RU2229168C1 - Method for modeling vertical loads to vertebral column segments under experimental conditions - Google Patents
Method for modeling vertical loads to vertebral column segments under experimental conditions Download PDFInfo
- Publication number
- RU2229168C1 RU2229168C1 RU2002132648/14A RU2002132648A RU2229168C1 RU 2229168 C1 RU2229168 C1 RU 2229168C1 RU 2002132648/14 A RU2002132648/14 A RU 2002132648/14A RU 2002132648 A RU2002132648 A RU 2002132648A RU 2229168 C1 RU2229168 C1 RU 2229168C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- segments
- vertebral column
- rotation
- center
- platforms
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000003814 drug Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 20
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 11
- 229940079593 drug Drugs 0.000 claims description 8
- 230000006378 damage Effects 0.000 abstract description 16
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 8
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 8
- 210000000115 thoracic cavity Anatomy 0.000 description 6
- 210000004705 lumbosacral region Anatomy 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- 206010023509 Kyphosis Diseases 0.000 description 2
- 208000020339 Spinal injury Diseases 0.000 description 2
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 2
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 2
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 description 2
- 230000000284 resting effect Effects 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 208000010392 Bone Fractures Diseases 0.000 description 1
- 206010027677 Fractures and dislocations Diseases 0.000 description 1
- 206010060860 Neurological symptom Diseases 0.000 description 1
- 206010061363 Skeletal injury Diseases 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000834 fixative Substances 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000009940 knitting Methods 0.000 description 1
- 230000003902 lesion Effects 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000003278 mimic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002980 postoperative effect Effects 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 210000003625 skull Anatomy 0.000 description 1
- 210000000278 spinal cord Anatomy 0.000 description 1
- 208000020431 spinal cord injury Diseases 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Prostheses (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии, и может быть использовано для экспериментального изучения механической прочности анатомических препаратов грудного и поясничного отделов позвоночника в условиях остеосинтеза различными металлоконструкциями после имитации повреждений и костно-пластических операций, а так же без фиксации и имитации повреждений.The present invention relates to medicine, namely to traumatology and orthopedics, and can be used to experimentally study the mechanical strength of anatomical preparations of the thoracic and lumbar spine under conditions of osteosynthesis by various metal structures after imitation of injuries and osteoplastic operations, as well as without fixation and imitation damage.
Переломы позвоночника составляют от 3,2% до 17% от всех переломов костей (С.М.Журавлев и др., 1996; Н.Г.Фомичев и др., 1994; В.М.Синицин и др., 1997). Среди не осложненных повреждений позвоночника травмы на грудном отделе отмечаются у 29,2-43,9% больных, на поясничном отделе - у 40,9-46,0% пострадавших (А.И.Казьмин, А.В.Каплан, 1983; М.Ф.Дуров и др., 1983). При позвоночно-спиномозговой травме 13,3-39,2% повреждений локализуются в грудном отделе, 31,4-48,5% - в поясничном отделе (Г.С.Юмашев, и др., 1979; В.П.Берснев и др., 1998). В структуре первичной инвалидности от скелетных травм повреждения позвоночника составляют до 20,6% (К.И.Шапиро и др., 1991). При этом 29,8% случаев инвалидизации приходится на долю переломов и вывихов без неврологической симптоматики и 70,2% - на травмы позвоночника с повреждением спинного мозга и его образований (Н.В.Корнилов, В.Д.Усиков, 2000).Fractures of the spine range from 3.2% to 17% of all bone fractures (S.M. Zhuravlev et al., 1996; N.G. Fomichev et al., 1994; V.M.Sinitsin et al., 1997). Among uncomplicated spinal injuries, injuries in the thoracic region are noted in 29.2-43.9% of patients, in the lumbar region - in 40.9-46.0% of patients (A.I. Kazmin, A.V. Kaplan, 1983; M.F. Durov et al., 1983). In case of spinal cord injury, 13.3-39.2% of lesions are localized in the thoracic region, 31.4-48.5% in the lumbar region (G.S. Yumashev et al., 1979; V.P. Bersnev and et al., 1998). In the structure of primary disability from skeletal injuries, spinal injuries account for up to 20.6% (K.I. Shapiro et al., 1991). At the same time, 29.8% of cases of disability are fractures and dislocations without neurological symptoms and 70.2% are injuries of the spine with damage to the spinal cord and its formations (N.V. Kornilov, V.D. Usikov, 2000).
