Введение к работе
Актуальность исследования. Биологическая костная ткань обладает замечательным свойством (называемым остеогенез) восстановления массива кости при его разрушении (разделении) или даже удлинения первоначального размера любого сегмента конечности, что используется в реконструктивной ортопедии для лечения переломов, исправления деформаций и удлинения конечностей. Соединенные после разрушения части костного сегмента образуют в зоне контакта мягкую прослойку - регенерат, жесткость которого в статическом состоянии изменяется во времени практически от нуля и до уровня жесткости здоровой кости.
Определение состояния костного регенерата в месте повреждения конечности является актуальной проблемой ортопедии, решение которой позволило бы проводить более точную диагностику состояния восстанавливаемой конечности, костного регенерата, что в свою очередь привело бы к сокращению послеоперационного периода и уменьшило количество послеоперационных осложнений.
В существующих на сегодняшний день клинических технологиях проведения операций чрескостного остеосинтеза отсутствует объективный и постоянный контроль за состоянием костного регенерата, все определяется на основе субъективных оценок врача - ортопеда. Это объясняется отсутствием технических средств, позволяющих осуществлять такой непрерывный контроль. В результате не редки случаи разрыва костного регенерата при запоздалой дистрак-ции (растяжении костных фрагментов), формирование неполноценного дист-ракционного костного регенерата при слишком ранней дистракции и различные осложнения при затягивании сроков нахождения пациентов в аппаратах Илиза-рова. Отсюда вытекает необходимость контроля дистракционных усилий со стороны костного регенератаво время перемещения костных фрагментов, а также расчета численного значенияосевой жесткости костного регенерата с целью определения момента безопасного снятия аппарата Илизарова.
Немногочисленные работы исследователей по созданию устройств для измерения усилий компрессии и дистракции, определению состояния костного регенерата, а также для широкого внедрения автоматической дистракции, к сожалению, не трансформировались из стадии научных интересов в законченные системы для конвенционального использования. Главная причина такого положения - недостаточность методологических, технических и конструктивных проработок, сложность применения в обыденных условиях врачами ортопедами.
Таким образом, весьма актуальными являются исследования по широкому кругу вопросов, связанных с оснащением конвенциональных аппаратов внешней фиксации измерительно-вычислительными средствами и системами автоматической дистракции, а также определение состояния костного регенерата на основе измеренных и производных расчетных параметров, удобных для использования в рутинной практике врача ортопеда.
Решение этих вопросов составляет основу для создания инструмента нового класса - аппаратно-программного комплекса, предоставляющего ортопеду-
травматологу достаточный для объективного метода лечения объем сведений о состоянии костного регенерата.
Степень разработанности темы исследования. Темой исследования процесса восстановления костного регенерата занимались несколько групп исследователей. За рубежом для этой цели итальянской фирмой CITIEFFE был создан специальный измерительный комплекс (Mingozzi F., Mandrioli М., 1991). Однако данный комплекс был способен измерять только угловую жесткость регенерата, что сильно ограничивало его использование в медицинской практике.
В России также предпринимались попытки создания измерительных систем для сопровождения операций по чрескостному остеосинтезу. Так, в Ростовском государственном медицинском университете был создан так называемый очувствленный аппарат Илизарова (Голубев В.Ш., Лазико В.Р. и др., 2005). Однако данный комплекс ориентирован на отыскание координат центра тяжести сечения костных фрагментов, а не на непосредственную оценку состояния регенерата. Другой важной работой в этой области является комплекс CTS (Compression-Traction System, Шуц Б.С, 2002). Данный комплекс позволял определить относительное положение костных отломков, однако анализ состояния костного регенерата на нем затруднен из-за некоторых конструктивных недостатков (ручная изготовка и калибровка датчиков) и отсутствия четких методик по определению осевой жесткости регенерата на конечной стадии фиксации. Помимо создания этих комплексов, в РФ было проведено исследование по определению микроподвижности отломков большеберцовой кости (Егоров М.Ф. и др., 1999), которое выявило наличие скачкообразного роста жесткости костного регенерата на заключительной фазе лечения. Однако данный факт впоследствии не нашел широкого применения.
Помимо модификации самих аппаратов внешней фиксации, следует отметить джоульметрический метод (Волчихин В.И., Геращенко СИ., 2008), который основан на определении работы электрического тока, проходящего через регенерат. Основной его недостаток заключается в дополнительной травмати-зации зоны роста костного регенерата.
В качестве объекта исследования выбран процесс оссификации костного регенерата и связанное с ним изменение силовых нагрузок в конструкции аппарата Илизарова.
Предмет исследования. Методы построения измерительных систем для оценки состояния костного регенерата.
Целью работы является разработка аппаратно-программного комплекса (АПК) для исследования процесса восстановления нижних конечностей во время чрескостного остеосинтеза, а также разработка методики и выработка измеряемых критериев оценки состояния костного регенератас целью определения момента безопасного снятия аппарата Илизарова с высокой точностью, позволяющего избежать послеоперационных осложнений.
Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:
1. Исследованы существующие диагностические способы анализа состояния костного регенерата.
-
Разработана математическая модель нагружения зоны костного регенерата в течение операции чрескостного остеосинтеза.
-
Получена аналитическая зависимость осевой жесткости костного регенерата от измеряемых силовых параметров конструкции аппарата Илизарова и от времени.
-
Разработан критерий оценки состояния костного регенерата.
5.Разработана оптимальная конструкция АПК для определения жесткости костного регенерата, с его помощью проведены исследования процесса восстановления костного регенерата во время операций чрескостного остеосинтеза.
6. Подтверждена адекватность выработанного критерия состояния костного регенерата на основе экспериментальных данных.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теория сопротивления материалов, теория синтеза сложных систем, теория аналитико-алгоритмического описания измерительных процессов.
Научная новизна.
-
Получена аналитическая зависимость осевой жесткости костного регенерата от текущих силовых параметров аппарата Илизарова, основанная на рассчитанной математической модели нагрузки зоны стыка костных отломков, по-зволяющаявыразить состояние костного регенерата в виде функции текущих силовых воздействий на опорные элементы аппарата Илизарова со стороны пациента, параметров пациента и аппарата Илизарова в количественной форме.
-
Выведен критерий оценки состояния костного регенерата, основанный на полученных значениях осевой жесткости костного регенерата, экспериментальных исследованиях Егорова М.Ф. и справочных данных о жесткости здоровой кости, позволяющий оценить текущее состояние костного регенерата в фазе фиксации на основе объективных количественных показателях, а не на основе субъективного анализа рентгеновских снимков врачом ортопедом.
-
Разработана структура АПК, включающего тензометрические датчики силы или оптоволоконные датчики растяжения-сжатия, 2 (4) 24-х разрядных сигма-дельта аналого-цифровых преобразователя и управляющий микроконтроллер (ARM7 или ТІ MSP430), совместимый с персональным компьютером по проводному (USB 2.0) или беспроводному интерфейсу (Bluetooth 4.0 ULP), и позволяющего определить с помощью разработанного программного обеспечения силу компрессии костных отломков на стадии компрессии, текущую осевую жесткость костного регенерата в фазе фиксации, а также момент завершения процесса восстановления костного регенерата.
Научная и практическая ценность. Практическая ценность работы состоит в разработке законченного варианта АПК для оценки состояния костного регенерата, который может быть использован в практике отделений травматологии и ортопедии медицинских учреждений для повышения эффективности чрескостного остеосинтеза при лечении переломов и устранении деформаций болыпеберцовой кости и других костных сегментов опорно-двигательного аппарата. Помимо этого, использование данного АПК совместно с разработанной методикой оценки степени восстановления костного регенерата позволит детально отслеживать процесс восстановления костной ткани во время операций
чрескостного остеосинтеза, основываясь не только на данных рентгенологических исследований.
Реализация результатов работы. АПК внедрен в работу медицинской компании "Да Винчи" г. Волгоград, оказывающей услуги по проведению операций чрескостного остеосинтеза. Имеется соответствующий акт о внедрении.
Достоверность полученных результатов при решении поставленных задач обеспечивается применением современных технических средств, методов исследования. Экспериментальная часть работы выполнена с применением рентгеновского аппарата Digital Diagnost фирмы Philips и 4-хсрезовогокомпьютерного томографа General Electric, использованных для стандартной диагностики состояния костного регенерата, также был проведен метрологический анализ разработанного аппаратно-программного комплекса. Теоретическая часть работы основана на применении математических выводов, не противоречащих общей физической картине зоны стыка костных отломков.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Физико-математическая модель нагрузки зоны костного регенерата, основанная на представлениях о продольно-поперечном изгибе материалов, позволяющая получить аналитическое выражение для жесткости костного регенерата.
-
Аппаратно-программный комплекс, построенный на основе измерений сил в стержнях аппарата Илизарова с учетом эффекта скачкообразного роста жесткости регенерата, дающий возможность определить величину нагрузки в зоне костного регенерата и значение жесткости костного регенерата.
Апробация результатов. Материалы работы докладывались на инновационном форуме "Инновации - будущее сегодня" (г. Нижний Новгород, 2010); научных конференциях ВолгГТУ (г. Волгоград, 2009 - 2011 гг.); научной конференции в рамках фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (г. Волгоград, 2010 - 2011 гг.); 66-й научной конференции ВолгГМУ (г. Волгоград, 2008 г.); научной конференции «Распознавание
- 2010» (г. Курск, 2010 г.); научно-практической конференции «Актуальные
вопросы в научной работе и образовательной деятельности» (г. Тамбов, 2013
г.); международной научно-практической конференции «Инновационные ин
формационные технологии» (Чехия, г. Прага, 2013 г.); научных семинарах ка
федры «Вычислительная техника» ВолгГТУ (г. Волгоград, 2008 - 2012 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 работы в журналах из списка, рекомендованных ВАК, и 7 работ в других изданиях. Также получен один патент на изобретение.
Соответствие паспорту специальности.
