RU2236043C1 - Method for modeling bending loads applied to vertebral column segments under experimental conditions - Google Patents
Method for modeling bending loads applied to vertebral column segments under experimental conditions Download PDFInfo
- Publication number
- RU2236043C1 RU2236043C1 RU2003111887/14A RU2003111887A RU2236043C1 RU 2236043 C1 RU2236043 C1 RU 2236043C1 RU 2003111887/14 A RU2003111887/14 A RU 2003111887/14A RU 2003111887 A RU2003111887 A RU 2003111887A RU 2236043 C1 RU2236043 C1 RU 2236043C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bending
- vertebral
- spine
- vertebrae
- anatomical
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 238000005452 bending Methods 0.000 title claims description 51
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 43
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 11
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 210000003041 ligament Anatomy 0.000 abstract description 3
- 208000020339 Spinal injury Diseases 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 14
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 7
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 5
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 5
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 5
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 208000010392 Bone Fractures Diseases 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000010171 animal model Methods 0.000 description 2
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 2
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 description 2
- 238000013001 point bending Methods 0.000 description 2
- 238000002601 radiography Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 2
- 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
- 210000003484 anatomy Anatomy 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 239000000834 fixative Substances 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 210000004705 lumbosacral region Anatomy 0.000 description 1
- 238000013425 morphometry Methods 0.000 description 1
- 230000009894 physiological stress Effects 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 210000003625 skull Anatomy 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 210000000278 spinal cord Anatomy 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 210000000115 thoracic cavity Anatomy 0.000 description 1
- 238000011179 visual inspection Methods 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 также 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 simulating injuries and osteoplastic operations, as well as without fixing and simulating injuries .
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). 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 account for 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). 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 недостаточно. 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. Известно, что основными видами физиологических нагрузок, воздействующих на позвоночник, являются вертикальное сдавление, разноплоскостные изгибы и скручивание (White A., Panjabi M. Clinical biomechanics of the spine. - Philadelphia. - 1990, - 534 р.). Эти же нагрузки воздействуют на травмированный позвоночник после металлоостеосинтеза. Изгибающие нагрузки имеют поперечно направленное по отношению к оси позвоночного столба направление вектора дислоцирующего усилия.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. It is known that the main types of physiological stresses affecting the spine are vertical compression, multi-plane bends and twisting (White A., Panjabi M. Clinical biomechanics of the spine. - Philadelphia. - 1990, - 534 p.). The same loads affect the injured spine after metal osteosynthesis. Bending loads are transversely directed relative to the axis of the spinal column, the direction of the vector of the deployment force.
Известен способ моделирования механических нагрузок на позвоночник, описанный С.Т.Ветрилэ, для исследования в эксперименте остаточной стабильности верхнешейного отдела по отношению к поперечно направленным дислоцирующим усилиям при некоторых типичных повреждениях (Ветрилэ С.Т., Колосов 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 осуществляют в машине Zwick (Германия). Для фиксации анатомических блоков в машине через основание черепа и нижнешейные позвонки проводят крестообразно спицы, которые закрепляют в кольцах аппарата Илизарова. Нагрузку на шейный отдел позвоночника передают непосредственно с подвижной траверсы машины в переднезаднем направлении.There is a known method of modeling mechanical loads on the spine described by S.T. Vetrilé for studying in the experiment the residual stability of the upper cervical region with respect to the transversely directed deploying forces for some typical injuries (Vetril S.T., Kolosov S.V., Gavryushenko N. S. // Bulletin of traumatology and orthopedics named after N.N. Priorov. - 2002. - No. 1. - P.25-29). Studies were conducted on the anatomical preparations of craniovertebral blocks. Modeling of mechanical loads on the spine is carried out in a Zwick machine (Germany). To fix the anatomical blocks in the machine through the base of the skull and lower cervical vertebrae, spokes are held crosswise, which are fixed in the rings of the Ilizarov apparatus. The load on the cervical spine is transferred directly from the moving beam of the machine in the anteroposterior direction.
Данный способ моделирования механической нагрузки на позвоночник позволяет количественно охарактеризовать стабильность шейного отдела по отношению к переднезадним дислоцирующим усилиям сдвигающе-изгибающего характера и зафиксировать возникающие при этом характерные смещения структурных элементов исследуемого отдела позвоночника.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 forces of shear-bending nature and to fix the characteristic displacements of the structural elements of the spine under study.