В последнее десятилетие отмечается широкое внедрение в клиническую практику различных устройств для металлофиксации позвоночника. В отечественной и зарубежной литературе имеется значительное количество публикаций, отражающих опыт применения таких конструкций и результаты лечения больных. Тем не менее, для сравнительной оценки эффективности того или иного фиксатора необходимо знать, насколько стабилен остеосинтез, выполняемый с его помощью. Этот вопрос в специальной медицинской литературе отражен не достаточно. Отсутствие объективной информации о фиксационных характеристиках конструкций, применяемых для остеосинтеза позвоночника, во многом объясняется несовершенством способов экспериментального моделирования механических нагрузок, действующих на позвоночник человека. В связи с этим возникают затруднения при проведении экспериментально-технических исследований прочностных свойств позвоночных сегментов как в свободном их состоянии, так и в условиях металлоостеосинтеза при повреждениях.In the last decade, there has been a widespread introduction in clinical practice of various devices for spinal metal fixation. In domestic and foreign literature there is a significant number of publications reflecting the experience of using such structures and the results of treatment of patients. Nevertheless, for a comparative assessment of the effectiveness of a particular fixative, it is necessary to know how stable the osteosynthesis performed with its help is. This issue is not adequately reflected in the specialized medical literature. The lack of objective information about the fixation characteristics of the structures used for osteosynthesis of the spine is largely due to the imperfection of the methods of experimental modeling of mechanical loads acting on the human spine. In this regard, difficulties arise when conducting experimental and technical studies of the strength properties of vertebral segments both in their free state and in conditions of metal osteosynthesis in case of damage.
Известен способ моделирования механических нагрузок на позвоночник, описанный С.Т.Ветрилэ при исследовании в эксперименте остаточной стабильности верхнешейного отдела при некоторых типичных повреждениях (Ветрилэ С.Т., Колесов С.В., Гаврюшенко Н.С.//Вестник травматологии и ортопедии имени Н.Н.Приорова. - 2002. - № 1. - С. 25-29). Исследования проводились на анатомических препаратах краниовертебральных блоков. Моделирование механических нагрузок на позвоночник осуществляли в машине Zwick (Германия). Для фиксации анатомических блоков в машине через основание черепа и нижнешейные позвонки проводили крестообразно спицы, которые закрепляли в кольцах аппарата Илизарова. Нагрузка на шейный отдел позвоночника передавалась непосредственно с подвижной траверсы машины в переднезаднем направлении. Данный способ моделирования механической нагрузки на позвоночник позволяет количественно охарактеризовать стабильность шейного отдела по отношению к переднезадним дислоцирующим усилиям сдвигающего (или срезающего) характера.There is a method of modeling mechanical loads on the spine described by S.T. Vetril during the study in the experiment of the residual stability of the upper cervical region with some typical injuries (Vetril S.T., Kolesov S.V., Gavryushenko N.S. // Bulletin of Traumatology and Orthopedics named after N.N. Priorov. - 2002. - No. 1. - S. 25-29). Studies were conducted on the anatomical preparations of craniovertebral blocks. The simulation of mechanical loads on the spine was carried out in a Zwick machine (Germany). To fix the anatomical blocks in the machine, spokes were carried out crosswise through the base of the skull and lower cervical vertebrae, which were fixed in the rings of the Ilizarov apparatus. The load on the cervical spine was transmitted directly from the moving beam of the machine in the anteroposterior direction. This method of modeling the mechanical load on the spine allows you to quantitatively characterize the stability of the cervical spine in relation to the anteroposterior dislocating efforts of a shifting (or shearing) nature.
Недостатками способа является передача усилия с подвижной траверсы тестирующей машины непосредственно на препарат шейного отдела позвоночника без каких-либо устройств, обеспечивающих избирательный захват отдельных позвонков. Это исключает возможность корректного моделирования осевой нагрузки на позвоночник. Фиксация крайних костных элементов исследуемого блока перекрещивающимися спицами, закрепленными в кольцах аппарата Илизарова, имеет вспомогательный характер. Она обеспечивает возможность моделировать лишь поперечно направленные дислоцирующие нагрузки сдвигающего характера.The disadvantages of the method is the transfer of force from the movable yoke of the testing machine directly to the preparation of the cervical spine without any devices providing selective capture of individual vertebrae. This excludes the possibility of correct modeling of axial load on the spine. Fixation of the extreme bony elements of the investigated block with crossed knitting needles fixed in the rings of the Ilizarov apparatus has an auxiliary character. It provides the ability to simulate only laterally directed dislocation loads of a shear nature.
