Способ моделирования травмы костной ткани при ударном нагружении

 

Изобретение относится к биомеханике , черепно-мозговой травмы, предназначено для моделирования повреждений органов или организма в целом при последовательных экспериментах с постепенным увеличением энергии. . ударов. Для этого к процессе падения ударника замеряют силу удара, деформацию образца, скорость в момент удара и скорость в момент отскока, после затухания колебательных процессов замеряют линейный размер, рассчитывают три независимых критерия (НК) деструкции (Д), каждый из которых зависит от двух заранее независимо измеренных величин, и считают при сравнении результатов последовательных с постепенным увеличением скорости, приводящим к травме, такое значение скорости, при котором .. наблюдается достоверное изменение & не менее двух из НК, 3 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК () 4 С 09 В 23/28

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4106795/?8-14 (22} 22.07.86 (46) 23.11.88. Бюл. Ф 43 (71) Рижский медицинский институт (72), Я.А.Данос, 3.K.Äàíoñà, А.А.Штрал, А.Ф.Янушкевич и 3.A.Âèòîë (53) 615.476 (088,8) (56) Батуев Г.С. и др. Инженерные методы исследования ударных процессов, — М., 1969, с. 188... (54) СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ TPABMbI

КОСТНОЙ ТКАНИ ПРИ УДАРНОМ НАГРУ КЕНИИ (57) Изобретение относится к биомеханике черепно-мозговой травмы, предназначено для моделирования повреждений органов или организма в целом при последовательных экспериментах с постепенным увеличением энергии .. ударов. Для этого к процессе падения ударника замеряют силу удара, деформацию образца, скорость в момент удара и скорость в момент отскока, после затухания колебательных процес-. сов замеряют линейный размер, рассчитывают три независимых критерия (HK) деструкции (Д), каждый из которых зависит от двух заранее независимо измеренных величин, и считают при сравнении результатов последовательных с постепенным увеличением скорости, приводящим к травме, такое значение скорости, при котором наблюдается достоверное изменение Ж не менее двух из НК.. 3 ил.!

439659

Изобретение относится к биомеха) нике черепно-мозговой травмы и может быть использовано для моделирования повреждений органов или организма в целом при последовательных экспериментах с постепенным увеличением энергии ударов.

Цель изобретения — ускорение и повышение достоверности способа. 10

На фиг.! показано устройство для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 — вид А на фиг.1; на фиг. 3 — блок-схема измерительной системы. !5

Способ осуществляется следующим образом.

При нанесении удара по испытуемому объекту с линейным размером l с регистрированием скорости ударника 20

V при ударе и скорости ударника Vo при отскоке одновременно с силой удара P(t) регистрируют и деформацию

/ образца Я () после затухания колебательного процесса, замеряют линейный размер образца, вычисляют три независимых критерия деструкции — коэффициент упругости К, нормированную величину остаточной деформации Я.и коэффициент восстановления уда-. 30 ра К„, причем

1 мако

К1 ) макс

Vo

К ч -1 )-- В t

) где Р „ — максимальная нормированI ная сила Во Время удара 40

Я „ — максимальная нормированная деформация образца, и считают приводящим к травме также значение V<, при котором наблюдается достоверное изменение не менее двух 45 из этих критериев. Сравнение производят для последующих экспериментов с постепенным увеличением скорости ударника.

Устройство для реализации способа представляет собой стенд, который содержит маятниковый ударник, снабженный датчиком силы, и приспособление для фиксации испытуемого объекта, причем перед испытуемым объектом установлена направляющая система с датчиком деформации и датчиком положения в виде светоприемника, а в измерительно-вычислительный комплекс обработки полученной в процессе удара информации — измеритель пиковогo значения силы, измеритель пиковогo значения деформации, индикатор остаточной деформации и блок хранения и передачи информации.

Измерение конечного линейного размера 1 образца проводят после затухания колебания образца, что фактис чески с = — — и при его трехкратном е превышении, т. е. t > 3, результат оказывается достаточно точным, где с — нормированное время затухания колебаний; t — время задержки измерения.

Предлагаемый способ, в котором реализуется увеличение количества одновременно измеряемых параметров образца во время ударной нагрузки, благодаря повьцпению информативности эксперимента и его всесторонней оценке по выбранным независимым критериям позволяет резко повысить интерпретируемость получаемых результатов.

Совокупность предлагаемых критериев деструкции, в которые входят относительные значения измерений параметров, а не сами параметры, позволяет объективно оценить состояние испытуемого объекта и, в частности, исключить ложную интерпретацию по типу гипердиагностики наступления травмы.