Недостатком способа является передача усилия с подвижной траверсы тестирующей машины непосредственно на препарат шейного отдела позвоночника без каких-либо устройств, обеспечивающих избирательный захват отдельных позвонков. Фиксация крайних костных элементов исследуемого блока перекрещивающимися спицами, закрепленными в кольцах аппарата Илизарова, имеет вспомогательный характер и не обеспечивает возможность раздельно моделировать поперечно направленные дислоцирующие нагрузки изгибающего или сдвигающего характера. Способ не позволяет изолированно передавать на препарат позвоночных сегментов изгибающую нагрузку в строго заданной фронтальной или сагиттальной плоскости, так как само воздействие тестирующей машины в данном случае не имеет характеристик изгибающего усилия, измеряемого в системе СИ в ньютонометрах (Н·м). Это исключает возможность моделирования нагрузки на позвоночник с последующим анализом полученных результатов с позиций сопромата и биомеханики.The disadvantage of this 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. The fixation of the extreme bone elements of the test block by crossing needles fixed in the rings of the Ilizarov apparatus has an auxiliary character and does not provide the ability to separately simulate the transversely directed dislocating loads of a bending or shearing nature. The method does not allow isolated transfer of bending load to the preparation of vertebral segments in a strictly defined frontal or sagittal plane, since the impact of the testing machine in this case does not have the characteristics of the bending force measured in the SI system in newtonometers (N · m). This excludes the possibility of modeling the load on the spine with subsequent analysis of the results from the standpoint of sopromat and biomechanics.
Известен также способ испытания на излом тканей экспериментальных животных и человека на испытательном стенде стационарном (ИСС 500), описанный В.Д.Сикилинда (Сикилинда В.Д., Плоткин Г.Л., Алабут А.В., Тимошенко М.Е. и др. Биомеханические исследования небиологических объектов, тканей экспериментальных животных и человека на ИСС-500 и МИПС-150. - Методические рекомендации. - Ростов на Дону - Санкт-Петербург. - 2002. - 32 с.). Изгибающую нагрузку на анатомический препарат в данном случае моделируют по схеме трехточечного изгиба. Для проведения испытаний костный образец располагают на двух точках опоры, которыми являются подставки, помещенные на неподвижной площадке испытательного стенда. Расстояние между подставками устанавливают в соответствии с размерами объекта. Для этого подставки передвигают по площадке и после выбора необходимого положения закрепляют их винтами. В верхнем фиксаторе винтового пресса устанавливают опорный нож. Перед началом испытаний регистрируют вид объекта со всеми необходимыми характеристиками. Испытание образца на излом производят постепенным вращением винта пресса, в результате чего опорный нож оказывает давление на исследуемый костный образец между точками опоры. При этом непрерывно снимают показания измерительного прибора ИСС-500 и заносятся в журнал регистрации. Одновременно измеряют величину прогиба исследуемого образца в точке, отмеченной как середина образца и центр площадки давления опорного ножа. За начальное повреждение образца принимают нарушение целостности костных балок, а за разрушение образца - резкое снижение сопротивления образца дальнейшему воздействию опорного ножа, которое определяют по данным измерительного прибора и визуального контроля.There is also a known method for testing the fracture of tissues of experimental animals and humans on a stationary test bench (ISS 500), described by V.D.Sikilinda (Sikilinda V.D., Plotkin G.L., Alabut A.V., Timoshenko M.E. and other Biomechanical studies of non-biological objects, tissues of experimental animals and humans on ISS-500 and MIPS-150. - Methodological recommendations. - Rostov on the Don - St. Petersburg. - 2002. - 32 p.). In this case, the bending load on the anatomical preparation is modeled according to the three-point bending scheme. For testing, the bone specimen is placed at two support points, which are the stands placed on a fixed platform of the test bench. The distance between the stands is set in accordance with the size of the object. To do this, the stands are moved around the site and, after selecting the desired position, fasten them with screws. A support knife is installed in the upper clamp of the screw press. Before starting the test, record the type of object with all the necessary characteristics. The fracture test of the sample is carried out by gradual rotation of the press screw, as a result of which the support knife exerts pressure on the studied bone sample between the support points. At the same time, the ISS-500 measuring instrument is continuously taking readings and recorded in the registration log. At the same time, the amount of deflection of the test sample is measured at the point marked as the middle of the sample and the center of the pressure pad of the support knife. The initial damage to the sample is taken as a violation of the integrity of the bone beams, and for the destruction of the sample - a sharp decrease in the resistance of the sample to the further action of the support knife, which is determined according to the measuring device and visual inspection.
Данный способ позволяет исследовать прочность и показатели жесткости твердых биологических объектов по отношению к изгибающим нагрузкам, измеренным в единицах системы СИ (Н·м). Преимущества способа заключаются в его относительной простоте и в возможности избирательного изгибающего воздействия на препарат в заданном направлении, а также в достаточно высокой точности.This method allows you to explore the strength and stiffness indicators of solid biological objects in relation to bending loads, measured in SI units (N · m). The advantages of the method are its relative simplicity and the possibility of selective bending effects on the drug in a given direction, as well as a fairly high accuracy.
