Геращенко С.И., Геращенко С.М., Янкина Н.Н., Кибиткин А.С., Мартынов И....

Геращенко С.И., Геращенко С.М., Янкина Н.Н., Кибиткин А.С., Мартынов И. Ю.
ДЖОУЛЬМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ КОСТНОГО РЕГЕНЕРАТА ПРИ УДЛИНЕНИИ КОНЕЧНОСТИ
Одна из основных проблем в травматологии и ортопедии связана с оценкой состояния костной ткани
при переломах, а также при удлинении конечноси до 10-15 см.
При удлинении конечности производят остеотомию кости в метафизарных отделах, фиксацию фрагментов костей в компрессионно-дистракционном аппарате и ежесуточное перемещение опор компрессионнодистракционного аппарата вместе с костными фрагментами на определенную дозированную величину,
проводимое до достижения необходимой для удлинения конечности величины. После окончания периода
дистракции наступает период фиксации, когда конечность остается жестко фиксированной в компрессионно - дистракционном аппарате до окончания лечения больного, то есть до образования в участке
удлинения нормальной костной ткани.
В участке сочленения костных фрагментов образуется костный регенерат, который постепенно преобразовывается в костную ткань.
В костной ткани постоянно протекают метаболические процессы как минеральных, так и органических компонентов, интенсивность которых в ряде случаев превышает активность метаболизма таких
органов, как печень, кожа и др. Именно эти указанные особенности позволяют кости, адаптируясь к
воздействию усилий аппарата чрескостного остеосинтеза, формировать дистракционный регенерат и, в
конечном итоге, восстанавливать длину конечности пациента [1].
Дистракционные регенераты имеют пять зон, различающихся по своей объемно пространственной организации: зона слабоминерализованной срединной прослойки («зона роста»), примыкающие к ней по
обе стороны зоны цилиндрических первичных остеонов и граничащие с ними зоны сфероидальных костных лакун, располагающиеся у концов отломков и в их костномозговом канале.
Ширина прослойки, составляющая через 7 – 14 суток дистракции 0.5 – 0.8 мм, к концу периода
удлинения увеличивается до 2 – 3 мм. Через 30 суток последующей фиксации оперированной конечности
в аппарате ширина прослойки вновь сокращается, а на отдельных участках и полностью замещается
костной тканью, которая через 60 суток фиксации, при образовании в регенератах костномозгового
канала, в медиальной части прослойки резорбируется. В этот период начинает формироваться и кортикальный слой новообразованного участка диафиза, компактизация которого продолжается и через 180
суток после снятия аппарата [2].
Очень важной проблемой при удлинении конечности является определение оптимального момента
начала дистракции, так как преждевременная дистракция или дистракция проведенная с запозданием
приводит к различным осложнениям, к увеличению случаев травматичности и сроков реабилитации больных. При преждевременной дистракции костного регенерата, когда дистракционный костный регенерат
еще не достиг оптимального созревания, происходит формирование неполноценного дистракционного
костного регенерата, что может привести к перелому на этом участке, а дистракция проведенная с
запозданием, когда дистракционный костный регенерат уже перешел в стадию формирования костной
ткани, происходит разрыв дистракционного костного регенерата. Вследствие чего возникает необходимость выждать время (7 – 10 дней) для образования нового участка сочленения (зоны роста) дистракционного костного регенерата. Затем дистракция возобновляется [3].
Необходимо также определить оптимальную скорость и дробность дистракции, так как эти величины
наряду с другими биологическими факторами существенно влияют на репаративную регенерацию кости и
функциональное состояние удлиняемой конечности.
Скорость дистакции характеризуется величиной суточного удлинения (мм в сутки), дробность дистракции – количеством дистракционных перемещений за сутки. Этими двумя факторами определяется
величина разового удлинения (мм).
Большинство методов для оценки состояния костной ткани базируются на том факте, что кость и
мягкие ткани поглощают ионизирующее излучение с разной интенсивностью.
Контроль состояния дистракционного костного регенерата производится с помощью рентгеновского
метода с периодом 30 дней [4]. При анализе рентгенографических снимков невооруженным глазом практически нельзя количественно оценить минеральную плотность костной ткани. Данный метод не дает
объективной оценки динамики созревания костного регенерата в течение суток, что затрудняет определение момента начала дистракции, и не позволяет прогнозировать однократное суточное перемещение.
