Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Механическое поведение и управление жесткостью аппарата внешней фиксации «Универсал»

Диссертация: Механическое поведение и управление жесткостью аппарата внешней фиксации «Универсал»
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

АВФ позволяют создать оптимальные условия не только для костной регенерации, но и для всего восстановительного процесса в целом в поврежденной конечности. Вот эти условия: стабильная фиксация костных отломков с помощью аппарата, т. е. большая иммобилизация, чем при традиционных методах, качественно меняет характер течения костной регенерации; Решение подобных задач имеет существенное значение для… Читать ещё >

Механическое поведение и управление жесткостью аппарата внешней фиксации «Универсал» (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • 1. Основные проблемы совершенствования аппаратов внешней фиксации на современном этапе
  • 1. Л. Классификация и сравнение существующих аппаратов внешней фиксации
    • 1. 2. Принцип построения аппарата, адаптированного к геометрии конечности
    • 1. 3. Аппарат внешней фиксации «Универсал» со сборными кольцами. Конструктивно-технические и биомеханические особенности
    • 1. 4. Методы исследования и прогнозирования механического поведения каркаса аппарата внешней фиксации
  • 2. Механизмы регулирования жесткости
    • 2. 1. Способ сборки (геометрический метод)
    • 2. 2. Использование уровня напряженности каркаса при сборке (механический метод)
    • 2. 3. Использование материалов с различными деформационно-прочностными характеристиками (физический метод)
    • 2. 4. Изменение размеров элементов (конструкционный метод)
  • 3. Экспериментальный анализ жесткости элементов аппарата внешней фиксации «Универсал» и некоторых вариантов сборки аппаратов Илизарова и «Универсал»
    • 3. 1. Спица
    • 3. 2. Сегмент
    • 3. 3. Стержень-стойка
    • 3. 4. Испытание на осевое сжатие некоторых вариантов сборки аппарата
  • Универсал" и аппарата Илизарова.'
  • Выводы
  • 4. Расчет жесткости аппарата внешней фиксации «Универсал» в классическом и квазителескопическом вариантах
    • 4. 1. Постановка задачи расчета АВФ «Универсал» как стержневой конструкции. Метод решения. Результаты расчета
    • 4. 2. Модель спицы с учетом предварительного натяжения и жесткости опорного кольца
    • 4. 3. Модель опорного кольца
    • 4. 4. Методика расчета сборки 2 спицы+кольцо и оценка осевой жесткости АВФ в целом
  • Выводы

Одной из фундаментальных проблем в современной ортопедии и травматологии является проблема обеспечения стабильных внешних условий остеосинтеза различных переломов и патологий [1−4]. Каждый из широко используемых методов фиксации (жесткие компрессионные пластины, интрамедуллярные гвозди и внешние фиксаторы) имеют преимущества и недостатки, так же как и индивидуальные биомеханические характеристики. Имеющийся клинический опыт [5−11], объединенный с данными, полученными из теоретических и экспериментальных исследований [12−25], позволил улучшить конструкции систем фиксации, повысить качество лечения. Вследствие наличия показаний и противопоказаний проблема применения того или иного способа фиксации костных отломков есть проблема выбора для конкретного случая перелома, чтобы добиться оптимального результата и избежать дополнительной травмы мягких тканей и нарушения кровообращения в месте перелома [26]. В этом плане наиболее универсальными по комплексу биомеханических и медицинских характеристик являются аппараты внешней фиксации (АВФ).

АВФ позволяют создать оптимальные условия не только для костной регенерации, но и для всего восстановительного процесса в целом в поврежденной конечности. Вот эти условия: стабильная фиксация костных отломков с помощью аппарата, т. е. большая иммобилизация, чем при традиционных методах, качественно меняет характер течения костной регенерации;

— остаются свободными смежные суставы поврежденного сегмента, что имеет исключительно важное значение для профилактики развития контрактуры суставов;

— ранняя функциональная нагрузка поврежденной конечности, необходимая для обеспечения повышенного регионарного кровообращения и усиления местного питания. Она должна быть постепенной, дозированной с нарастающими усилиями [1].