Недостатком способа является невозможность исследования указанных механических характеристик в отдельно взятой изолированной части биологического объекта. При проведении исследования изгибающему воздействию подвергают весь тестируемый объект, а не какую-либо отдельно взятую его часть. Для изучения прочности и показателей жесткости при изгибе локальной части анатомического препарата можно уменьшить длину исследуемого образца, уменьшив расстояние между точками опоры. Однако при этом к изгибающим усилиям будут добавляться нагрузки сдвигающе-срезающего характера. Их роль в деформации тестируемого образца будет значительно возрастать при уменьшении длины последнего. Если длина исследуемого объекта будет сопоставима с его поперечными размерами, то усилия тестирующей машины в большей мере будут направлены на появление деформации сдвига, а не на изгиб.The disadvantage of this method is the inability to study these mechanical characteristics in a single isolated part of a biological object. During the study, the entire object under test is subjected to bending effect, and not any particular part of it. To study the strength and stiffness indicators when bending the local part of the anatomical preparation, it is possible to reduce the length of the test sample, reducing the distance between the fulcrum. However, shear-shear loads will be added to the bending forces. Their role in the deformation of the test sample will increase significantly with a decrease in the length of the latter. If the length of the test object is comparable with its transverse dimensions, then the efforts of the testing machine will be more focused on the appearance of shear deformation, rather than bending.
Позвоночный столб состоит из подвижных по отношению друг к другу элементов - позвоночных двигательных сегментов (ПДС). Мобильность позвоночника и его поперечные размеры в сагиттальной и фронтальной плоскостях различны. Вертикальный размер отдельно взятого ПДС, т.е. его длина, сопоставим с поперечными размерами, и даже меньше сагиттального, в связи с чем корректно моделировать изгибающую нагрузку на позвоночные сегменты вышеуказанным способом невозможно. Увеличение длинны тестируемого анатомического препарата за счет увеличения количества позвонков также не позволит корректно моделировать изгибающую нагрузку на отдельные позвоночные сегменты, так как при этом изгибающее усилие будет передаваться на исследуемый ПДС через несколько подвижных межпозвоночных сочленений.The vertebral column consists of moving relative to each other elements - vertebral motor segments (PDS). The mobility of the spine and its transverse dimensions in the sagittal and frontal planes are different. The vertical size of a single PDS, i.e. its length is comparable with the transverse dimensions, and even less than the sagittal one, and therefore it is impossible to correctly model the bending load on the vertebral segments by the above method. An increase in the length of the tested anatomical preparation due to an increase in the number of vertebrae will also not allow to correctly model the bending load on individual vertebral segments, since in this case the bending force will be transmitted to the studied PDS through several movable intervertebral joints.
Характеристики самого тестирующего воздействия в этом случае будут неконтролируемы.The characteristics of the testing effect itself in this case will be uncontrollable.
В специальной литературе мы не нашли публикаций, посвященных изучению устойчивости позвоночника к изгибающим нагрузкам, что, на наш взгляд, связано с отсутствием адекватного способа моделирования данных нагрузок на позвоночные сегменты в эксперименте.In the specialized literature, we did not find publications devoted to the study of the stability of the spine to bending loads, which, in our opinion, is due to the lack of an adequate way to model these loads on the vertebral segments in the experiment.
Задачи изобретенияObjectives of the invention
- Обеспечить возможность изолированного изгибающего воздействия на отдельный позвоночный двигательный сегмент или на несколько сегментов, в зависимости от цели исследования.- To provide the possibility of an isolated bending effect on a single vertebral motor segment or on several segments, depending on the purpose of the study.
- Обеспечить возможность моделирования изгибающих нагрузок на позвоночные сегменты избирательно во фронтальной или сагиттальной плоскостях или в ином строго заданном направлении.- To provide the possibility of modeling bending loads on the vertebral segments selectively in the frontal or sagittal planes or in another strictly specified direction.
- Максимально приблизить в эксперименте механические условия, в которых находятся позвоночные сегменты при статической изгибающей нагрузке, к условиям, существующим прижизненно.- As close as possible in the experiment, the mechanical conditions in which the vertebral segments are under static bending load, to the conditions existing in vivo.
- При величинах изгибающих нагрузок, превышающих предел прочности тканей позвоночника, обеспечить возможность появления типичных смещений, переломовывихов и других существующих в реальных условиях повреждений позвоночных сегментов.- With bending loads exceeding the tensile strength of the spinal tissue, ensure the possibility of the appearance of typical displacements, fractures, dislocations and other existing in real conditions injuries of the vertebral segments.
