Устройство для мониторинга нагрузки на фрагменты костей при лечении переломов

Устройство для мониторинга нагрузки на фрагменты костей при лечении переломов содержит датчики давления по опорной поверхности стопы, электронную схему преобразования давления в электрические сигналы, блок беспроводной передачи данных, блок приема и обработки данных о давлении по опорной поверхности стопы. Устройство снабжено электронным блоком преобразования величины давления по опорной поверхности стопы в величину взаимного механического давления костных отломков травмированной конечности, а также блок виброаудиовизуального информирования пациента о величине взаимного механического давления отломков травмированной кости. Подвижность пациентов при использовании устройства не ограничивается.

Предлагаемое устройство для мониторинга нагрузки на фрагменты костей при лечении переломов может использоваться в практической медицине, в частности, в травматологии, в процессе лечения пациентов с переломами трубчатых костей бедра и голени.

В послеоперационном периоде при оперативном лечении указанной травмы в целях активизации восстановительных процессов заживления перелома необходима ранняя ограниченная по величине и продолжительности нагрузка на травмированную конечность. По мере заживления перелома нагрузку можно постепенно увеличивать. Однако, если нагрузка на конечность, а значит и на травмированную кость как на передаточное для нагрузки звено, окажется избыточно большой, то костный регенерат, образующийся в области контакта отломков травмированной кости будет подвержен частичному или полному механическому разрушению. Такое разрушение является причиной существенных осложнений, увеличивая продолжительность лечения и снижая его качество. Клиническая практика показывает, что появляющаяся при повседневных движениях пациента нагрузка на травмированную конечность, неизбежно передаваемая путем механического контактного взаимодействия с одного костного отломка на другой, должна находиться в интервале, рекомендованном лечащим врачом. Это особенно важно на ранних стадиях заживления перелома [4, стр.88]. От величины нагрузки на конечность зависит сила механического контактного взаимодействия отломков кости при повседневных движениях пациента. Поэтому необходим постоянный контроль, то есть, мониторинг величины нагрузки на фрагменты костей в процессе лечения переломов. В данном случае термин «нагрузка» эквивалентен термину «сила механического контактного взаимодействия отломков кости». Поскольку имеет место естественная вариабельность анатомических и биомеханических характеристик костей пациентов, то наряду с указанными выше терминами применяют термин «давление», который означает величину силы, приходящуюся на единицу площади контактного взаимодействия отломков кости.

Определить указанную силу, а значит, получить достаточно полное и объективное представление об указанной нагрузке можно, если воспользоваться методами измерений величины силы как физической величины.

Как известно, измерения физических величин могут быть выполнены прямыми или косвенными методами.

В прямых измерениях физическая величина измеряется непосредственно. Например, измерение длины предмета линейкой, штангенциркулем или микрометром, силы тока - амперметром и т.д.

При косвенных измерениях искомая величина не измеряется, а вычисляется по результатам измерений других величин. Например, измеряя высоту ртутного или водяного столба, можно вычислить атмосферное давление, измеряя силу тока и напряжение, можно вычислить электрическое сопротивление нагревательного элемента и его тепловую мощность.

В настоящее время уровень развития техники и технологий не позволяет выполнить прямое измерение величины указанной выше силы механического контактного взаимодействия отломков кости в процессе повседневных движений пациента. Поэтому представление о величине данной силы получают, используя в качестве информации субъективные ощущения пациента, что не исключает послеоперационных ортопедических осложнений по указанным выше причинам. Поскольку прямые измерения в данном случае технически невозможны, то необходимо устройство, в котором реализовано косвенное измерение указанной выше силы.

Таким образом, актуальной и социально значимой задачей является создание нового устройства для мониторинга силы механического контактного взаимодействия отломков кости при лечении переломов. При этом должны быть приняты во внимание технические решения, известные в данной области.

Известно устройство для регистрации распределения давления по опорной поверхности стопы (патент RU 2253362 [1]). Данное устройство содержит прозрачное основание, источник света, расположенный под основанием, светочувствительный материал и эластичную мембрану, расположенную над основанием. Нижняя сторона мембраны выполнена в виде выступов заостренной формы, направленных на основание. Мембрана выполнена из светопроницаемого материала. Выступы имеют пирамидальную форму и расположены в виде растра.

Однако данное устройство не позволяет определять величину давления одного сегмента травмированной кости на другой, так как не содержит блока для определения взаимного давления отломков травмированной кости.