Многие другие методы исследования костной ткани сегодня не могут широко использоваться в практической медицине по разным причинам: высокая стоимость (различные модификации магнитнорезонансной томографии), большая доза облучения (количественная компьютерная томография), большой
разброс нормативных данных (исследования биохимических показателей костного метаболизма), дискомфорт пациента (биопсия кости) [5].
В настоящее время наиболее приемлемым способом контроля за состоянием минерализации регенерата, с точки зрения точности оценки, является костная денситометрия - метод количественной оценки
костной массы, определяющий потерю кальция в костной ткани с точностью до 2 %. Она позволяет достаточно точно охарактеризовать течение репаративного процесса [6]. Но, несмотря на достаточно
высокую точность оценки, этот метод тоже оказывает лучевую нагрузку на организм, имеет высокую
стоимость и большие размеры применяемой аппаратуры, что ограничивает его применение.
Костный регенерат, как и другие биологические ткани, обладает ионной проводимостью. При воздействии на него электрического тока в нем протекают сложные электрохимические процессы, меняющие
его свойства. Поэтому оценивать состояние костного регенерата можно с помощью электрохимических
методов анализа, которые имеют существенные преимущества по сравнению с выше указанными методами.
Главными их достоинствами является простота применяемой аппаратуры и возможность оценки состояния
исследуемого объекта по полученным в результате исследования параметрам, характеризующим свойства
данного объекта.
Одним из основных параметров, характеризующим электрические свойства живых тканей, является
электрическое сопротивление [7]. Сопротивление живых тканей в основном определяется сопротивлением входящих в них электролитов.
Если в электролит поместить электроды и присоединить их к источнику постоянного тока, то ионы,
находящиеся ранее в беспорядочном молекулярном движении, как известно, начнут свое организованное
движение между электродами, т. е. появится ток через электролит. При подключении источника тока к
электродам движение ионов начинается сразу же в объеме междуэлектродного пространства, но скорость движения самих ионов невелика и зависит от природы ионов, температуры раствора, а также от
приложенной к электродам разности потенциалов.
Во время протекания электрического тока через электролит ионы из раствора выделяются на электродах. Эта убыль ионов пополняется за счет выделения новых ионов при распаде молекул, имеющихся
в растворе. Такое явление наблюдается тогда, когда используется неполяризующиеся электроды. Такие
электроды применяют при измерении электрического сопротивления живой ткани с тем, чтобы исключить
поляризационные явления на границе электрод - ткань.
В этом случае сопротивление электролита остается неизмененным во времени и если увеличить силу
тока, протекающую через электролит, увеличивая приложенное к электродам напряжение.
Для неполяризующейся пары электрическое сопротивление электролита может быть определено по
формуле:
R
 l
S
,
где  - удельное сопротивление электролита, l - расстояние между электродами, S - площадь электрода.
Для оценки состояния костного регенерата с помощью электрохимических методов необходимо в участок сочленения костных фрагментов вести электроды, и, после воздействия на костный регенерат
электрическим током, зарегистрировать ответную реакцию исследуемого объекта на электрическое воздействие.
Исследования состояния косной ткани с помощью электрохимических импедансных методов занимают
достаточно продолжительное время, в связи с необходимостью проведения измерений в широком диапазоне частот. Кроме того, недостатком импедансных методов является ограниченное количество признаков, описывающих исследуемый объект.
Наиболее приемлемым из электрохимических методов для решения подобных задач является джоульметрический метод [8], позволяющий увеличить количество информативных признаков.
Устройство позволяющее реализовать джоульметрический метод содержит кнопку «Пуск», датчик 7 с
двумя электродами, причем первый электрод датчика выполнен в виде иголки с возможностью ее введения в участок сочленения костных фрагментов, а вторым электродом датчика являются спицы компрессионно-дистракционного аппарата пронизывающие кость, источник стабилизированного тока 2, ключ 3,
первый пороговый элемент 5, второй пороговый элемент 6, схему управления 1, измеритель временных
интервалов 4, временное устройство 8, запоминающее устройство 9, арифметическо – логическое
устройство 10 (рисунок 1).
Рисунок 1. Устройство для ежесуточного контроля состояния дистракционного костного регенерата
Устройство работает следующим образом: после выполнения остеотомии первый электрод датчика
вводится в участок сочленения костных фрагментов, вторым электродом являются спицы компрессионно
- дистракционного аппарата, пронизывающие кость.