Следовательно, в идеале система фиксации перелома должна обеспечивать на различных этапах лечения разную степень жесткости фиксации — от полной иммобилизации в начале процесса лечения до полного раскрепощения в конце.

Наиболее широко известным примером АВФ является аппарат Илизарова. В данной работе исследуется современный и более совершенный АВФ «Универсал», изобретенный и производящийся в томском клиническом научно — производственном объединении «Биотехника» .

Целью диссертационной работы является разработка методов повышения начальной жесткости и прогнозируемого снижения жесткости аппарата внешней фиксации «Универсал» в процессе лечения переломов. В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

— проанализировать возможные способы изменения жесткости каркаса АВФэкспериментально изучить деформационно-прочностные характеристики элементов каркаса АВФ «Универсал», моделируя их работу в реальных условиях, чтобы оценить вклад каждого элемента в общую жесткость каркаса;

— экспериментально исследовать механическое поведение каркасов АВФ в зависимости от варианта сборкипостроить математическую модель каркаса АВФ «Универсал» в классическом и квазителескопическом вариантах сборки, позволяющую рассчитывать жесткость АВФ при действии любых видов нагружения и учитывающую влияние управляющих параметров;

— на основании результатов эксперимента и расчетов разработать рекомендации по увеличению начальной жесткости АВФ «Универсал», способам управления его жесткостью в процессе лечения.

Метод решения поставленной задачи:

— экспериментальное изучение деформационно-прочностного поведения элементов конструкции и полной сборки АВФ «Универсал» в некоторых вариантах;

— численное моделирование функционирования АВФ и его элементов.

Научная новизна: впервые проведен обширный комплексный экспериментально-теоретический анализ работы АВФ «Универсал" — впервые аппарат «Универсал» моделируется как пространственная стержневая система;

— впервые создан пакет программ для расчета жесткости АВФ «Универсал» в наиболее часто применяемых в практике ортопедии классических вариантах сборки и перспективных для применения квазителескопических вариантах.

— впервые даны рекомендации, основанные на расчетах, по оптимальному монтажу квазителескопического АВФ «Универсал» .

Научная и практическая ценность.

Работа выполнялась в рамках НИОКР «Биомеханические и технологические аспекты лечения переломов длинных трубчатых костей квазителескопическими системами внешней фиксации», номер госрегистрации 1 990 000 256 в Министерстве науки и технологии.

Решение подобных задач имеет существенное значение для развития устройств и методов фиксации при лечении переломов костей различных степеней сложности [27−36]. Как известно, одной из основных проблем в современной ортопедии является обеспечение стабильных условий срастания переломов, что позволяет сокращать сроки лечения и повышать его качество.

Недостатком спицевых АВФ является сравнительно малая жесткость фиксации [26]. Результаты работы показывают, что ее можно существенно повысить, не прибегая к изменению конструкции каркаса и значительным материальным затратам.

Применение разработанных сравнительно недавно квазителескопических каркасов в лечебной практике сдерживается из-за малоизученности их биомеханики. Результаты этой работы показывают преимущество такого типа каркасов перед классическим и позволяют дать рекомендации по оптимальному монтажу АВФ.

Разработанные программы могут быть использованы для расчета и других спицевых и спице-стержневых аппаратов, например, Илизарова, при соответствующем изменении координат узлов и параметров стержневой системы.

Основные положения, выдвигаемые на защиту:

— результаты исследования вклада жесткости элементов в общую жесткость каркаса;

— результаты сравнения жесткости квазителескопических и классических вариантов сборки АВФ «Универсал» ;

— математические модели каркаса АВФ «Универсал»;

— способы увеличения начальной жесткости АВФ и ее прогнозируемого снижения;

— особенности сборки квазителескопического каркаса АВФ «Универсал».