Известно устройство для регистрации и анализа распределения нагрузок на нижние конечности по патенту RU 46165 [2]. Данное устройство состоит из двух измерительных платформ, блока усиления дифференциальных аналоговых сигналов, аналогово-цифрового преобразователя и компьютера. Каждая измерительная платформа содержит по три тензодатчика, позволяющие вычислять центр давления стопы на поверхность опоры, усилители аналоговых сигналов и аналогово-цифровой преобразователь, включающие источники опорного напряжения и прецизионные дифференциальные усилители.

Однако данное устройство не позволяет определять величину максимального давления одного отломка кости травмированной конечности на другой, так как не содержит блока для определения указанного давления.

Известна система диагностики опорно-двигательной функции человека по патенту RU 2116046 [3], содержащая устройство отображения, датчики измерения давления под правой и левой стопами, последовательно соединенные через блоки фильтров с блоками формирования истинных значений давления под правой и левой стопами соответственно, блок определения коэффициента симметрии ходьбы, выход которого подключен на вход устройства определения диагностических критериев ходьбы. Система имеет также два блока вычитания, два блока запоминания степени начального поджатая датчика без нагрузки правой и левой стоп, блок выделения некорректных шагов, блок запоминания анкетных и идентификационных данных пациента, блок выбора рациональных значений диагностических критериев, блок формирования перечня патологий опорно-двигательной функции пациента, при этом выходы блоков формирования истинных значений давления и выходы блоков запоминания степени начального поджатая датчика без нагрузки под левой и правой стопами соответственно подключены к блокам вычитания, выходы которых соединены со входами блока определения коэффициента симметрии ходьбы, выход которого подключен к первому входу блока формирования перечня патологий опорно-двигательной функции пациента, ко второму входу которого подключен выход блока выбора рациональных значений диагностических критериев, а к третьему входу - выход устройства определения диагностических критериев ходьбы, входы которого соединены соответственно с выходами блоков формирования истинных значений давления под правой и левой стопами, и блока выделения некорректных шагов, входы которого связаны с выходами датчиков измерения давления под правой и левой стопами, причем вход блока выбора рациональных значений диагностических критериев соединен с выходом блока запоминания анкетных и идентификационных данных пациента, а выход блока формирования перечня патологий опорно-двигательной функции пациента подключен к устройству отображения.

Однако данное устройство не позволяет определять при лечении переломов трубчатых костей нижней конечности величину давления одного отломка кости на другой в послеоперационном периоде, так как не содержит блока для определения указанного давления.

В предлагаемом устройстве для мониторинга нагрузки на конечность при лечении переломов костей технический результат состоит в улучшении результатов лечения и в профилактике ортопедических осложнений. Также использование вибросигнала и аудиовизуальной информации, передаваемой пациенту в виде звуковых, в том числе речевых, и световых сигналов улучшают качество мониторинга.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство снабжено электронным блоком, выполненным с возможностью преобразования величины давления по опорной поверхности стопы в величину взаимного механического давления костных отломков травмированной конечности, выход которого соединен с входом блока виброаудиовизуального информирования пациента о величине взаимного-механического давления отломков травмированной кости.

Техническая реализация предлагаемого устройства осуществляется с применением микроэлектронных компонентов и иллюстрируется блок-схемой на фиг.1.

Блок 1 содержит датчики регистрации давления по опорной поверхности стопы. Датчики давления, например, резистивные (или тензорезисторы) размещены в стельках специальной обуви пациента. Указанные датчики соединены с блоком 2 гибкими электрически изолированными друг от друга токопроводящими элементами (на фиг.1 не указаны).

Блок 2 выполнен в виде электронной схемы преобразования давления в электрические сигналы, которая преобразует сигналы с выхода блока 1 в данные о величине механического давления по стопе.

Блок 3 беспроводной передачи данных выполнен в виде беспроводного передатчика данных, формируемых в блоке 2.

Блок приема 4 выполнен в виде приемника данных, поступающих из блока 3.

Блок 5 обработки данных о давлении по опорной поверхности стопы выполнен в виде программируемого электронного устройства, в котором выполняется обработка поступающих из блока 4 данных о величине и продолжительности давления по поверхности контакта каждого датчика, размещенного в стельке обуви пациента (блок 1). После указанной обработки данные о давлении по стопе передаются на блок 6.

Блок 6 выполнен в виде жидкокристаллического цветного монитора, с помощью которого технически осуществляется визуализации величины, продолжительности и цикличности давления по поверхности контакта стопы с основанием.

Блок 7 выполнен в виде электронного блока, выполненного с возможностью преобразования величины давления по опорной поверхности стопы в величину взаимного механического давления костных отломков травмированной конечности. В этом блоке, в соответствии с принципом косвенных измерений, формируются цифровые данные о максимально допустимой для данного пациента величине взаимного механического давления костных отломков травмированной конечности.