Известен также способ экспериментального моделирования механических нагрузок на элементы позвоночника, описанный А.М.Лавруковым (Лавруков А.М., Томилов А.Б. “Остеосинтез аппаратом внешней фиксации у больных с повреждениями и заболеваниями позвоночника”. - Екатеринбург, 2002). Для экспериментов используют анатомические препараты нижнегрудного и поясничного отделов позвоночника. Моделирование нагрузок проводят на машинах марки ФМ250 и ФМ500. Элементы позвоночника подвергают сжатию между подвижными частями машин в вертикальном и горизонтальном направлениях. Транспедикулярные стержни, введенные в позвонки, подвергают вертикальным консольным и разрывающим нагрузкам. При этом изучают механическую прочность позвонков, прочность задела транспедикулярных стержней в костной ткани, предельные фиксационные возможности чрескостного стержневого аппарата при остеосинтезе нижнегрудного и поясничного отделов позвоночника. Данный способ экспериментального моделирования механических нагрузок позволяет получить общие представления о прочности позвоночника и жесткости его остеосинтеза аппаратом внешней фиксации.There is also a method of experimental modeling of mechanical loads on the elements of the spine described by A. M. Lavrukov (Lavrukov A. M., Tomilov A. B. “Osteosynthesis with an external fixation apparatus in patients with injuries and diseases of the spine.” - Ekaterinburg, 2002). For experiments using anatomical preparations of the lower thoracic and lumbar spine. Modeling of loads is carried out on machines of the brand FM250 and FM500. Elements of the spine are subjected to compression between the moving parts of the machines in the vertical and horizontal directions. The transpedicular rods inserted into the vertebrae are subjected to vertical cantilever and tensile loads. At the same time, the mechanical strength of the vertebrae, the strength of the backlog of the transpedicular rods in the bone tissue, the limiting fixation capabilities of the transosseous rod apparatus during osteosynthesis of the lower thoracic and lumbar spine are studied. This method of experimental modeling of mechanical loads allows you to get a general idea of the strength of the spine and the rigidity of its osteosynthesis with an external fixation apparatus.
Существенным недостатком способа при моделировании вертикальных нагрузок на элементы позвоночника является передача усилий на анатомический препарат через жестко фиксированные горизонтальные платформы. Это препятствует появлению каких-либо деформаций в исследуемом препарате кроме равномерного сжатия. Позвоночный сегмент имеет сложное в опорно-механическом отношении строение и различную прочность передней, средней и задней остеолигаментарных колон (Дулаев А.К., Шаповалов В.М., Гайдар Б.В. “Закрытые повреждения позвоночника грудной и поясничной локализации”. - С.-Петербург. - 2000). Клинические наблюдения показывают, что под действием вертикальной нагрузки в реальных условиях кроме сжатия практически всегда возникает деформация изгиба. В условиях металлоостеосинтеза позвоночника при его повреждениях вертикальные нагрузки могут вызвать появление торсионной деформации. Платформа, передающая усилие на исследуемый элемент позвоночника при проведении экспериментальных исследований, не должна препятствовать возникновению этих деформаций анатомического препарата. В противном случае моделирование вертикальной нагрузки на позвоночный сегмент не может считаться корректным.A significant disadvantage of the method when modeling vertical loads on the elements of the spine is the transfer of effort to the anatomical preparation through rigidly fixed horizontal platforms. This prevents the appearance of any deformations in the test drug except for uniform compression. The vertebral segment has a mechanical-mechanical structure and various strengths of the anterior, middle, and posterior osteo-ligamentous columns (Dulaev AK, Shapovalov VM, Gaidar BV “Closed injuries of the spine of the thoracic and lumbar localization.” - C .-Petersburg. - 2000). Clinical observations show that under the influence of vertical load in real conditions, in addition to compression, bending deformation almost always occurs. Under conditions of spinal osteosynthesis during damage, vertical loads can cause torsion deformation. A platform transmitting force to the spinal element under study during experimental studies should not prevent the occurrence of these deformations of the anatomical preparation. Otherwise, modeling the vertical load on the vertebral segment cannot be considered correct.
Задачи изобретения:Objectives of the invention:
- Максимально приблизить в эксперименте механические условия, в которых находятся позвоночные сегменты при статической вертикальной нагрузке к условиям, существующим прижизненно.- As close as possible in the experiment to the mechanical conditions in which the vertebral segments are located under static vertical load to the conditions existing in vivo.
- Обеспечить возможность возникновения в тестируемом анатомическом блоке позвоночных сегментов под действием вертикально направленного усилия не только деформации сжатия, но так же деформации изгиба, скручивания и сдвига за счет смещений позвонков относительно друг друга во фронтальной, сагитальной и горизонтальной плоскостях.- To ensure the possibility of vertebral segments in the tested anatomical block under the action of a vertically directed force not only compression deformation, but also bending, twisting and shear deformation due to displacement of the vertebrae relative to each other in the frontal, sagittal and horizontal planes.
- При величинах вертикальных нагрузок, превышающих предел прочности костной ткани позвонков, обеспечить возможность появления типичных клиновидных деформаций тел позвонков, переломовывихов и других существующих в реальных условиях повреждений позвоночных сегментов.- With values of vertical loads exceeding the tensile strength of the bone tissue of the vertebrae, provide the possibility of the appearance of typical wedge-shaped deformations of the vertebral bodies, fractures and other injuries of vertebral segments existing in real conditions.
