CC BY
49
12
Биотехнические системы
2. Konrad Herter. Untersuchungen über den temperatursinn einiger insekten / / Ausdem zoologischen Institut der Universität GSttlngen und dem zoologischen Institut der Universitut Berlin. Germany. 1923. P. 221-288.
3. Mendelssohn M. Uber den Thermotropismuseinzeller Organismen. Pflüger'sArch. // Ges. Physiol. 1895. N 60. P. 1-27.
4. Nitric Oxide Production and Thermoregulation in Paramecium caudatum / G. M. Malvin [et al.] // ActaProtozoologica —
Internation Journal on Protistology. 2003. N 42. P. 259267.
5. Захаров И. С., Величко А. Н. Исследование методов формирования тест-реакции термотаксиса инфузорий // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Сер. Биотехнические системы в медицине и экологии. 2014. № 1. С. 69-73.
6. Gordon Ch. J. Temperature and toxicology: an integrative, comparative, and environmental approach. CRC Press LLC, 2005. 338 р.
УДК 617.574-089.28
С. Ф. Курдыбайло, Ю. И. Замилацкий, Р. Р. Гайнуллина
Сравнительный анализ распределения удельного давления по внутренней поверхности приемных гильз протезов предплечья
Ключевые слова: верхняя конечность, протез, приемные гильзы, биомеханические исследования. Keywords: upper extremity, prosthesis, sockets, biomechanical studies.
Верхняя конечность человека в процессе онтогенеза достигла совершенства анатомического строения и функции. При ампутации на уровне предплечья кисть полностью утрачивает свои функции. Протезирование позволяет частично компенсировать последние. При этом особо важное значение имеет качество изготовления приемной гильзы протеза. Проведены биомеханические исследования по изучению распределения удельного давления по внутренней поверхности приемной гильзы. Методом тензометрии доказаны значительное снижение пиковых нагрузок в локальных зонах и увеличение площади контакта кожных покровов с внутренней поверхностью приемной гильзы при изменении ее конструкции. Наилучшие результаты получены при использовании комбинированных приемных гильз с силиконовым чехлом. Полученные результаты позволяют рекомендовать этот вариант приемной гильзы для широкого внедрения в практику протезирования.
Введение
Верхняя конечность в процессе развития человека подвергалась наиболее специфическому развитию и достигла совершенства функции и анато-
мического строения. На верхнюю конечность приходится огромная часть двигательной деятельности человека: в быту, на производстве, в общественной и спортивной жизни и т. д. Рука является также познавательным органом. Благодаря осязанию пальцами человек получает точную информацию о форме, объеме поверхности, консистенции, температуре используемых предметов. При помощи зрения, слуха и рук формируется представление о внешнем мире [1].
Верхняя конечность состоит из плеча, предплечья и кисти и относительно плечевого пояса имеет 27 степеней свободы. С точки зрения биомеханики верхняя конечность представляет собой незамкнутую биокинематическую цепь, снабженную кинематическими парами. Двадцать степеней свободы приходится на суставы кисти, остальные семь — на другие суставы верхней конечности.
После перенесенной ампутации на уровне предплечья полностью утрачивается функция кисти, снижаются двигательная активность локтевого и лучелоктевого суставов, биоэлектрическая и сократительная функции мышц предплечья, кожная, тактильная и проприоцептивная чувствительность предплечья. Без применения специальных технических средств реабилитации крайне затруднительно элементарное самообслуживание, выполнение бытовых и трудовых действий, обучение и т. д. [2].
В настоящее время протезирование конечностей рассматривается как один из основных этапов медицинской реабилитации инвалидов с поражением опорно-двигательной системы. В практике протезирования широко используются косметические, функционально-косметические, механические протезы с тяговой системой управления, рабочие и протезы с внешним источником энергии [3]. В конструкции любого протеза независимо от его функционального назначения основным элементом считается приемная гильза, от качества изготовления которой, в соответствии с анатомо-морфологически-ми особенностями культи, во многом зависит возможность пользования протезом. Поэтому одним из ключевых моментов изготовления протеза является исполнение приемной гильзы [4].
Для объективной оценки эффективности использования протезов предплечья с приемными гильзами различных конструкций в процессе эксплуатации были проведены биомеханические исследования.
Основная часть
Задача исследования — изучить распределение удельного давления по внутренней поверхности гильзы с акцентом на области торца и зоны костных выступов культи в процессе манипуляции протезом предплечья. Использовались гильзы, изготовленные из листового полиэтилена высокого давления (ПЭВД) толщиной 3 мм, трех вариантов: стандартной конструкции (вариант 1), полноконтактной (вариант 2) и комбинированной с вкладным силиконовым чехлом производства компании ОТТО-ВОСК (Германия) (вариант 3).