Сущность способа заключается в том, что перед проведением тестирующей изгибающей нагрузки на исследуемый отдел позвоночника два каудальных и два краниальных позвонка исследуемого анатомического препарата захватывают путем введения в их тела попарно вдоль продольной оси ригидных резьбовых стержней. Концы стержней, выстоящие из исследуемого препарата, используют как рычаги для передачи изгибающего момента на тестируемые позвоночные сегменты. Благодаря этому изгибающая нагрузка тестирующей машины может передаваться на отдельный позвоночный сегмент или группу сегментов в соответствии с поставленной задачей в сагиттальной или фронтальной плоскости или в другом строго заданном направлении.The essence of the method lies in the fact that before conducting a test bending load on the studied spine, two caudal and two cranial vertebrae of the studied anatomical preparation are captured by introducing rigid bodies of threaded rods in pairs along their longitudinal axis. The ends of the rods, standing up from the test drug, are used as levers for transmitting the bending moment to the test vertebral segments. Due to this, the bending load of the testing machine can be transmitted to a separate vertebral segment or group of segments in accordance with the task in the sagittal or frontal plane or in another strictly specified direction.
При разработке способа моделирования изгибающих нагрузок в эксперименте мы исходили из того, что в прижизненных условиях изгибающее усилие передается на любой позвоночный сегмент через смежные выше- и нижележащие позвонки, межпозвоночные диски и связки. Сегмент, воспринимающий изгибающую нагрузку, фиксирован нижележащим диском и связочным аппаратом к нижележащему позвонку, а изгибающий момент передается через вышележащий диск и связки. При возникновении деформации изгиба позвоночного сегмента соседние позвонки и смежные межпозвоночные диски, передающие нагрузку, адекватно смещаются, меняя свое пространственное положение в соответствии с возникающими деформациями, наклоняясь в соответствующую сторону. Диски под действием изгибающего усилия упруго деформируются.When developing a method for modeling bending loads in the experiment, we proceeded from the fact that in vivo conditions bending force is transmitted to any vertebral segment through adjacent upper and lower vertebrae, intervertebral discs and ligaments. The segment that receives the bending load is fixed by the underlying disc and ligamentous apparatus to the underlying vertebra, and the bending moment is transmitted through the overlying disc and ligaments. When a bending deformation of the vertebral segment occurs, the adjacent vertebrae and adjacent intervertebral discs that transmit the load are adequately displaced, changing their spatial position in accordance with the arising deformations, leaning in the corresponding direction. Disks under elastic bending force are elastically deformed.
Для приближения условий эксперимента к биомеханическим условиям, существующим прижизненно, изгибающее усилие на позвоночные сегменты должно передаваться через те же анатомические структуры.To bring the experimental conditions closer to the biomechanical conditions existing in vivo, the bending force on the vertebral segments must be transmitted through the same anatomical structures.
Способ осуществляют следующим образом. Предварительно готовят анатомический препарат блока позвоночных сегментов, который будет подвергнут механическому тестированию. В препарате, кроме исследуемого участка позвоночника, должны сохранятся по два выше- и нижележащих позвонка с неповрежденными дисками и связочными структурами. В телах указанных позвонков вдоль продольной оси позвоночника, через межпозвоночный диск, находящийся между ними, формируют по два параллельных канала диаметром 10 мм (см. фиг. 1, А). При этом каналы достигают замыкательной пластины, прилежащей к смежному от исследуемого сегмента диску, не перфорируя ее. В каналы плотно ввинчивают ригидные резьбовые стержни соответствующего диаметра, длиной 250 мм (см. фиг. 1, Б). Расположение каналов в исследуемом анатомическом препарате позвоночника задают в соответствии с поставленной задачей. При изучении показателей жесткости ПДС к изгибающим нагрузкам, ориентированным в сагиттальной плоскости, каналы в телах позвонков и введенные в них стержни располагают по отношению друг к другу во фронтальной плоскости. При моделировании изгибающих нагрузок во фронтальной плоскости стержни вводят через каналы, сформированные по отношению друг к другу в сагиттальной плоскости, т.е. в плоскости, перпендикулярной вектору действующего усилия. Общая длинна подготовленного для механического тестирования образца, при исследовании грудопоясничных сегментов, составляет 565-620 мм.The method is as follows. An anatomical preparation of a block of vertebral segments is preliminarily prepared, which will be subjected to mechanical testing. In the preparation, in addition to the studied area of the spine, two higher and lower vertebrae with intact discs and ligamentous structures should be preserved. In the bodies of these vertebrae along the longitudinal axis of the spine, through the intervertebral disc located between them, two parallel channels with a diameter of 10 mm are formed (see Fig. 1, A). In this case, the channels reach the end plate adjacent to the disk adjacent to the segment under investigation without perforating it. Rigid threaded rods of the corresponding diameter, 250 mm long, are tightly screwed into the channels (see Fig. 1, B). The location of the channels in the studied anatomical preparation of the spine is set in accordance with the task. When studying the parameters of rigidity of the PDS to bending loads oriented in the sagittal plane, the channels in the vertebral bodies and the rods inserted into them are positioned relative to each other in the frontal plane. When modeling bending loads in the frontal plane, the rods are introduced through channels formed in relation to each other in the sagittal plane, i.e. in a plane perpendicular to the vector of the acting force. The total length of the sample prepared for mechanical testing, when examining the lumbar segments, is 565-620 mm.