Сущность способа заключается в использовании подвижных платформ для моделирования в эксперименте вертикальных нагрузок на позвоночные сегменты. Усилия измеряющей машины передают на исследуемый анатомический препарат позвоночных сегментов через подвижные платформы, имеющие шарнирный центр вращения. За счет наличия шарнирного узла платформы способны к адекватным наклонно-угловым смещениям при появлении деформаций в исследуемом препарате. Эти смещения платформ имитируют подвижность смежных позвонков in vivo при физиологических вертикальных нагрузках, не препятствуя возникновению возможных деформаций изгиба, скручивания, сдвига и ассиметричного сжатия в исследуемом препарате.The essence of the method consists in the use of mobile platforms for modeling in the experiment vertical loads on the vertebral segments. The efforts of the measuring machine are transmitted to the studied anatomical preparation of the vertebral segments through movable platforms having an articulated center of rotation. Due to the presence of the hinge node, the platforms are capable of adequate oblique-angular displacements when deformations appear in the test drug. These platform displacements mimic the mobility of adjacent vertebrae in vivo under physiological vertical loads, without interfering with the occurrence of possible bending, twisting, shear, and asymmetric compression deformations in the test drug.
При разработке способа моделирования вертикальных нагрузок в эксперименте мы исходили из того, что в реальных условиях вертикально направленное усилие передается на любой позвоночный сегмент через смежные выше- и нижележащие позвонки. При возникновении под действием нагрузки любых деформаций позвоночного сегмента (изгиба, сжатия, скручивания, сдвига) соседние позвонки, передающие эту нагрузку, адекватно смещаются, меняя свое пространственное положение в соответствии с возникающими деформациями. При сжатии они сближаются, при изгибе - накланяются в соответствующую сторону, при скручивании - поворачиваются, совершая движения относительно внутреннего центра вращения, находящегося в задней части средней остеолигаментарной колонны в непосредственной близости от передней стенки позвоночного канала. В эксперименте вертикальную нагрузку тестирующей машины на блок позвоночных сегментов передают подвижные платформы, которые должны иметь возможность менять свое пространственное положение в соответствии с любыми деформациями, возникающими в исследуемом препарате, и не препятствовать их появлению. При этом движения платформ под нагрузкой должны быть аналогичны физиологической подвижности смежных сегментов позвоночника in vivo в аналогичных биомеханических условиях. Последнее условие может быть достигнуто только при соответствующем взаиморасположении шарнирных узлов платформ и центров вращения смежных позвоночных сегментов (см. фиг.1, на которой показано соотношение центров вращения позвоночных сегментов и подвижных платформ при проведении вертикальных нагрузочных тестов. А. - во фронтальной плоскости. Б. - в сагитальной плоскости. В. - при возникновении деформации под нагрузкой).When developing a method for modeling vertical loads in the experiment, we proceeded from the fact that in real conditions, a vertically directed force is transmitted to any vertebral segment through adjacent upper and lower vertebrae. When any deformations of the vertebral segment (bending, compression, twisting, shear) occur under the load, the adjacent vertebrae that transmit this load are adequately displaced, changing their spatial position in accordance with the arising deformations. When compressed, they come closer, when bent, they bow to the corresponding side, when twisted, they turn, making movements relative to the inner center of rotation located in the back of the middle osteo-ligamentous column in the immediate vicinity of the front wall of the spinal canal. In the experiment, the vertical load of the testing machine on the block of vertebral segments is transmitted by mobile platforms, which should be able to change their spatial position in accordance with any deformations that arise in the test drug, and not interfere with their appearance. In this case, the movements of the platforms under load should be similar to the physiological mobility of adjacent segments of the spine in vivo in similar biomechanical conditions. The last condition can be achieved only with the appropriate relative position of the hinge nodes of the platforms and the centers of rotation of adjacent vertebral segments (see Fig. 1, which shows the ratio of the centers of rotation of the vertebral segments and mobile platforms during vertical stress tests. A. - in the frontal plane. B . - in the sagittal plane. V. - in the event of deformation under load).
Разработанные нами для реализации предлагаемого способа платформы способны смещаться при появлении различных деформаций в исследуемом анатомическом препарате, имитируя дислокации смежных позвонков, возникающие in vivo под действием вертикальной нагрузки. На фиг.2, 3 и 4 представлены варианты смещения подвижных платформ при возникновении различных деформаций исследуемого анатомического препарата при проведении вертикальных нагрузочных тестов. На фиг.2 представлен вариант возникновения деформации сжатия, на фиг.3 - возникновение деформации изгиба, на фиг.4 - возникновение деформации сдвига под действием вертикальной нагрузки на позвоночные сегменты.The platforms developed by us for the implementation of the proposed method are capable of shifting when various deformations appear in the studied anatomical specimen, simulating dislocations of adjacent vertebrae that arise in vivo under the action of vertical load. Figure 2, 3 and 4 presents options for the displacement of the movable platforms in the event of various deformations of the studied anatomical preparation during vertical load tests. In Fig.2 presents a variant of the occurrence of compression deformation, Fig.3 - the occurrence of bending deformation, Fig.4 - the occurrence of shear deformation under the action of vertical load on the vertebral segments.