В каждом конкретном случае протезы сначала выдали на пробную носку в течение одних-двух суток, после чего сделали предварительную оценку функциональности протезирования и клинический осмотр культи для исключения влияния на исследование дефектов и ошибок протезирования.
К обследованию привлекли пациентов молодого и среднего возраста (от 18 до 45 лет), перенесших ампутации вследствие травм, не страдавших
какими-либо заболеваниями опорно-двигательной системы, не имевших ограничений подвижности в сохраненных суставах усеченной конечности, протезировавшихся ранее и обученных пользованию протезами.
Биомеханические исследования выполнены с использованием тензометрических датчиков. Проанализированы параметры удельного давления, передающегося с приемной гильзы на культю.
Динамику топографии давления внутри приемных гильз изучали с помощью комплекса F-Socket, включавшего матричные измерители давления в виде пластин толщиной 0,2 мм. Посредством кабельной связи результаты измерения передавались в компьютер и обрабатывались. Результаты исследований представлялись на мониторе топологией давления, траекторией центра давления — «линией нагрузки», графиками суммарного давления на измерителях (рис. 1).
Для достижения лучшего сопряжения с культей пластины предварительно разрезали на полосы, не нарушая их работоспособности.
Многосенсорные датчики F-Socket крепились при помощи клейкой прозрачной ленты на поверхности культи предплечья с максимальным покрытием зон торца культи и костных выступов в области мыщелков локтевого сустава, а также обязательно в зонах, где пациенты отмечали дискомфорт или болевые ощущения (рис. 2). Если выявлялись недостатки приемной гильзы, изделия направлялись на дополнительную подгонку для исключения возможных искажений конечных результатов биомеханических исследований.
Протокол обследования включал ряд функциональных тестов (табл. 1) для определения: уровня суммарного удельного давления на культю предплечья, размеров области контакта в процессе манипуляций, уровня пиковых нагрузок, приходящихся на опорные участки культи с различными конструкциями приемных гильз.
В процессе проведения функциональных проб нами учитывались возможность выполнения тестов, субъективная оценка уровня болевых (дискомфортных) ощущений пациента (табл. 2). Наи-
Рис. 1 I Пленочные датчики (а) и отображение первичной информации на мониторе (б)
а)
б)
в)
Рис. 2
Внешний вид культи предплечья: по внутренней поверхности (а), силиконового чехла (б) и датчиков, закрепленных чехлом на передней (в) и задней (г) поверхности культи
Таблица 1 Функциональные тесты для определения уровня нагружения и комфорта культи верхней конечности
Тест Определяемый параметр
Регистрация в покое Суммарная нагрузка на культю в процессе покоя
Сгибание в локтевом суставе Пиковые нагрузки и их локализация в процессе максимального сгибания культи
Пронационно-супинационные движения Пиковые нагрузки и их локализация в процессе ротационного движения
Манипуляции с грузом Пиковые нагрузки и их локализация, область контакта в процессе удержания и подъема груза 3 кг
Импульсные нагрузки Пиковые нагрузки и их локализация, область контакта в процессе работы с насадкой-молотком
Таблица 2 Выполнимость функциональных тестов для определения уровня нагрузки и комфорта культи предплечья с различными приемными гильзами
Тест Гильза стандартная Гильза полноконтактная Гильза комбинированная
Регистрация в покое + + +
Сгибание в локтевом суставе + Выраженные болевые ощущения + Средние по интенсивности болевые ощущения +
Пронационно-супинационные движения + Выраженные болевые ощущения + Средние болевые ощущения +
Манипуляции с грузом - + Средние болевые ощущения +
Импульсные нагрузки + + +
О б о з н а ч е н и я: « + » — тест пройден; «-» — тест не пройден.
более трудно выполняемыми элементами оказались пробы с максимальным сгибанием в локтевом суставе и ротационными движениями. Следует отметить, что проба с подъемом груза на культе предплечья со стандартной гильзой, оказалась невыполнимой вследствие чрезмерно выраженной болезненности на торце культи и в области мыщелков локтевого сустава.
Распределение удельного давления в приемных гильзах различных конструкций протеза предплечья в состоянии покоя показано на рис. 3 (см. также обложку). Рабочий протез нагружали с насадкой массой 1500 г. Среднее удельное давление на поверхность культи при использовании вкладного силиконового чехла не превышало 150-270 г/см2 с площадью контакта около 50 см2. При использовании полноконтактных гильз значения давления были больше — в диапазоне 200-250 г/см2 с незначительными локализованными зонами перегрузок с удельным давлением до 600 г/см2 и суммарной площадью контакта до 35 см2. При использовании стандартной гильзы удельное давление доходило до 400 г/см2 с площадью контакта до 20-25 см2 и локальными удельными давлениями до 1200 г/см2 в области локтевого сустава и мыщелков.