Блок 8 предназначен для виброаудиовизуального информирования пациента о величине взаимного механического давления костных отломков травмированной конечности. Вход блока 8 соединен с выходом блока 7. Формируемые в блоке 8 виброаудиовизуальные сигналы интенсифицируются, если давление достигает максимально допустимой для данного пациента величины, цифровые данные о которой поступают с выхода блока 8. Если указанное давление не превышает допустимого значения, рекомендованного лечащим врачом и зафиксированного в электронной памяти блока 8, то виброаудиовизуальная сигнализация переключается в «спящий» режим и не беспокоит пациента. Информирование технически осуществляется с помощью источника вибрационного сигнала. Кроме вибросигнала в блоке 8 с помощью электронной схемы формируется звуковой сигнал (например, с применением электронной схемы мультивибратора), а в качестве источника звука используются микродинамики. Визуальное информирование осуществляется с помощью светодиодов.

Указанные выше блоки 1-8 являются, в свою очередь, составными частями двух электронных блоков 9 и 10.

9 - электронный блок, установленный в стельке обуви пациента.

10 - электронный мониторинговый блок, размещенный на одежде пациента.

Функционирование предлагаемого устройства для мониторинга нагрузки на фрагменты костей при лечении переломов обеспечивается изложенной выше технической реализацией. Предлагаемое устройство функционирует, в частности, как преобразователь данных о давлении стопы на опорную поверхность при повседневных движениях пациента в данные о взаимном давлении костных отломков травмированной конечности.

Кроме того, предлагаемое устройство функционирует также и как сигнальная система, предупреждающая пациента звуковыми сигналами, световыми или вибросигналами о недопустимо большой величине нагрузки на стопу при ходьбе и, как следствие, об опасном для заживления перелома давлении костных отломков друг на друга.

Функционирование предлагаемого устройства логически связано с функционированием биомеханической системы нижней конечности человека [4].

Известно, что избыточно большая нагрузка на травмированную конечность на стадии лечения перелома может привести к искривлению конечности, а также к разрушению регенерата, образующегося на стыке костных отломков. Полностью исключить возможность появления недопустимо большого давления костных отломков друг на друга теоретически возможно при полной иммобилизации (обездвиживании) пациента. Однако, как доказано многочисленными исследованиями медицинских и биологических проблем функционирования костной ткани в норме и при переломах, «отсутствие или недостаточно эффективное нагружение кости может быть одной из основных причин понижения метаболической активности кости, плохой регенерации, местной и общей деминерализации и т.п.» [4, стр.88]. При этом физическая нагрузка на кость не должна быть статической, поскольку нормализации метаболической активности кости и улучшению регенерации (заживления перелома) способствую циклические механические нагрузки на кость. Такие циклически изменяющиеся нагрузки появляются при ходьбе. Исследованиями медицинских и биологических аспектов лечения переломов установлено, что «главным стимулятором роста кости является не просто нагрузка, а переменная нагрузка» [4, стр.89]. При этом с увеличением нагрузки повышает интенсивность обменных процессов в костной ткани.

Однако «чрезмерное сжатие или растяжение кости, например, при больших искривлениях конечности, кроме прочих отклонений от нормы, вызывает также определенные изменения местного питания кости. Это, в свою очередь, может послужить одной из причин местной гипертрофии или атрофии кости» [4, стр.88].

Отсюда следует, что нагрузка на кость необходима, однако величина нагрузки не должна быть как слишком малой, так и чрезмерно большой. Пациент может определить недопустимо большую нагрузку по своим болевым ощущениям при осторожной ходьбе в послеоперационном периоде. Однако эти субъективные ощущения могут неадекватно отражать реальное давление костных отломков друг на друга.

Поэтому необходимо устройство, обеспечивающее мониторинг давления не только по стопе, но и мониторинг и количественную оценку давления костных отломков друг на друга.

Кроме того, необходимо своевременное информирование пациента о приближении величины давления к пределу, опасному для заживления перелома. Для информирования предусмотрено формирование звуковых, в том числе речевых, или световых сигналов, а при необходимости (для пациентов с нарушениями слуха и зрения) - вибросигналов. Эти функции устройства обеспечивается выходными сигналами блока 8.

Величина опасной нагрузки (давления) на травмированную конечность определяется лечащим врачом с учетом индивидуальных особенностей каждого пациента и фиксируется в электронной памяти блока 8. Если нагрузка (давление) на травмированную конечность достигает недопустимо большой величины, то предлагаемым устройством выдается световой, звуковой (речевой) или вибрационный сигнал, воспринимая который пациент уменьшает нагрузку на травмированную конечность, замедляя движение или используя дополнительную опору, например, трость.