Способ осуществляют следующим образом. Исследуемый анатомический препарат, состоящий из двух, трех или более сегментов, жестко закрепляют в подвижных платформах за крайние позвонки, которые при опоре на поверхность платформы замыкательной пластиной позвонка зажимают болтами по периметру “талии” тела. Крепление осуществляют таким образом, что центры вращения позвонков находятся на одной линии с шарнирными центрами поворотов подвижных платформ, соответствующей вертикальной оси позвоночного столба (фиг.1.). Расстояние от центра поворота платформы до центра позвонка, закрепленного в ней, соответствует расстоянию между позвоночными сегментами. Платформы с закрепленным в них блоком позвоночных сегментов устанавливают между сближаемыми частями тестирующей машины (стенда механических испытаний), после чего подают постепенно нарастающую вертикально направленную нагрузку, под действием которой происходит деформация исследуемого анатомического препарата. Подвижные платформы, передающие вертикальную нагрузку тестирующей машины на исследуемый препарат позвоночных сегментов, не препятствуют возникновению различных сложных деформаций в анатомическом блоке (фиг.2, 3, 4.). Сами платформы меняют при этом свою пространственную ориентацию аналогично смежным позвонкам, передающим вертикальную нагрузку на соседние сегменты in vivo. По мере нарастания деформации изменяются механические свойства нагружаемых позвоночных сегментов, их реакция на возрастающую нагрузку и характеристики воздействующего усилия. Любые деформации могут быть измерены и зафиксированы в соответствии с вертикальной нагрузкой, вызвавшей их появление для последующего анализа.The method is as follows. The studied anatomical preparation, consisting of two, three or more segments, is rigidly fixed in mobile platforms to the extreme vertebrae, which, when resting on the platform surface with a vertebral plate, are clamped with bolts around the perimeter of the “waist” of the body. Mounting is carried out in such a way that the centers of rotation of the vertebrae are in line with the hinged centers of rotation of the movable platforms, corresponding to the vertical axis of the spinal column (Fig. 1.). The distance from the center of rotation of the platform to the center of the vertebra, fixed in it, corresponds to the distance between the vertebral segments. Platforms with a block of vertebral segments fixed in them are installed between the adjacent parts of the testing machine (mechanical test bench), after which a gradually increasing vertically directed load is applied, under the influence of which the deformation of the studied anatomical preparation occurs. Moving platforms that transfer the vertical load of the testing machine to the studied preparation of the vertebral segments do not prevent the occurrence of various complex deformations in the anatomical block (figure 2, 3, 4.). At the same time, the platforms themselves change their spatial orientation similarly to adjacent vertebrae that transmit vertical load to neighboring segments in vivo. As strain increases, the mechanical properties of the loaded vertebral segments, their response to the increasing load, and the characteristics of the acting force change. Any deformations can be measured and recorded in accordance with the vertical load that caused them to appear for subsequent analysis.
Преимуществами предлагаемого способа моделирования вертикальной нагрузки на позвоночные сегменты в эксперименте является максимальное приближение механических условий, в которых находятся позвоночные сегменты во время исследований, к условиям, существующим прижизненно. Способ обеспечивает возможность беспрепятственного возникновения в тестируемом блоке позвоночных сегментов при вертикально направленных усилиях не только деформации сжатия, но и деформации изгиба, скручивания и сдвига. Деформации могут возникать за счет смещений позвонков относительно друг друга во фронтальной, сагитальной и горизонтальной плоскостях. При величинах вертикальных нагрузок, превышающих предел прочности костной ткани позвонков, предлагаемый способ обеспечивает возможность появление типичных клиновидных деформаций тел позвонков, переломовывихов и других существующих в реальных условиях повреждений позвоночных сегментов.The advantages of the proposed method for modeling the vertical load on the vertebral segments in the experiment is the maximum approximation of the mechanical conditions in which the vertebral segments are located during the study, to the conditions existing in vivo. The method provides the possibility of unhindered occurrence in the test block of vertebral segments with vertically directed forces not only compression deformation, but also bending, twisting and shear deformation. Deformations can occur due to displacements of the vertebrae relative to each other in the frontal, sagittal and horizontal planes. With values of vertical loads exceeding the tensile strength of the bone tissue of the vertebrae, the proposed method provides the possibility of the appearance of typical wedge-shaped deformations of the vertebral bodies, fractures and other injuries of vertebral segments existing in real conditions.