Обоснованность и достоверность результатов и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием поверенного оборудования и статистической обработкой результатов эксперимента, выбором численных методов моделирования, тестированием математических моделей по результатам эксперимента.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: в J 995 г. «Международная конференция по использованию результатов конверсии науки в вузах Сибири для международного сотрудничества» (г.Томск), в 1998 г. «Deutschen Gesellschaft fur Biomedizinische Technik» (г.Дрезден) и EMBEC'99 (European Medical and Biological Engineering Conference) (г.Вена). Ha отечественных конференциях: в 1998 г. в г. Томске «Механика летательных аппаратов и современные материалы», в 2000 г. в г. Новосибирске на объединенной сессии общего собрания СО РАН и СО РАМН «Новые медицинские технологии».

Все результаты работы, в том числе и программа для расчета жесткости АВФ «Универсал», используются в производственной практике ЗАО КНПО «Биотехника» (г.Томск) и в клинической практике в Центре ортопедии и медицинского материаловедения ТНЦ СО РАМН, в Центре восстановительной травматологии и ортопедии ТНЦ СО РАМН.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 6 работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 96 страниц, 8 фотографий и 26 рисунков.

Список литературы

содержит 73 наименования.

Все результаты работы, в том числе и программы для расчета АВФ «Универсал», внедрены в производственную практику в ЗАО КНПО «Биотехника» (г.Томск) и в клиническую практику в Центре ортопедии и медицинского материаловедения ТНЦ СО РАМН.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной диссертационной работе посредством экспериментального и теоретического анализа проводится разработка способов повышения начальной жесткости и прогнозируемого снижения жесткости (управления жесткостью) АВФ «Универсал» .

Основные полученные результаты:

Создана программа, позволяющая сравнивать жесткость каркасов АВФ «Универсал», как стержневых конструкций, в различных вариантах сборки при различных вариантах нагружения.

Создана программа расчета жесткости каркаса АВФ «Универсал» при осевом сжатии с учетом предварительного натяжения спиц.

Разработанные программы могут быть использованы для расчета других АВФ, например аппарата Илизарова, при соответствующем изменении координат узлов и параметров стержневой системы.

Разработаны рекомендации по увеличению начальной жесткости АВФ «Универсал» и, рассчитываемому по созданным программам, снижению его жесткости в процессе лечения перелома.

Разработаны рекомендации по обеспечению равного распределения функциональной нагрузки по спицам в квазителескопическом варианте каркаса.

Показано преимущество квазителескопического каркаса перед классическим при сжатии, изгибе и кручении.