При нажатии кнопки «Пуск» схема управления обнуляет показания измерителя временных интервалов,
обнуляются показания временного устройства.
Со схемы управления включается ключ, ток с источника стабилизированного тока поступает на
ключ, на первый участок цепи, датчик, второй участок цепи и общую шину. При достижении на датчике
напряжения, превышающего порог срабатывания первого порогового элемента, первый пороговый элемент
срабатывает и запускает измеритель временных интервалов, который начинает отсчет времени изменения межэлектродного потенциала от нижнего уровня до верхнего. При достижении на датчике напряжения, превышающего порог срабатывания второго порогового элемент, второй пороговый элемент срабатывает и прекращается отсчет времени измерителя временных интервалов, значение измерителя временных интервалов поступает на арифметическо – логическое устройство. Информация в измерителе временных интервалов сохраняется до срабатывания временного устройства. Одновременно на арифметическо – логическое устройство, по сигналу с измерителя временных интервалов, из запоминающего
устройства считывается значение (по включению питания в запоминающем устройстве содержится нулевое значение). Арифметическо – логическое устройство вычисляет разницу между этими значениями,
которая отображается на табло арифметическо – логического устройства.
Арифметическо – логическое устройство вычисляет разницу между последующим и предыдущим значениями соответствующими временным интервалам достижения значений межэлектродного потенциала от
нижнего уровня до верхнего пороговых значений пороговых элементов. Поскольку работа ведется на
стабилизированных токах при фиксированных значениях верхнего и нижнего уровней межэлектродного
потенциала, то разница во временных интервалах соответствует значению работы, затрачиваемой током
на перевод исследуемого участка дистракционного костного регенерата из одного состояния в другое.
Момент начала дистракции и ежесуточная величина однократных дозированных перемещений костных
фрагментов будут определяться по этой величине. По значению, показанному на табло арифитическо –
логического устройства, осуществляют перемещение опор компресиионно – дистракционного аппарата
вместе с костными фрагментами.
Спустя сутки срабатывает временное устройство и выдает сигналы на запоминающее устройство для
разрешения записи значения с измерителя временных интервалов и на схему управления, которая по
этому сигналу формирует импульс, обнуляющий измеритель временных интервалов. Далее работа устройства осуществляется, циклично, по описанию приведенному выше.
С помощью осуществления ежесуточного контроля состояния дистракционного костного регенерата, с
определением момента начала дистракции и ежесуточной величины дозированных одноразовых перемеще-
ний костных фрагментов по величине разницы работы, затрачиваемой на перевод исследуемого участка
дистракционного костного регенерата из одного состояние в другое, между последующим и предыдущим
суточными значениями достигается оптимизация сроков лечения больных и снижение травматичности.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.В. Попков, А. Д. Попков, В. А. Немков. Биомеханические аспекты адаптационновосстановительных изменений в дистракционном регенерате кости. // Гений ортопедии. - 1996. - №1.
- с. 47 – 49.
2. Ю.М. Ирьянов. Пространственная организация костной ткани дистракционных регенератов по данным сканирующей электронной микроскопии. // Гений ортопедии. - 1998. - №1. - с. 22 – 27.
3. А.М. Чиркова. Репаративная регенерация и перестройка кости после разрыва дистракционного
регенерата.// Гений ортопедии. – 1997. - №4. - с. 39 – 42.
4. А.В. Попков. Оперативное удлинение бедра методом Г. А. Илизарова (учебно-методические разработки). – Курган, Российский научный центр «Восстановительная травматология и ортопедия» им. Г.
А. Илизарова.
5. М.П. Рубин, Р.Е. Чечурин. Двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия осевого скелета:
методика исследования, анализа и протоколирования.// Радиология и практика. – 2001. - №2. - с.
34-41.
6. А.А. Свешников, А. В. Попков, Д. А. Попков, С. В. Ральникова, Л. А. Смотрова. Плотность минеральных веществ в дистракционном регенерате при стимуляции регенерации по способу В. И. Шевцова – А. В. Попкова. // Гений ортопедии. – 2001. - №4. - с. 61 – 65.
7. Электрический импеданс биологических тканей. Ю. В. Торнуев, Р. Г. Хачатрян, А. П. Хачатрян.
– М.: ВЗПИ., 1990.
8. Геращенко С. И. Джоульметрия и джоульметрические системы: теория и приложение: монография.
– Пенза: Изд-во Пенз. Гос. Ун-та, 2000.