Предлагаемый способ апробирован нами при проведении серии экспериментальных исследований жесткости остеосинтеза позвоночника транспедикулярной спинальной системой “Синтез”. Исследования проводились в лаборатории кафедры сопротивления материалов Краснодарского технологического университета на стенде механических испытаний ЗИМ Р-10. Для испытаний использовались анатомические препараты блоков позвоночных сегментов Th12-L2, извлекаемые на секции у лиц 20-55 летнего возраста в сроки до 24 часов после смерти. Заболевания, явившиеся причиной смерти в указанной группе, не оказывали влияния на структуру тканей позвоночника. Серия экспериментов включала 10 опытов, в которых имитировалось разрушение передней и средней, или всех трех опорных остеолигаментарных колон на уровне L1 и остеосинтез Th12-L2 транспедикулярной спинальной системой “Синтез”.The proposed method was tested by us in a series of experimental studies of the rigidity of spinal osteosynthesis with the transpedicular spinal system “Synthesis”. The studies were carried out in the laboratory of the Department of Materials Resistance of the Krasnodar Technological University at the stand of mechanical tests of ZIM R-10. For the tests, anatomical preparations of blocks of vertebral segments Th 12 -L 2 were used , which were extracted into sections in persons 20-55 years of age up to 24 hours after death. Diseases that caused death in this group did not affect the structure of spinal tissues. A series of experiments included 10 experiments in which the destruction of the anterior and middle, or of all three supporting osteo-ligamentous columns at the level of L 1 and the osteosynthesis of Th 12 -L 2 by the transpedicular spinal system Synthesis were simulated.
Анатомические препараты фиксировали подвижными платформами, имеющими шарнирный центр вращения за крайние позвонки, которые при опоре на поверхность платформы замыкательной пластиной зажимали болтами по периметру “талии” тела. Крепление осуществляли таким образом, что центры вращения позвонков находились на одной линии с шарнирными центрами поворотов подвижных платформ. Платформы устанавливали между сближаемыми частями стенда механических испытаний, после чего они передавали механическую нагрузку на исследуемый препарат.Anatomical preparations were fixed with movable platforms having an articulated center of rotation beyond the extreme vertebrae, which, when resting on the platform surface with a locking plate, were bolted along the perimeter of the “waist” of the body. Mounting was carried out in such a way that the centers of rotation of the vertebrae were in line with the hinged centers of rotation of the movable platforms. The platforms were installed between the adjoining parts of the mechanical test bench, after which they transferred the mechanical load to the test drug.
Производилось моделирование постепенно нарастающей вертикальной нагрузки на позвоночные сегменты Th12-L2, находящиеся в условиях транспедикулярного остеосинтеза (аналогично схеме на фиг.3). При этом измерялись все деформации, возникающие в исследуемом блоке до его разрушения. За счет наличия шарнирного узла платформы совершали адекватные наклонно-угловые смещения при появлении деформаций в исследуемом препарате, не препятствуя возникновению возможного изгиба, скручивания, сдвига и ассиметричного сжатия блока позвоночных сегментов.A simulation of a gradually increasing vertical load on the vertebral segments of Th 12 -L 2 under conditions of transpedicular osteosynthesis was performed (similar to the scheme in Fig. 3). In this case, all deformations arising in the test block before its destruction were measured. Due to the presence of the hinge node of the platform, they performed adequate oblique-angular displacements when deformations appeared in the test specimen, without preventing the possible bending, twisting, shear and asymmetric compression of the block of vertebral segments.
Пример использования. На анатомическом препарате трех позвоночных сегментов (Th12-L2) с помощью долота было произведено разрушение краниальной части тела L1 до половины его вертикального размера. Задняя остеолигаментарная колонна была полностью сохранена. Произведен остеосинтез позвоночных сегментов транспедикулярной спинальной системой “Синтез”, состоящей из 4 винтов, диаметром 6 мм с длинной резьбовой части 50 мм. Винты введены через корни дуг в тела Th12 и L2 и соединены двумя несущими штангами диаметром 6 мм. Синтезированный блок позвоночных сегментов закреплен в подвижных платформах и установлен между сближающимися частями стенда механических испытаний ЗИМ Р-10, после чего на него стала подаваться постепенно нарастающая вертикальная нагрузка. При усилии 800 н отмечено появление деформации изгиба в виде локального кифоза исследуемых сегментов 3 градуса. При нагрузке 1600 н кифоз увеличился до 12 градусов, произошло локальное разрушение препарата в области краниальной замыкательной пластины Th12 непосредственно над установленными в этот позвонок транспедикулярными винтами с дислокацией последних в дорзальном направлении. Деформации самой транспедикулярной системы при этом практически не было. При дальнейшем сближении подвижных платформ уменьшение вертикальных размеров исследуемых позвоночных сегментов и нарастание угловой деформации происходило без увеличения разрушающей вертикальной нагрузки.Usage example. On the anatomical specimen of three vertebral segments (Th 12 -L 2 ), using a chisel, the cranial part of the body L 1 was destroyed to half its vertical size. The posterior osteo-ligamentous column was fully preserved. Osteosynthesis of the vertebral segments with the transpedicular spinal system “Synthesis”, consisting of 4 screws, 6 mm in diameter with a long threaded part of 50 mm, was performed. The screws are inserted through the roots of the arcs into the bodies of Th 12 and L 2 and are connected by two supporting rods with a diameter of 6 mm. The synthesized block of vertebral segments is fixed in movable platforms and installed between the converging parts of the ZIM R-10 mechanical test bench, after which a gradually increasing vertical load began to be applied to it. With a force of 800 n, the appearance of bending deformation in the form of local kyphosis of the studied segments of 3 degrees was noted. At a load of 1600 n, kyphosis increased to 12 degrees, there was a local destruction of the drug in the area of the cranial locking plate Th 12 directly above the transpedicular screws installed in this vertebra with the dislocation of the latter in the dorsal direction. There was practically no deformation of the transpedicular system itself. With further convergence of the moving platforms, a decrease in the vertical dimensions of the spinal segments under study and an increase in angular deformation occurred without an increase in the destructive vertical load.