Моделирование изгибающей нагрузки на позвоночные сегменты в эксперименте предлагаемым способом проводят по схеме трехточечного изгиба. Для моделирования изгибающей нагрузки подготовленный образец располагают на двух точках опоры, помещенных на неподвижной площадке стенда механических испытаний (см. фиг. 2, А). Расстояние между точками опоры, которыми являются подставки стенда, устанавливают в соответствии с размерами объекта. На подставках располагают концы ригидных резьбовых стержней, выстоящих наружу из тел позвонков таким образом, что сам анатомический препарат позвоночника оказывается в “подвешенном” состоянии между точками опоры. При этом на каждой подставке находятся по два стержня, что исключает возможность самопроизвольного изменения первоначальной пространственной ориентации тестируемого анатомического препарата. В верхней подвижной траверсе стенда механических испытаний устанавливают опорный нож. Перед началом испытаний регистрируют исходный вид анатомического блока позвоночных сегментов со всеми необходимыми характеристиками. За счет движения подвижной траверсы стенда опорный нож оказывает давление на исследуемый анатомический препарат в точке, отмеченной как середина тестируемого позвоночного сегмента, расположенного по центру между точками опоры (см. фиг. 2, Б). Для индикации деформации изгиба в исследуемом ПДС в тела образующих его позвонков в плоскости прилагаемой нагрузки, перпендикулярно оси позвоночника, вводят спицы Киршнера, изменение положения которых фиксируют угломером. По мере нарастания нагрузки, которую регистрируют измерительным прибором испытательного стенда, измеряют величину прогиба исследуемого препарата в точке, соответствующей центру площадки давления опорного ножа. Разрушением препарата считают резкое снижение сопротивления дальнейшему воздействию опорного ножа, которое определяют по данным измерительного прибора и визуального контроля.Modeling the bending load on the vertebral segments in the experiment by the proposed method is carried out according to the scheme of three-point bending. To simulate the bending load, the prepared sample is placed at two support points placed on a fixed platform of a mechanical test bench (see Fig. 2, A). The distance between the fulcrum, which are the stand stands, set in accordance with the size of the object. The supports have the ends of rigid threaded rods that stand outward from the vertebral bodies in such a way that the anatomical preparation of the spine is in a “suspended" state between the support points. At the same time, there are two rods on each stand, which eliminates the possibility of spontaneous changes in the initial spatial orientation of the test anatomical preparation. A support knife is installed in the upper movable traverse of the mechanical test bench. Before the start of the tests, the initial form of the anatomical block of the vertebral segments with all the necessary characteristics is recorded. Due to the movement of the movable traverse of the stand, the support knife exerts pressure on the studied anatomical preparation at the point marked as the middle of the test vertebral segment located in the center between the support points (see Fig. 2, B). To indicate the bending deformation in the studied PDS, the Kirschner spokes are introduced into the bodies of the vertebrae forming it in the plane of the applied load, perpendicular to the axis of the spine, the change of position of which is fixed with a goniometer. As the load increases, which is recorded by the measuring device of the test bench, measure the deflection of the test drug at a point corresponding to the center of the pressure pad of the support knife. The destruction of the drug is considered a sharp decrease in resistance to further exposure to the support knife, which is determined according to the measuring device and visual control.