Столь значительный разброс удельного давления в состоянии покоя обусловлен различной площадью контакта культи с внутренней поверхностью гильзы. Так, высокие амортизационные свойства силиконового чехла, увеличение площади контакта за счет эластичного покрытия всей поверхности культи и частичного снятия нагрузки с мыщелков благодаря использованию укороченной гильзы, не захватывающей локтевой сустав, значительно снижали удельное давление на культю.
При максимальном сгибании (рис. 4, см. также обложку) в локтевом суставе удельное давление
на торец культи достигало для стандартных гильз 3000 г/см2, для полноконтактной гильзы — в среднем 2300 г/см2, для комбинированной гильзы — 1600 г/см2. Угол сгибания при использовании укороченных гильз с силиконовым чехлом был максимальным, остальные гильзы имели ограничение угла сгибания в пределах 10-15°.
При выполнении супинационно-пронационных движений были зарегистрированы значительные удельные давления (рис. 5, см. также обложку). Для стандартной и полноконтактной гильз уровень удельного давления на торец культи и мыщелки достигал 2200 г/см2, тогда как для комбинированной гильзы средний уровень удельного давления не превышал 1000-1300 г/см2 при отсутствии зон пиковых давлений на мыщелках. Необходимо отметить, что для комбинированной гильзы площадь пятна контакта существенно не изменялась в процессе тестирования, что указывает на высокую комфортность культи при выполнении задания.
Тест с подъемом груза в 3 кг (рис. 6 и 7, см. также обложку) был наиболее затруднительным в выполнении. Удельное давление на торец культи и область мыщелков локтевого сустава в стандартной гильзе достигал уровня болевого порога, что явилось причиной отказа от дальнейшего продолжения исследования.
В приемной полноконтактной гильзе удельное давление на торец культи составило 40005000 г/см2, а в некоторые моменты пиковое удельное давление превышало отметку 10 000 г/см2 при площади контакта всего 12 см2. Такой сверхвысокий уровень нагружения не наблюдался даже в протезах нижних конечностей при активной ходьбе, где кинетическая масса, приходящаяся на момент реакции опоры, может достигать 150 % от массы пациента.
Рис. 3
Распределение удельного давления на культю предплечья в покое: а — стандартная гильза; б — полноконтактная; в — комбинированная; г — цветовая калибровочная карта давления
а)
б)
в)
г)
а)
СзИЬга1е(1 Ьедепй И
д/ст1
Цзооо т
2538
2303
2077
1846
692 462
11° и
Рис. 4
СаНЬга(е<1(5
д/ст1
2000
ш
1533 1385 1231 1077
923 76Э
ы
Рис. 5
Распределение удельного давления на культю предплечья при выполнении супинационно-пронационных движений: а — стандартная гильза; б — полноконтактная;
в — комбинированная; г — цветовая калибровочная карта давления
а)
б)
в)
г)
Распределение удельного давления на культю предплечья при максимальном сгибании: а — стандартная гильза; б — полноконтактная; в — комбинированная; г — цветовая калибровочная карта давления
Рис. 6
Протез с насадкой типа крюк и закрепленным грузом
Рис. 7
Распределение удельного давления на культю предплечья в процессе подъема груза 3 кг на высоту 1,5 м: а — стандартная гильза; б — полноконтактная; в — комбинированная; г — цветовая калибровочная карта давления
В комбинированной гильзе при подъеме груза было зафиксировано удельное давление до 2800 г/см2 с пиковым значением 4500 г/см2 в области торца культи, что можно объяснить большой площадью контакта культи со стенкой приемной гильзы (до 80 см2).
Тест с импульсными нагрузками (рис. 8) (работа с насадкой-молотком) для каждого типа гильзы проводился трижды. Каждому пациенту предлагалось вбить слегка насаженный в деревянную доску гвоздь с минимальным количеством ударов до полного погружения шляпки гвоздя.
Проведенный анализ (рис. 9, см. также обложку) показал, что удельное давление, возникающее при импульсных нагрузках, не превышало 2700 г/см2
Рис. 8
О
б)
в)
Протез с комбинированной гильзой и насадкой-молотком в процессе выполнения теста
г)
иаИЬга(е(1 Ьедепс! й
д/ст1
112000 т
1= 1346
1692
1538
1385
1231
1077
323
76Э
+62
154
>= 0
И 0 ы
Рис. 9
Распределение удельного давления на культю предплечья в процессе импульсных нагрузок с насадкой-молотком: а — стандартная гильза; б — полноконтактная; в — комбинированная; г — цветовая калибровочная карта давления
даже при использовании стандартной гильзы. При испытании комбинированной гильзы с силиконовым чехлом удельное давление регистрировалось на уровне 1500 г/см2. Однако распределение удельного давления и уровень пиковых всплесков на торце культи в комбинированной гильзе оказались наиболее минимальными, что обеспечивало наибольший комфорт при работе.