В устройстве удалось замерить все необходимые для анализа уровня деструкции параметры, определить независимые критерии и исключить погрешности, связанные с соотношением и расп" ределением масс соударяющихся тел, а также с отсутствием удовлетворительной аналитической модели биологических объектов типа позвонков н их комплексов.

Стенд для реализации способа (фиг.! и 2) содержит массивную чугунную пирамидальную основу 1 для неподвижного закрепления одного конца испытуемого образца 2, другой конец образца 2 закреплен в направляющей Г-образной обойме 3, одно плечо которого установлено на поверхности опоры 1 с возможностью возвратно-поступательного движения (направление движения указано стрелкой), к этому плечу прикреплен передвижной контакт датчика 4 деформации. Маятниковый ударник 5 подвешен посредством штанимпульсов (на дешифратор 11). Не дохотя 3 мм до контакта между образцом

2 и ударником 5 (это расстояние является достаточным для запуска электронной схемы с учетом необходимого времени на переходные процессы) задний фронт сигнала датчика 10 положения останавливает счет импульсов и через выход с дешифратора 11 на вход блока

12 управления поступает импульс, запускающий программу управления, которая осуществляет перепись количества подсчитанных импульсов выхода а де-, шифратора 11 в первую ячейку блока

15 хранения и передачи информации.

При соприкосновении ударника 5 с обз 143965 ги 6 к подшипниковой опоре 7 с одной степенью свободы, причем на торце ударника 5, обращенном к образцу ?, ввинчен боек 8, являющийся одновременно датчиком силы, Перпендикулярно к плоскости движения штанги 6 маятника установлена оптическая система 9 с датчиком 10 положения с использованием, например, светоприемника. В 10 состоянии покоя маятника (фиг.2, сплошная линия) штанга 6 проецируется на -плоскость приемника 10 света симметрично, при ударе проекция контура штанги 6 выходит за пределы све- 15 топриемника (фиг.2, пунктирная линия).

В целях повышения точности экспериментов, а также для подавления резонансных частот целесообразно, чтобы 20 масса основы 1 была не менее 50-кратной массы ударника 5, а масса бойка

8 составляла около 1X .общей массы ударника 5. Ударник 5 представляет собой сплошной стальной цилиндр, а штанга 6 маятника изготовлена из легкого прочн "ro материала, например углепластика, прич ем ее длина составляет 1,5-2,0 м, 30

Блок-схема (фиг. 3 ) сод ержит датчик

4 деформации (например, потенциометр, включенный в мостовую измерительную схему), датчик 8 силы (например,пьезокристалл с соответствующим усилителем), датчик 10 положения ударника (например, светоприемник), дешифратор 11 сигналов положения ударника (например, анализатор последовательности логических уровней со счетчиком 40 импульсов от опорного генератора час— тот), дешифратор имеет три выхода а,Ь,с, где выход а служит для передачи информации о длительности затенения (освещения) светоприемника lOne- 4> ред ударом, выход Ъ вЂ” для передачи информации о длительности затенения (освещения) светоприемника 10 после удара, выход с — для передачи начала и конца цикла измерения, блок 17. управления, состоящий из кнопки управления и генератора управляющих импульсов, измеритель 13 пикового значения силы (например, пикового цифрового вольтметра), измеритель 14 пикового значения деформации (например, пикового цифрового вольтметра), блок

15 хранения и передачи информации, состоящий из четырех ячеек памяти и программного устрс йства, арифметическое устройство 16 (например, микрокалькулятор Б3 — 34) и индикатор 17 остаточной деформации (например, цифровон вольтметр). При этом датчик

10 положения подключен к информационному входу дешифратора 11, датчик

8 силы — к входу измерителя 13 пикового значения силы, а датчик 4 деформации — соответственно к входам измерителя 14 пикового значения деформации и индикатора 17 остаточной деформации. Выходы а и Ь дешифратора 11 подключены к входам первой и второй ячеек памяти блока 15 хранения и передачи информации, выход с к входу бчока I? управления. Выходы измерителей пикового значения силы и пикового значения деформации 14 подключены соответственно к,входам третьей и четвертой ячеек памяти блока 15 хранения и передачи информации.

Выход блока 12 управления подключен к входу программного устройства блока 15 хранения и передачи информации.

Выход последнего подключен к входу арифметического устройства 16, Устройство работает следующим образом.