Выявлены недостатки конструкции АВФ и проанализирована их причина.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Ли А. Д. Чрескостный остеосинтез в травматологии. -Томск: Изд-во Томского ун-та, 1992. 198 с.
  2. Л.Н., Анкин Н. Л. Биологические и биомеханические основы остеосинтеза // Практика остеосинтеза и эндопротезирования. Киев, 1994. — С.5−8.
  3. Seligson D., Stanwyck T.S. Concepts in' external fixation. -N.Y., 1982. 85p.
  4. Terjesen Т., Johnson E. Effect of fixation stiffness on fracture healing. External fixation of tibial osteotomy in the rabbit // Acta Orthop. Scand. 1986. — N57. — 146p.
  5. А.П. Управляемый комбинированный остеосинтез длинных костей: определения, перспективные направления, место в оперативной ортопедии.// Материалы II Пленума Ассоциации травматологов-ортопедов России. Ростов-на-Дону, 1996. -С.205−208.
  6. Finlay J.В., Moroz Т.К. and others. Stability of ten configurations of the Hoffmann external-fixation frame // J. Bone Joint Surg. 1983. — 69A. — P.734−744.
  7. Green S.A. Complications of external skeletal fixation: causes, prevention and treatment // Springfield, Illinois, Charles С Thomas. -1981. 22p.
  8. Я.Н., Конецкий А. А., Клечковский Г. В. Стержневая фиксация переломов бедра.// Материалы Ц1 международного семинара по усовершенствованию аппаратов и методов внешней фиксации. Рига, 1989. — С.49.
  9. З.Ю. с соавт. Некоторые аспекты применения универсальной системы внешней фиксации.// Материалы III Международного семинара по усовершенствованию аппаратов внешней фиксации. Рига, 1985. — С.33.
  10. А.А., Осыпив Б. А., Рынденко В. Г. Внешняя фиксация стержневыми аппаратами//Ортопедия, травматология. 1987. -N7. — С.67−71.
  11. McCoy Т.М., Chao E.Y.S., Kasman R.A. Comparison of mechanical performance in four types of external fixators // Clin. Orthop. Rel. Res. 1983. — N.180. — P.23−33.
  12. Briggs B.T., Chao E.Y.S. The mechanical performance of the standard Hoffmann Vidal external fixation apparatus // J. Bone Joint Surg. — 1982. — 64-A. — P.566−573.
  13. Chao E.Y.S., Hein T.J. The mechanical performance of the standard Orthofix external fixator // Orthopaedics. 1988. — 1 1. -P.1057−1069.
  14. Chao E.Y.S., Kasman R.A. and An K.N. Rigidity and stress analysis of external fracture fixation devices a theoretical approach // J.Biomechenics. — 1982. — 15(12). — P.971−983.
  15. Gasser В., Wyder D., Schneider E. The stiffness behaviour of the circular, wire-based frame in contrast to conventional externalfixators 11 Proc. Inter. Soc. Frac. Rep. Helsinki and Stockholm, August 31 September 2. — 1987. — P.95−96.
  16. Behrens F., Johnson W.D., Kocli T.W., Bending stiffness of unilateral and bi-lateral fixator frames // Clin Orthop RelRes. 1983. -N178. — P. 103−110.
  17. Huisces R., Chao E.Y.S., Crippen Т.Е. Parametric analysis of pin-bone stresses in external fracture fixation devices// J.Orthop.Res. -1985. 3. — P.341−349.
  18. Kristiansen Т., Flemming В., Neale G., Comparative study of fracture gap motion in external fixation // Clinical Biomechanics. -1992. N244. — P.57−69.
  19. Gasser В., Wyder D., Schneider E. Comparative investigation on the biomechanical pro-perties of the circular and other three-dimensional external fixators // J. Bone Joint. Surg.- 1987. N.69-A. -P.578−594.
  20. А.В., Лихачев B.H., Осипов Ю. В. Механика аппарата внешней фиксации «Универсал»: эксперимент и оптимальное проектирование // Гений ортопедии. 1996. — № 2−3. — С.89−90.
  21. Paley D., Fleming В., Catagni М., Kristiansen Т. and Pope М. Mechanical Evaluation of External Fixators Used in Limb Lengthening // Clinical Orthopaedics and Related Research. -1990. N250. — P.50−57.
  22. В.К., Студерс П. Я., Добелис М. Я. Сравнительное исследование жесткости спиц Киршнера, стержней Штейнмана и винтов Шанца в идентичных экспериментальных условиях в клинике //Ортопедия, травматология. 1988. — N12. — С.16−19.
  23. Carter M.D., Gilbert J.A., Dahnerts I.E. An evaluation of the bending stiffness of various tibial fixation methods // Clin. Orthop. -1987. N224. — P.289−293.