При моделировании изгибающей нагрузки на позвоночные сегменты в эксперименте предлагаемым способом для изучения показателей жесткости и прочности одного изолированного сегмента анатомический препарат должен состоять из 6 позвонков с 5 межпозвоночными дисками и сохраненными связочными структурами. При изучении свойств двух смежных сегментов размер необходимого препарата позвоночника соответственно увеличивается до 7 позвонков. По два крайних позвонка анатомического блока будут зафиксированы ригидными резьбовыми стержнями, проведенными через их тела вдоль продольной оси позвоночника. За счет этого крайние сегменты анатомического блока не будут деформированы при тестирующих нагрузках. Деформации изгиба подвергнутся лишь изолированные ПДС, находящиеся в середине препарата. Точками опоры для них будут являться смежные интактные межпозвоночные диски, полностью сохранившие естественный биологический контакт с прилежащими позвонками, способность упруго деформироваться и менять свое пространственное положение под действием изгибающей нагрузки. Т.е. изгибающий момент за счет воздействия опорного ножа стенда механических испытаний передается на исследуемый позвоночный сегмент через смежные интактные межпозвоночные диски и сохраненный связочный аппарат, что приближает условия эксперимента к существующим прижизненно. Плечо изгибающего момента, действующего на изолированные позвоночные сегменты, соответствует длине ригидных резьбовых стержней, которая значительно больше вертикального и поперечного размеров позвонков. Благодаря этому воздействие подвижной траверсы стенда механических испытаний на изолированные позвоночные сегменты будет провоцировать изгибающее дислоцирующее усилие, а нагрузки сдвигающе-срезающего характера будут нивелированы.When modeling the bending load on the vertebral segments in an experiment by the proposed method for studying the stiffness and strength indices of one isolated segment, the anatomical preparation should consist of 6 vertebrae with 5 intervertebral discs and preserved ligamentous structures. When studying the properties of two adjacent segments, the size of the necessary preparation of the spine, respectively, increases to 7 vertebrae. Two extreme vertebrae of the anatomical block will be fixed by rigid threaded rods drawn through their bodies along the longitudinal axis of the spine. Due to this, the extreme segments of the anatomical block will not be deformed under testing loads. Only isolated PDS located in the middle of the preparation will undergo bending deformations. The fulcrum for them will be adjacent intact intervertebral discs, fully preserving the natural biological contact with the adjacent vertebrae, the ability to elastically deform and change their spatial position under the action of a bending load. Those. the bending moment due to the influence of the support knife of the test bench is transmitted to the test vertebral segment through adjacent intact intervertebral discs and the saved ligamentous apparatus, which brings the experimental conditions closer to the existing ones in vivo. The shoulder of the bending moment acting on the isolated vertebral segments corresponds to the length of the rigid threaded rods, which is much larger than the vertical and transverse dimensions of the vertebrae. Due to this, the effect of the movable traverse of the bench of mechanical tests on isolated vertebral segments will provoke a bending dislocating force, and the loads of the shear-cutting nature will be leveled.
Преимуществами предлагаемого способа моделирования изгибающей нагрузки на позвоночные сегменты в эксперименте являются: 1) возможность изолированного изгибающего воздействия на отдельный позвоночный двигательный сегмент или на несколько сегментов, в зависимости от цели исследования; 2) возможность моделирования изгибающих нагрузок на позвоночные сегменты избирательно во фронтальной или сагиттальной плоскостях, или в любом другом строго заданном направлении; 3) максимальное приближение механических условий, в которых находятся позвоночные сегменты при статической изгибающей нагрузке в эксперименте к условиям, существующим прижизненно; 4) при величинах изгибающих нагрузок, превышающих предел прочности тканей позвоночника, способ обеспечивает возможность появления типичных смещений, переломовывихов и других существующих в реальных условиях повреждений позвоночника.The advantages of the proposed method for modeling the bending load on the vertebral segments in the experiment are: 1) the possibility of an isolated bending effect on a single vertebral motor segment or on several segments, depending on the purpose of the study; 2) the ability to simulate bending loads on the vertebral segments selectively in the frontal or sagittal planes, or in any other strictly specified direction; 3) the maximum approximation of the mechanical conditions in which the vertebral segments are located under a static bending load in the experiment to the conditions existing in vivo; 4) with bending loads exceeding the tensile strength of the spinal tissue, the method provides the possibility of the appearance of typical displacements, fractures, dislocations and other existing in real conditions damage to the spine.
Предлагаемый способ апробирован нами при проведении серии экспериментальных исследований жесткости остеосинтеза позвоночника 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”.
Для испытаний использовались анатомические препараты блоков позвоночных сегментов Th9-L3, 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 8 опытов, в которых имитировали разрушение передней и средней опорных остеолигаментарных колон на уровне Th12 и остеосинтез Th11-L1 транспедикулярной спинальной системой “Синтез”.For the tests, anatomical preparations of blocks of vertebral segments Th 9 -L 3 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. The series of experiments included 8 experiments in which the destruction of the anterior and middle supporting osteo-ligamentous columns at the level of Th 12 and the osteosynthesis of Th 11 -L 1 transpedicular spinal system “Synthesis” were simulated.
Производили моделирование постепенно нарастающей изгибающей нагрузки, действующей в сагиттальной или фронтальной плоскости на позвоночные сегменты Th11-L1, находящиеся в условиях транспедикулярного остеосинтеза (аналогично схеме на фиг. 3.). При этом измеряли все деформации, возникающие в исследуемом блоке до его разрушения.Modeling of gradually increasing bending load acting in the sagittal or frontal plane on the vertebral segments Th 11 -L 1 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.