Использование предлагаемого способа моделирования вертикальной нагрузки на позвоночные сегменты в эксперименте позволило измерить в корректных биомеханических условиях не только деформацию сжатия, но и величину появляющейся под нагрузкой деформации изгиба исследуемого анатомического блока позвонков, которая имеет большее практическое значение. Полученные результаты позволяют обосновать режим реабилитационных нагрузок в послеоперационном периоде у больных, перенесших аналогичную операцию транспедикулярного остеосинтеза на позвоночнике.Using the proposed method for modeling the vertical load on the vertebral segments in the experiment, it was possible to measure not only the compression strain, but also the magnitude of the bending strain under the load of the studied anatomical vertebral block, which is of great practical importance. The results obtained make it possible to justify the regime of rehabilitation loads in the postoperative period in patients who underwent a similar operation of transpedicular osteosynthesis on the spine.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002132648/14A RU2229168C1 (en) | 2002-12-04 | 2002-12-04 | Method for modeling vertical loads to vertebral column segments under experimental conditions |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002132648/14A RU2229168C1 (en) | 2002-12-04 | 2002-12-04 | Method for modeling vertical loads to vertebral column segments under experimental conditions |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2229168C1 true RU2229168C1 (en) | 2004-05-20 |
| RU2002132648A RU2002132648A (en) | 2004-08-10 |
Family
ID=32679298
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002132648/14A RU2229168C1 (en) | 2002-12-04 | 2002-12-04 | Method for modeling vertical loads to vertebral column segments under experimental conditions |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2229168C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2277726C1 (en) * | 2004-12-10 | 2006-06-10 | Роман Владимирович Паськов | Method for modeling compression and comminuted vertebral column fractures |
| RU2461071C2 (en) * | 2010-10-28 | 2012-09-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омская государственная медицинская академия Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию" Росздрава | Method for simulating spinal cord injury |
| CN109363790A (en) * | 2018-12-18 | 2019-02-22 | 上海市东方医院 | Coccyx intervertebral disc degeneration experimental device |
| CN111568431A (en) * | 2020-05-06 | 2020-08-25 | 山东师范大学 | Spinal column bending biomechanics and mobility testing device and method |
| RU208912U1 (en) * | 2021-05-12 | 2022-01-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Новосибирский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Я.Л. Цивьяна" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "ННИИТО им. Я.Л. Цивьяна" Минздрава России) | A device for modeling isolated anterior stabilization of the vertebral segment at the level of C6-C7 after a three-column injury to measure and evaluate the primary stability of fixation of the lower cervical vertebral segments |
| RU2776220C1 (en) * | 2021-05-12 | 2022-07-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Новосибирский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Я.Л. Цивьяна" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "ННИИТО им. Я.Л. Цивьяна" Минздрава России) | Apparatus for measuring and assessing the primary stability of fixation of models of lower cervical vertebral segments in modelling anterior surgical stabilisation of a vertebral segment in three column injuries |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1560149A1 (en) * | 1987-03-23 | 1990-04-30 | Пензенский государственный институт усовершенствования врачей | Device for simulating dislocations of cervical vertibrae |
| RU2179746C2 (en) * | 1998-04-27 | 2002-02-20 | Кузбасский научно-исследовательский институт травматологии и реабилитации | Method for modeling isolated injuries of cervical intervertebral disks |
-
2002
- 2002-12-04 RU RU2002132648/14A patent/RU2229168C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1560149A1 (en) * | 1987-03-23 | 1990-04-30 | Пензенский государственный институт усовершенствования врачей | Device for simulating dislocations of cervical vertibrae |
| RU2179746C2 (en) * | 1998-04-27 | 2002-02-20 | Кузбасский научно-исследовательский институт травматологии и реабилитации | Method for modeling isolated injuries of cervical intervertebral disks |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ЛАВРУКОВ А.М. и др. Остеосинтез аппаратом внешней фиксации у больных с повреждениями и заболеваниями позвоночника. - Екатеринбург, 2002. * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2277726C1 (en) * | 2004-12-10 | 2006-06-10 | Роман Владимирович Паськов | Method for modeling compression and comminuted vertebral column fractures |