  24. Edmund Y.S. Chao and Hannu T.Aro. Biomechanics of fracture fixation. Basic orthopaedic biomechanics // Van C. Mon and Wilson C. Hayes. Raven Press Ltd. New York. 1991. — P.293−336.
  25. A.E., Морозов В. П. Современные зарубежные аппараты внешней фиксации // Ортопедия, травматология. 1987. — N8, — С.71−73.
  26. С.П. К истории применения спице-стержневых аппаратов в СССР.// Материалы III международного семинара по усовершенствованию аппаратов и методов внешней фиксации. -Рига, 1989. С53.
  27. Н.В., Кулик В. И., Попов А. А. Новая разновидность аппаратов внешней фиксации.// Материалы III международного семинара по усовершенствованию аппаратов и методов внешней фиксации. Рига, 1989. — С.114.
  28. А.Ж. О возможностях унификации и повышения эффективности использования компрессионно дистракционных аппаратов. // Изобретательство и рационализаторство в травматологии и ортопедии: Сборник трудов. М., 1983. — С.33−36.
  29. Г. Ш., Веселов Н. Я., Кролевец Н. В. Управление усилиями натяжения спиц при наложении аппарата Илизарова.//
  30. Материалы II Пленума Ассоциации траматологов-ортопедов России. Ростов-на-Дону, 1996. — С.223−226. •
  31. С.В., Стахеев И. А., Новицкая Н. В. Некоторые технические решения для оптимизации чрескостного остеосинтеза // Изобретательство и рационализаторство в травматологии и ортопедии: Сборник трудов. М., 1983. — С.69−72.
  32. Edwards С.С. Staged reconstruction of complex open tibial fractures using Hoffman external fixation // Clin.Orthop.Rel.Res. -1983. 178. — P.130−161.
  33. MB., Оганесян О. В. Конструирование репозиционно-компрессионных аппаратов для лечения переломов костей и удлинения конечностей // Изобретательство и рационализаторство в травматологии и ортопедии: Сборник трудов. М., 1983, — С.54−56.
  34. Huisces R., Chao E.Y.S. Guidelines for external fixation frame rigidity and stresses // J.Orthop.Res. 1986. — 4. — P.68−75.
  35. А.В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук. 1996.
  36. Прочность. Устойчивость. Колебания. Справочник, том1/ ред. Биргер И. А. и Пановко Я. Г. М.: Машиностроение, 1968. -831с.
  37. Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. -М.: Наука, 1979. 744с.
  38. Пластины, теория упругости, пластичности и ползучести, численные методы. Справочник, т, ом 2. / ред. Палий О. М. -Ленинград: Судостроение, 1982.
  39. В.Г. Руководство к решению задач прикладной теории упругости. М.: Высшая школа, 1984. — 287с. .
  40. К. Вариационные методы в теории упругости и пластичности. М.: Мир, 1987. — 542с.
  41. Н.И., Дубровская Н. С., Кваша О. П., Смирнов Г. Л., Феклисов Г. И. Численные методы. М.: Высшая школа, 1976. -368с.
  42. Р. Вариационный метод в инженерных расчетах. М.: Мир, 1971. — 291с.
  43. Р., Мортон К. Разностные методы решения краевых задач. М.: Мир, 1972. — 418с.
  44. Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978. — 512 с.
  45. П. М. Алгол 60 в строительной механике. М: Наука, 1972. — 365с.
  46. X. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972, — 238с.
  47. В.В. Теория эксперимента. М: Наука, 1971. — 208с.
  48. В.К., Кузнецов А. И., Дядик В. Ф. Обработка результатов измерений. Томск: Изд. ТПИ, 1977. — 95с.
  49. Л.П. Статистическая обработка опытных данных. Томск: Изд. ТГУ, 1980. — 75с.
  50. М.Б., Кумок В. Н. Лекции по планированию эксперимента. Томск: Изд. ТГУ, 1977. — 131с.
  51. А.В., Шапошников Н. Н. Строительная механика. М.: Высшая школа, 1986. — 607с.
  52. Справочник по строительной механике корабля: В трех томах./Ред. Бойцов Г. В., Палий О. М., Постнов В. А., Чувиковский B.C. Л.: Судостроение, 1982. — 320с.
  53. С.Н., Пунин А. Е. Мир компьютеров и химическая технология. JI: Химия, 1991. — 144с:
  54. A.V.Karlov, V.N.Likhatschov, Yu.V.Osipov. Biomechanik der Universal Anbenfixirungapparat: Experiment und Optimal Projektierung // Biomedizinische Technik. — 1996.'- B.41. — P.104−105.
  55. .К., Кулон Ж. Л. Метод конечных элементов и САПР. М.: Мир, 1989. — 192 с.
  56. Р. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. — 392 с.