ПримерExample
На анатомическом препарате позвоночника, включающем семь позвонков (Th9-L3), шесть межпозвоночных дисков и полностью сохраненные связочные структуры, с помощью долота было произведено разрушение краниальной части тела Th12 до 70% его вертикального размера. Задняя остеолигаментарная колонна была полностью сохранена. Произведен остеосинтез позвоночных сегментов транспедикулярной спинальной системой “Синтез”, состоящей из 4-х винтов, диаметром 6 мм с длиной резьбовой части 50 мм. Винты введены через корни дуг в тела Th11 и L1 и соединены двумя несущими штангами длинной 90 мм и диаметром 6 мм (см. фиг. 3).On the anatomical preparation of the spine, including seven vertebrae (Th 9 -L 3 ), six intervertebral discs and completely preserved ligamentous structures, the cranial part of the body Th 12 was destroyed using a bit to 70% of its vertical size. The posterior osteo-ligamentous column was fully preserved. Osteosynthesis of vertebral segments was performed using the transpedicular spinal system “Synthesis”, consisting of 4 screws, 6 mm in diameter with a threaded portion length of 50 mm. The screws are inserted through the roots of the arcs into the bodies of Th 11 and L 1 and are connected by two support rods 90 mm long and 6 mm in diameter (see Fig. 3).
В телах Th9-Th10 и L2-L3 вдоль продольной оси позвоночника, через межпозвоночные диски, находящиеся между указанными позвонками, сформировали по два параллельных канала диаметром 10 мм. При этом каналы достигали замыкательных пластин, прилежащих к смежным от исследуемых сегментов Th11-L1 дискам, не перфорируя их. В каналы плотно ввинтили ригидные резьбовые стержни длиной 250 мм. Каналы и установленные в них стержни в исследуемом анатомическом препарате позвоночника располагали по отношению друг к другу во фронтальной плоскости, так как предполагалось моделирование изгибающей нагрузки на сегменты Th11-L1 с сагиттально направленным вектором дислоцирующего усилия.In bodies Th 9 -Th 10 and L 2 -L 3 along the longitudinal axis of the spine, through the intervertebral discs located between these vertebrae, two parallel channels with a diameter of 10 mm were formed. At the same time, the channels reached the locking plates adjacent to the disks adjacent to the studied Th 11 -L 1 segments without perforating them. Rigid threaded rods with a length of 250 mm were tightly screwed into the channels. The channels and the rods installed in them in the studied anatomical preparation of the spine were positioned relative to each other in the frontal plane, since it was assumed that the bending load on the Th 11 -L 1 segments with a sagittally directed dislocation force vector was simulated.
Подготовленный образец расположили на двух точках опоры, помещенных на неподвижной площадке стенда механических испытаний. Расстояние между точками опоры, которыми являлись подставки стенда, установили в соответствии с размерами объекта. На подставках расположили концы ригидных резьбовых стержней, выстоящих наружу из тел позвонков Th9-Th10 и L2-L3. В верхней подвижной траверсе стенда механических испытаний установили опорный нож. Перед началом испытаний зарегистрировали исходный вид анатомического блока позвоночных сегментов со всеми необходимыми характеристиками и рентгенографией в двух стандартных проекциях. Привели в движение подвижную траверсу стенда, за счет чего опорный нож начал оказывать давление на исследуемый анатомический препарат в точке, отмеченной как середина тестируемого позвоночного сегмента. Для индикации деформации изгиба в исследуемых ПДС в тела образующих его позвонков в плоскости прилагаемой нагрузки были предварительно введены спицы Киршнера, изменение положения которых фиксировали угломером.The prepared sample was placed at two support points placed on a fixed platform of a mechanical test bench. The distance between the fulcrum, which were the stand of the stand, set in accordance with the size of the object. On the supports, the ends of the rigid threaded rods located outward from the vertebral bodies Th 9 -Th 10 and L 2 -L 3 were located . A support knife was installed in the upper movable traverse of the mechanical test bench. Before the test, the initial type of anatomical block of the vertebral segments with all the necessary characteristics and radiography was recorded in two standard projections. The movable traverse of the stand was set in motion, due to which the support knife began to exert pressure on the studied anatomical preparation at the point marked as the middle of the test vertebral segment. To indicate bending deformation in the studied PDS, Kirschner spokes were previously introduced into the bodies of the vertebrae forming it in the plane of the applied load, the change in position of which was fixed with a goniometer.