После закрепления одного конца испытуемого образца 2 неподвижно к массивной основе 1 и подвижного крепления другого конца образца 2 посредством Г-образной обоймы маятниковый ударник 5 отводится на некоторое расстояние (изменяющееся, например, от эксперимента к эксперименту ступенчато от 10 см до 1,0 м) и отпускается.

В процессе падения при прохождении маятника 5 через нижнюю точку срабатывает датчик 10 положения, передний фронт сигнала которого запускает счет

1439659

Способ моделирования травмы костной ткани при ударном нагружении путем нанесения удара испытуемому образцу с регистрацией скорости ударника при ударе и скорости ударника при отскоке с постепенным увеличением скорости ударника и последующим вычислением физических параметров, отлич ающий ся тем, что, с целью ускорения и повышения достоверности способа, дополнительно регистрируют деформацию образца, измеряют линейный размер образца после затухания колебательных процессов, определяют коэффициент упругости,нормированную величину остаточной деформации и коэффициент восстановления удара и модель травмы костной ткани определяют при значении скорости ударника, сопровождающимся достоверным изменением не менее двух из этих критериев. разном 2 на измеритель 13 пикового значения силы начинает поступать сигнал с датчика,Я силы, а на измеритель 14 пикового значения деформа-

5 цни — сигнал с датчика 4 деформации.

Комплексы позвонков отнрепарируют от мягких тканей и остатков межпозвонковых дисков до терминальной пластинки. Верхний и нижний торец комп- 10 плекса позвонка заливают протакрилом до уровня талии верхнего и нижнего позвонков. Иоделированные торцы комплексов позвонков закреплены таким образом, чтобы верхний позвонок бло- 15 ка мог передвигаться параллельно нижнему. Имитируется ударное нагружение верхнего позвонка (антериорное и постериорное). При нанесении антериорных ударов их общее число равно 20

3 и 4, при нанесении постериорных- 7.

Ври нагружении блока позвонков

Л. — JI с tпf ерpеeди при скорости Ч о 4

0,,9 мс появляется выраженная остаточная деформация (точки кривой ОД) >5 при сохранении без видимых отклонений значений КВУ и КУ, т.е. наблюдается изменение только одного независимого критерия. Рентгенологический и визуальный контроль не показывают 30 наличие деструкции, т.е, резкое изменение одного критерия не сопровождается структурными изменениями образца.

При нагружении того же комплекса сзади достоверное изменение двух критериев КВУ и КУ наблюдается после пятого удара (соответствующего скорости 7 = I 25 мс ), эта точка является порогом травматизма, в даль- 40 нейшем (при увеличении скорости) добавляется и изменение ОД, приводящее к подтвержденному морфологически и рентгенологически перелому позвонка и деструкции диска. 45

При нагружении комплекса позвонков

Т вЂ” Тю спереди отмечают отсутствие скачкон н изменении критериев КВУ и

КУ, а также нулевое значение остаточной деформации, что свидетельствует 50 об отсутствии травмы (подтверждено рентгенологическим и морфологическим контролем), При постериорном нагружении компл ек са Т g — Т „при скорости V

2,4 мс " наблюдается выраженное изменение КВУ и КУ (до того менялся только один критерий, посредством

I рентгенологического исследования перелом не виден, но морфологические исследования выявили разрыв связок).

Таким образом, подтверждается отсутствие появления не трактуемых результатов (типа случаев деформацйи превышающей начальные размеры, а также субъективные оценки экспериментаторов), По сравнению с базовым объектом предлагаемый способ примерно в 1 0 раз позволяет уменьшить количество необходимых экспериментов при сохранении достоверности выводов, полученная информация не несет в себе значительной степени неоднородности, как это наблюдается в случае учета лишь критерия деструкции, а также исключаются возможные случайные погрешности и нереальные результаты, например данные о деформации,превышающей размеры образца.

Кроме того, возможна достаточно достоверная интерпретация экспериментов, в которых обследовались некачественно моделированные образцы, имевшие пустоты вокруг заливки, вызванные просачиванием жидких компонентов диска при полимеризации, в случае базового объекта такие эксперименты интерпретировать не удалось .

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1439659

1639659

«УУ -У

Составитель А, ЛычкОB а

1,вед д, Кравчук

Корректор МуДемчик

Рppаетор Л,Шулла

Закае 6О83/52

Подписное

Б, 11ЯП 1 государствеиного комитета СССР ло делам изэбретеиий и открытий

113035, Москва,, Ж-35, Раушская ваб,, д. 4/5

Проияводствеиио-полиграфическое предприятие, г. Укгср.л,, 1. 1 .1я . ктпая,