  57. А.Р. Строительная механика. М.: Высшая школа, 1982. — 400 с.
  58. Р.П., Крутинис А. А. и др. Строительная механика, программы и решения задач на ЭВМ. М.: Стройиздат, 1990. — 360с.
  59. Н. Н. Дарабасов Н. Д., Петров В. Б., Мяченков В. И. Расчет машиностроительных конструкций на прочность и жесткость. М.: Машиностроение, 1981. — 333с.
  60. И.А., Шорр Б. Ф., Иосилевич Г. Б. Расчет на прочность деталей машин. Справочник. М.: Машиностроение, 1993. — 640с.
  61. И.М., Чекушин Ю. А. Выбор оптимальных компоновок спиц и аппаратов для чрескостного остеосинтеза применительно к каждому конкретному перелому с помощью ЭВМ.// Метод Илизарова Достижения и перспективы. — Курган, 1993. — С.99−100.
  62. А.В., Лихачев В. Н., Люкшин Б. А. Компьютерное моделирование жесткости аппарата внешней фиксации «Универсал» // Гений ортопедии, научно-техн. и практический журнал. 1996. — № 2−3. — С.158−159.
  63. А.В., Лихачев В. Н., Люкшин Б. А. Компьютерное моделирование жесткости аппаратов внешней фиксации // Материалы Всерос.конф. Актуальные проблемы здравоохранения Сибири. Ленинск-Кузнецкий. 1998. — С.93−95.
  64. Orbay G.L., Frankel V.N., Kummer F.J. The Effect of Wire Configuration on the Stability of the Ilizarov External Fixator // Clinical Orthopaedics and Related Research. 1992. — N279. — P.299−302.
  65. Г. А. Влияние расстояния между кольцами на фиксирующую способность аппарата Илизарова // Чрескостный компрессионный и дистракционный остеосинтез в травматологии и ортопедии. Курган, 1972. — С.55−69.
  66. Г. А. Жесткость фиксации костного отломка двумя перекрещивающимися спицами // Теоретические и практические аспекты чрескостного остеосинтеза. Курган, 1976. — С.50−61.
  67. Kummer F.J. Biomechanics of the Ilizarov External Fixator // Clinical Orthopaedics and Related Research. 1992. — N280. — P.11−14.92
  68. Karlov А.V., Likhatschov V.N., Osipov Yu.V. Modellierung der Stutzelemente Forms in Quasitelescopischen Ausseren Fixatoren // Biomedizinische Technik. 1998. — B.43. — P.324−326.
  69. Karlov A.V., Likhatschov V.N., Osipov Yu.V. Effectivity of External Fixation, Comparative Analysis of Systems // Proceedings of the EMBEC'99. 1999. — V.37, S.2, Part 1. — P.306−307.1. УТВЕРЖДАЮ
  70. Генеральный директор ЗАО «Клиническое научно-производственное объединение
  71. Биотехника», кандидат медицинских наук1. Карлов10 сентября 2QQ0 года
  72. Акт внедрения результатов диссертационной работы Осипова Ю. В. «Исследование механического поведения и способов управления жесткостью аппарата внешней фиксации «Универсал"на ЗАО КНПО «Биотехника»
  73. В рамках диссертационной работы проведены экспериментальные исследования и компьютерное моделирование поведения нескольких модификаций аппаратов внешней фиксации (АВФ) «Универсал».
  74. Разработанные в диссертации расчетные методики и программное обеспечение составляют основу параметрического анализа новой техники в объединении, ППП находится в штатной эксплуатации.
  75. Выявленные автором в процессе механических испытаний недостатки составляющих конструкции АВФ учтены, внесены необходимые изменения в комплекты конструкторско-технологической документации.
  76. Разработанные в диссертации рекомендации по увеличению жесткости АВФ «Универсал», способы управления его жесткостью в процессе чреско-стного остеосинтеза внесены в «Руководство по эксплуатации АВФ».
  77. Заведующий Испытательной Лабораторией медицинских издели кандидат технических наук1. В.Н. Лихачев1. УТВЕРЖДАЮ»
  78. Заместитель директора Центра ортопедии и медицинского материаловедения ТНЦ СО РАМН по научной работе, доктор медицинских наук1. И.А. Хлусов
  79. У г, «10» августа 2000 года1. Актвнедрения результатов диссертационной работы Осипова Ю. В. «Исследование механического поведения и способов управления жесткостью аппарата внешней фиксации «Универсал"в ЦОиММ ТНЦ СО РАМН
  80. Особенности монтажа условно-телескопических систем внешней фиксации, предложенные в диссертационной работе, включены в методические
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!