Заключение
Впервые получены количественные значения удельного давления на культю при различных конструкциях приемной гильзы в процессе эксплуатации протеза.
Проведенные биомеханические исследования показали несомненное функциональное преимущество комбинированных гильз с силиконовым чехлом, которые обеспечивали увеличение площади и постоянство контакта кожных покровов культи с внутренней поверхностью приемной гильзы и динамическое распределение удельного давления внутри гильзы в процессе манипулирования протезом.
Полученные данные свидетельствовали о снижении пикового удельного давления на торец культи более чем на 100 % по сравнению со значениями в стандартных гильзах, при этом удельное давление на мыщелки и локтевой сустав находилось на уровне 1200 г/см2 (в стандартной гильзе 11 500 г/см2).
Исследование также показало, что импульсные нагрузки с насадкой-молотком для культи предплечья невысокие. Ротационные нагрузки и подъем груза вызывали подъем пикового давления в 2—4 раза больший, чем в случае с ударными манипуляциями. Это, по-видимому, обеспечивается высокими амортизационными свойствами силиконового чехла и сохранным активным мышечно-суставным механизмом аутогенной амортизации в локтевом и плечевом суставах.
Преимущества комбинированной гильзы с силиконовым чехлом при работе с молотком заключались, прежде всего, в более высокой точности движений и быстроте осуществления поставленной задачи. При работе со стандартной гильзой пациенту приходилось после выполнения каждого теста поправлять положение протеза на культе, что приводило к субъективному негативному ощущению трения на болезненных зонах и нарушало проведение испытаний.
18 Биотехнические системы
Применение силиконовых композиций, несомненно, должно расширяться как для рабочих протезов, так и для протезов верхних конечностей с тяговой системой управления. 2. Технические средства реабилитации больных и инвалидов с поражением верхних конечностей / С. Ф. Курдыбайло, Ю. И. Замилацкий, А. О. Андриевская [и др.]; под ред. С. Ф. Курдыбайло. СПб.: Знакъ, 2013. 293 с. 3. Конструкции протезов верхних конечностей (исторический очерк) / С. Ф. Курдыбайло, Ю. И. Замилацкий, А. О. Андриевская [и др.]. СПб.: Нимфа, 2009. 458 с. 4. Технология изготовления протезов верхних конечностей / В. Г. Петров, Ю. И. Замилацкий, Г. Н. Буров [и др.]; под ред. Г. Н. Бурова. СПб.: Гиппократ, 2008. 126 с.
Литература 1. Кейер А. Н., Рожков А. В. Руководство по протезированию и ортезированию. СПб.: Крисмас, 1999. 624 с.
Г
Уважаемые авторы!
Для полноценной работы ссылок в Научной электронной библиотеке (НЭБ) просим вас предоставлять в статьях точные библиографические сведения об источниках цитирования. Ссылки должны быть составлены по ГОСТ 7.0.5.-2008. Особое внимание просим уделять написанию названий издательств и журналов. Предпочтение отдается полной форме. В случае сокращенного написания, пожалуйста, сверяйтесь с принятой формой сокращения наименования данного журнала или издательства в НЭБ (в случае, если они зарегистированы). В противном случае НЭБ не сможет индексировать ссылку. Ответственность за предоставляемую информацию несет автор.
С уважением, редакция журнала «Биотехносфера»
Л
№ 5(35)/2014 | биотехносфера
>= 3692
Иллюстрации к статье
С. Ф. Курдыбайло, Ю. И. Замилацкий, Р. Р. Гайнуллина Сравнительный анализ распределения удельного давления по внутренней поверхности приемных гильз протезов предплечья
а) б) в) г) а) б) в) г)
Рис. 3. Распределение удельного давления на культю предплечья в покое: а — стандартная гильза; 6 — полноконтактная; в — комбинированная; г — цветовая калибровочная карта давления
Рис. 4. Распределение удельного давления на культю предплечья при максимальном сгибании: а — стандартная гильза; б — полноконтактная; в — комбинированная; г— цветовая калибровочная карта давления
Рис. 5. Распределение удельного давления на культю предплечья при выполнении супинационно-пронационных движений:
а — стандартная гильза; б — полноконтактная; в — комбинированная; г— цветовая калибровочная карта давления
Рис. 7. Распределение удельного давления на культю предплечья в процессе подъема груза 3 кг на высоту 1,5 м: а — стандартная гильза; б — полноконтактная; в — комбинированная; г — цветовая калибровочная карта давления
а)
б)
в)
СаиЬга^а 1_едеп<1
д/ст1
2000
1538 1385 1231
а
и
Рис. 9. Распределение удельного давления на культю предплечья в процессе импульсных нагрузок с насадкой-молотком: а — стандартная гильза; б — полноконтактная; в — комбинированная;
г — цветовая калибровочная карта давления
