Н., Филатов B.E.*, Андр1яшек Ю.1., Андрюнов M.B., Аанлюк А.B. AY «Кримський державний медичний унюерситет ¡м. С.1. Георпевського», м. амферополь Центр механiчних випробувань i сертифiкацil матерiалiв i елемен^в конструкцй 1нституту проблем мiцностi ¡м. Г.С. Писаренка НАН Yкраl'ни, м. Ки!в
Dragan V.V., German A.A., FedulichevP.N., Filatov V.E.*, Andriyashek Yu.I., AndrianovM.V., DanilyukA.V. SI «Crimean State Medical University named after S.I. Georgiyevsky», Simferopol
Center of Mechanical Trials and Certification of the Materials and Elements of Constructions of Institute for Problems of Strength named after G.S. Pisarenko, Kyiv, Ukraine
PEЗУЛЬTATИ BИПPOБУBAHЬ ПPИBiДHOГO BHУTPiШHЬOKiCTKOBOГO ДИCTPAKЦiЙHOГO АПАРАТУ ДЛЯ ПOДOBЖEHHЯ TOM^^ З METOЮ OПTИMiЗAЦiÏ ÉOHD MiЦHiCHИX i KOHCTPУKTOPCЬKИX XAPAKTEPИCTИK
Резюме. У стата наведет результати проведених мехатчних i мщтсних випробувань повтстю iмплантованих дистракцшних апараив для подовження гомшки базово! i вдосконалено1 кон-струкцш з метою ошмшзацп мщтсних i конструкторських характеристик.
KTO40BÍ слова: внутршньоюстковий апарат, дистракцш, мщ-тсть, випробування, гомшка.
RESULTS OF INTRAOSSEOUS DRIVING DISTRACTION VEHICLES FOR LENGTHENING SHIN TESTS WITH
THE PURPOSE OF OPTIMIZATION OF ITS STRENGTHENING AND DESIGNER DESCRIPTION
Summary. The article presents the results of the conducted mechanical and strengthening tests of fully implantable distraction vehicles for lengthening the shin of base and improved constructions with the purpose of optimization of strengthening and designer descriptions.
Key words: intraosseous vehicle, distraction, strengthening, tests, shin.