Пример. Пациент Ф. с переломом большеберцовой кости в нижней трети голени. Нагрузка на стопу при опоре на одну ногу в статическом положении пациента на медицинских весах составила 700 Н. После остеосинтеза остаточное смещение отломков в поперечном направлении, определенное по рентгенограммам, составило 1,5 миллиметра. С точки зрения механики это смещение при осевой нагрузке на голень является эксцентриситетом (см. книгу: Янсон Х.А. Биомеханика нижней конечности человека [4]). Полученные данные передаются в электронный блок 7 и обрабатываются посредством встроенной программы с целью определения взаимного давления костных отломков, для чего используется формула, см., например, Дарков А.В., Шпиро Г.С. «Сопротивление материалов», учебник для ВУЗов. М., Издательство «Высшая школа», 1989. С.371, формула 9.15 [5]. Взаимное давление костных отломков распределено неравномерно по площади их механического контакта (в одних точках сила давления больше, в других меньше). В данном случае максимальная величина указанного давления определяется по формуле:

В этой формуле произведение P·e определяет величину изгибающего момента, который появляется при сжатии стержня силой Р, приложенной с эксцентриситетом;

Р - нагрузка на стопу при опоре на одну ногу. В данном примере Р - 700 Н.

е - величина эксцентриситета, определяется по рентгенограммам. В данном примере е=1,5 мм.

А - площадь поперечного сечения большеберцовой кости в месте перелома, определяется для каждого пациента с использованием рентгенограмм.

W - геометрическая характеристика поперечного сечения кости в области перелома. Это так называемый момент сопротивления сечения, который определяется также для каждого пациента с использованием рентгенограмм по известной методике [4], с.113-115. Значения А и W, определенные с использованием статистических анатомических данных, приведены, например, в книге Х.А.Янсона [4], с.113-115. Согласно данным указанной книги эти значения могут находиться в следующих интервалах: А=2,44,3 см², W=0,751,2 см³. В рассматриваемом примере А=3,5 см ², W=1,0 см³.

Таким образом, переводя указанные числовые значения в принятую в настоящее время систему единиц СИ, получим:

В начальной стадии послеоперационного лечения перелома эта величина не должна превышать 0,3 МПа, что составляет примерно 10% от полученного значения 3,05 МПа. Это означает, что нагрузка на конечность не должна превышать 70 Н. Это значение устанавливается (программируется) в блоке 7 предлагаемого устройства в качестве предельного. По мере приближения нагрузки к предельному значению, а также при его достижении пациенту выдается в аудиовизуальном виде соответствующая предостерегающая информация. Поскольку пациент может оказаться недостаточно восприимчивым к аудиовизуальной информации, одновременно с этой информацией генерируется вибросигнал. Реагируя на этот комплекс информации, пациент переходит к более осторожным движениям. Если и при более острожной ходьбе поступают сигналы о превышении допустимой нагрузки, то пациенту назначаются дополнительные опорные приспособления (например, трость) в соответствии с рекомендациями лечащего врача.

Таким образом, техническая реализация и применение данного устройства способствуют улучшению результатов лечения переломов конечностей пациентов.

Если травмированы обе нижние конечности пациента, то предлагаемое устройство выполняется как двухканальная система, в которой каждый из каналов функционирует идентично другому каналу, как отдельно взятое рассмотренное выше устройство, независимо от другого канала.

Суммируя изложенное выше, заключаем, что функционирование предлагаемого устройства обеспечивает мониторинг нагрузки на фрагменты костей при лечении переломов и физиологически необходимое дозирование нагрузки взаимного механического давления костных отломков травмированной конечности.

Библиография

1. Патент RU 2253362, МПК А61В 5/103.

2. Патент RU 46165 МПК, А61В 5/103.

3. Патент RU 2116046, МПК А61В 5/05, A61F 2/76.

4. Янсон Х.А. Биомеханика нижней конечности человека // Рига. 1975. 324 с.

5. Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов: Учебник для ВУЗов. М., Издательство «Высшая школа», 1989. 624 с.

Устройство для мониторинга нагрузки на фрагменты костей при лечении переломов, содержащее датчики измерения давления по опорной поверхности стопы, соединенные с электронной схемой преобразования сигналов с датчиков измерения давления в электрические сигналы, блок беспроводной передачи данных, формируемых указанной схемой, блоки приема и обработки данных о давлении по опорной поверхности стопы, поступающих из блока беспроводной передачи данных, отличающееся тем, что устройство снабжено электронным блоком, выполненным с возможностью преобразования величины давления по опорной поверхности стопы в величину взаимного механического давления костных отломков травмированной конечности, выход которого соединен с входом блока виброаудиовизуального информирования пациента о величине взаимного механического давления отломков травмированной кости.