По мере нарастания нагрузки, которую регистрировали измерительным прибором испытательного стенда, измеряли величину прогиба исследуемого препарата в точке, соответствующей центру площадки давления опорного ножа. Разрушением препарата считали резкое снижение сопротивления дальнейшему воздействию опорного ножа, которое определяли по данным измерительного прибора и визуального контроля. После этого нагрузка на препарат была прекращена. Он был извлечен из стенда механических испытаний, проведена его морфометрия и рентгенография в стандартных проекциях. Все полученные данные были занесены в протокол исследования для последующего анализа.As the load increased, which was recorded by the measuring instrument of the test bench, the deflection of the test drug was measured at a point corresponding to the center of the pressure pad of the supporting knife. The destruction of the drug was considered a sharp decrease in resistance to further exposure to the support knife, which was determined according to the measuring device and visual control. After that, the load on the drug was stopped. It was removed from the mechanical test bench, its morphometry and radiography in standard projections were carried out. All data obtained were recorded in the study protocol for subsequent analysis.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003111887/14A RU2236043C1 (en) | 2003-04-22 | 2003-04-22 | Method for modeling bending loads applied to vertebral column segments under experimental conditions |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003111887/14A RU2236043C1 (en) | 2003-04-22 | 2003-04-22 | Method for modeling bending loads applied to vertebral column segments under experimental conditions |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2236043C1 true RU2236043C1 (en) | 2004-09-10 |
| RU2003111887A RU2003111887A (en) | 2004-12-20 |
Family
ID=33433810
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003111887/14A RU2236043C1 (en) | 2003-04-22 | 2003-04-22 | Method for modeling bending loads applied to vertebral column segments under experimental conditions |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2236043C1 (en) |
Cited By (2)
| 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 |
| 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 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2154862C2 (en) * | 1997-06-11 | 2000-08-20 | Новосибирский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии | Method for modeling vertebrocerebrospinal trauma of cervical segment |
| RU2179746C2 (en) * | 1998-04-27 | 2002-02-20 | Кузбасский научно-исследовательский институт травматологии и реабилитации | Method for modeling isolated injuries of cervical intervertebral disks |
-
2003
- 2003-04-22 RU RU2003111887/14A patent/RU2236043C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2154862C2 (en) * | 1997-06-11 | 2000-08-20 | Новосибирский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии | Method for modeling vertebrocerebrospinal trauma of cervical segment |
| 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 (2)
| Title |
|---|
| WHITE A. Clinical biomechanies of the spine. - Philadelphia, 1990, р.534. * |
| Биомеханические исследования небиологических объектов, тканей экспериментальных ивотных и человека на ИСС-500 и МИПС-150, Методические рекомендации. - Ростов-на-Дону, 2002, 32 с. Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н.Приорова. - 2002, №1, с.25-29. * |
Cited By (2)
| 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 |
| 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 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hurlbert et al. | A biomechanical evaluation of occipitocervical instrumentation: screw compared with wire fixation | |
| Posner et al. | A biomechanical analysis of the clinical stability of the lumbar and lumbosacral spine | |
| Nibu et al. | Multidirectional stabilizing potential of BAK interbody spinal fusion system for anterior surgery | |
| White III et al. | Biomechanical analysis of clinical stability in the cervical spine | |
| Gilbertson et al. | Finite element methods in spine biomechanics research | |
| Heuer et al. | Stepwise reduction of functional spinal structures increase vertebral translation and intradiscal pressure | |
| Slosar Jr et al. | Instability of the lumbar burst fracture and limitations of transpedicular instrumentation | |
| Sawaguchi et al. | Stability of acetabular fractures after internal fixation: a cadaveric study | |
| Osvalder et al. | Ultimate strength of the lumbar spine in flexion—an in vitro study | |
| Shen et al. | 3D digital image correlation evaluation of arthrodesis implants | |
| Scheer et al. | Biomechanical analysis of cervicothoracic junction osteotomy in cadaveric model of ankylosing spondylitis: effect of rod material and diameter | |
| RU2236043C1 (en) | Method for modeling bending loads applied to vertebral column segments under experimental conditions | |
| Jacob et al. | Cyclic testing of standalone ALIF versus TLIF in lumbosacral spines of low bone mineral density: an ex vivo biomechanical study | |
| RU2229168C1 (en) | Method for modeling vertical loads to vertebral column segments under experimental conditions | |
| Shen et al. | Use of the dual construct lowers rod strains in flexion-extension and lateral bending compared to two-rod and two-rod satellite constructs in a cadaveric spine corpectomy model | |
| Windhagen et al. | A new device to quantify regenerate torsional stiffness in distraction osteogenesis | |
| RU2260855C1 (en) | Method for modeling shift loads applied to vertebral column segments under experimental conditions | |
| Somasundaram et al. | Cervical spine degeneration specific segmental angular rotational and displacements: A quantitative study | |
| Germaneau et al. | Development of an experimental model of burst fracture with damage characterization of the vertebral bodies under dynamic conditions | |
| Orías et al. | Biomechanical testing of the intact and surgically treated spine | |
| Germaneau et al. | A Novel Experimental Strategy for the Production of Thoracolumbar Burst Fractures Coupled with a Biomechanical Analysis by using Non‐invasive Optical Methods | |
| Heumann et al. | Load Changes on a Short-Segment Posterior Instrumentation After Transosseous Disruption of L3 Vertebra–A Biomechanical Human Cadaveric Study | |
| Antosik et al. | Numerical and experimental analysis of biomechanics of three lumbar vertebrae | |
| Quarrington et al. | Kinematics, kinetics, and new insights from a contemporary analysis of the first experiments to produce cervical facet dislocations in the laboratory | |
| RU2265892C1 (en) | Method for modeling rotation loading applied to vertebral segments under experimental conditions |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050423 |