| RU2461071C2 (en) * | 2010-10-28 | 2012-09-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омская государственная медицинская академия Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию" Росздрава | Method for simulating spinal cord injury |
| CN109363790A (en) * | 2018-12-18 | 2019-02-22 | 上海市东方医院 | Coccyx intervertebral disc degeneration experimental device |
| CN109363790B (en) * | 2018-12-18 | 2023-11-21 | 上海市东方医院 | Caudal vertebrae intervertebral disc degeneration experimental device |
| CN111568431A (en) * | 2020-05-06 | 2020-08-25 | 山东师范大学 | Spinal column bending biomechanics and mobility testing device and method |
| RU208912U1 (en) * | 2021-05-12 | 2022-01-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Новосибирский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Я.Л. Цивьяна" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "ННИИТО им. Я.Л. Цивьяна" Минздрава России) | A device for modeling isolated anterior stabilization of the vertebral segment at the level of C6-C7 after a three-column injury to measure and evaluate the primary stability of fixation of the lower cervical vertebral segments |
| RU2776220C1 (en) * | 2021-05-12 | 2022-07-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Новосибирский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Я.Л. Цивьяна" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "ННИИТО им. Я.Л. Цивьяна" Минздрава России) | Apparatus for measuring and assessing the primary stability of fixation of models of lower cervical vertebral segments in modelling anterior surgical stabilisation of a vertebral segment in three column injuries |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Nibu et al. | Multidirectional stabilizing potential of BAK interbody spinal fusion system for anterior surgery | |
| Rohlmann et al. | Applying a follower load delivers realistic results for simulating standing | |
| Yingling et al. | Dynamic loading affects the mechanical properties and failure site of porcine spines | |
| Luo et al. | How are adjacent spinal levels affected by vertebral fracture and by vertebroplasty? A biomechanical study on cadaveric spines | |
| Calisse et al. | Estimation of trunk muscle forces using the finite element method and in vivo loads measured by telemeterized internal spinal fixation devices | |
| Koehler et al. | Effect of a ventral slot procedure and of smooth or positive-profile threaded pins with polymethylmethacrylate fixation on intervertebral biomechanics at treated and adjacent canine cervical vertebral motion units | |
| Chang et al. | Dynamic response of the occipito–atlanto–axial (C0‐C1‐C2) complex in right axial rotation | |
| Ianuzzi et al. | Biomechanical evaluation of surgical constructs for stabilization of cervical teardrop fractures | |
| RU2229168C1 (en) | Method for modeling vertical loads to vertebral column segments under experimental conditions | |
| Johnston et al. | Mechanical consequences of rod contouring and residual scoliosis in sublaminar segmental instrumentation | |
| Tohyama et al. | Laxity and flexibility of the ankle following reconstruction with the Chrisman‐Snook procedure | |
| Windhagen et al. | Quantitative assessment of in vivo bone regeneration consolidation in distraction osteogenesis | |
| Sevillano-Perez et al. | L4 fixation is not necessary in L5-Iliac spinopelvic fixation after trauma, but coadjutant transilio-transsacral fixation is | |
| Al-Sukhun et al. | Orbital stress analysis—part I: simulation of orbital deformation following blunt injury by finite element analysis method | |
| Windhagen et al. | A new device to quantify regenerate torsional stiffness in distraction osteogenesis | |
| Hakozaki et al. | Biomechanical assessment of the effects of vertebral distraction-fusion techniques on the adjacent segment of canine cervical vertebrae | |
| Kikuchi et al. | Finite element analysis predictions in the canine lumbar spine are useful and correlate with ex vivo biomechanical studies | |
| RU2236043C1 (en) | Method for modeling bending loads applied to vertebral column segments under experimental conditions | |
| RU2265892C1 (en) | Method for modeling rotation loading applied to vertebral segments under experimental conditions | |
| Fogel et al. | In vitro evaluation of stiffness and load sharing in a two-level corpectomy: comparison of static and dynamic cervical plates | |
| RU2260855C1 (en) | Method for modeling shift loads applied to vertebral column segments under experimental conditions | |
| Heumann et al. | Impact of transforaminal lumbar interbody fusion on rod load: a comparative biomechanical analysis between a cadaveric instrumentation and simulated bone fusion | |
| Groenen et al. | Inducing targeted failure in cadaveric testing of 3-segment spinal units with and without simulated metastases | |
| Antosik et al. | Numerical and experimental analysis of biomechanics of three lumbar vertebrae | |
| Ferrara et al. | A preliminary biomechanical evaluation in a simulated spinal fusion model |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20041205 |