Степанов А.А. - Московский государственный медико
реклама
На правах рукописи УДК 616.716-089.818.3 Степанов Анатолий Анатольевич Разработка, создание и экспериментальная апробация компрессионно-дистракционного аппарата для непрерывной дистракции 14.01.14 – «Стоматология» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Москва-2012 1 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный медикостоматологический университет имени А.И.Евдокимова» Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации (ГБОУ ВПО МГМСУ имени А.И.Евдокимова Минздравсоцразвития России) Научный руководитель: Доктор медицинских наук, профессор Зиновьевич ТОПОЛЬНИЦКИЙ Орест Официальные оппоненты: Чуйкин Сергей Васильевич - доктор медицинских наук, профессор (ГБОУ ВПО «Башкирский государственный медицинский университет Минздравсоцразвития России, заведующий кафедрой стоматологии детского возраста). Швырков Михаил Борисович - доктор медицинских наук, профессор (ГБОУ ВПО МГМСУ имени А.И.Евдокимова Минздравсоцразвития России, профессор кафедры челюстно-лицевой травматологии). Ведущая организация: ФГУ «Институт повышения квалификации Федерального медикобиологического агентства России» Защита состоится __ ________________2012 года в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 208.041.07, созданного на базе ГБОУ ВПО МГМСУ имени А.И.Евдокимова Минздравсоцразвития России по адресу: 127473,г.Москва, ул.Делегатская д.20,стр.1 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГБОУ ВПО МГМСУ им.А.И.Евдокимова Минздравсоцразвития России (127206, Москва, ул. Вучетича, д. 10а). Автореферат разослан __ ________________2012год. Ученый секретарь диссертационного совета кандидат медицинских наук, доцент О.П. Дашкова 2 I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. Актуальность проблемы. При лечении детей и подростков с дефектами и деформациями костей лицевого материала, черепа проблема определение выбора источника дополнительного его получения, пластического расчет размеров трансплантата, учитывающих биологический возраст и перспективу роста ребенка, является одной из важнейших (Дьякова С.В.,1999,Топольницкий О.З.,2002). Непрекращающиеся поиски быстрого и щадящего метода устранения дефектов и деформаций костей скелета позволили хирургам пополнить свой арсенал дополнительным способом лечения - методом компрессионнодистракционного остеосинтеза. В детскую челюстно-лицевую хирургию данный метод в России впервые был внедрен в конце 20 века профессорами Рогинским В.В., Комелягиным Д.В и продолжил свое развитие в работах профессора Топольницкого О.З. и Латынина А.В. (2004). Основой способности аппаратов поддерживать постоянное и равномерное напряжение в тканях растягиваемого регенерата в течение всего периода дистракции является поддерживаемый данным аппаратом режим дистракции. Традиционно дистракция проводится механическим способом (вручную - ключом). При этом классический режим дистракции представлен темпом дистракции, который составляет 1,0мм, ритмом - четыре приема в день, средней величиной разового удлинения равной 0,25мм. Такой способ и режим дистракции с практической точки зрения можно отнести к недостаткам метода, так как применение такого режима дистракции приводит к затягиванию сроков лечения. С теоретической точки зрения традиционный режим дистракции не поддерживает постоянного нетравматичного напряжения в регенерате, чередуя неконтролируемые пиковые нагрузки с периодами релаксации. 3 По нашему мнению, для практической реализации «эффекта Илизарова», и разрешения вопроса о выборе конкретного режима дистракции для каждого конкретного пациента необходимо разработать автоматический компрессионно-дистракционный аппарат, способный контролировать не ритм и не темп дистракции, а усилие нагружения регенерата. Режим не связанный с заранее задаваемым темпом и ритмом, становится фактически непрерывным. Таким образом, необходимость создания автоматического компрессионно-дистракционного аппарата для непрерывной дистракции послужило основанием для формирования цели и задач исследования. Цель исследования. Совершенствование остеосинтеза, путем метода научного компрессионно-дистракционного обоснования возможности создания компрессионно-дистракционного аппарата для непрерывной дистракции, его разработки, создания и экспериментальной апробации. Задачи исследования. 1.Теоретически обосновать возможность создания автоматического компрессионно-дистракционного двигателя аппарата на для основе электролитической тяги. 2.Создать экспериментальный стенд и провести стендовые испытания разработанной и созданной электролитического двигателя, нами экспериментальной оснащенной модели диагностической и контролирующей аппаратурой, позволяющей регулировать нагрузку на фиксирующие элементы аппарата и скорость удлинения регенерата в непрерывном режиме дистракции. 3.Провести экспериментальную апробацию разработанной нами клинической модели компрессионно-дистракционного аппарата для непрерывной дистракции с двигателем на основе электролитической тяги. 4 Научная новизна. В результате проведенной работы впервые: 1. Создана первая в мировой практике клиническая модель автоматического компрессионно-дистракционного аппарата для непрерывной дистракции с двигателем на основе электролитической тяги. 2. В ходе проведенных стендовых испытаний двигателя получен математический алгоритм управления электролитическим двигателем в зависимости от показаний тензодатчика и датчика линейных перемещений, который позволяет выбирать нужный режим дистракции, оптимизирующий усилие нагружения регенерата в автоматическом непрерывном режиме. 3. Экспериментально, используя разработанный аппарат, впервые в мировой практике, применен режим непрерывной дистракции. Практическая значимость работы. Проведение компрессионно-дистракционного остеосинтеза автоматическим компрессионно-дистракционным аппаратом с двигателем на основе электролитической тяги в непрерывном режиме, позволило добиться получения дистракционного регенерата в более короткие, по сравнению с общепринятыми, сроки. На последующем, клиническом этапе это позволит добиться сокращения сроков лечения и повысит его качество. Основные положения, выносимые на защиту. 1.Математическое моделирование и теоретические расчеты позволяют сделать заключение о возможности создания электролитического двигателя для компрессионно-дистракционного аппарата. 2.Алгоритм электронного цифрового управления электролитическим двигателем позволяет осуществлять дистракцию с различной скоростью в автоматическом непрерывном режиме. 5 3.Клиническая модель компрессионно-дистракционного аппарата для непрерывной дистракции с двигателем на основе электролитической тяги позволяет осуществлять компрессионно-дистракционный остеосинтез на нижней челюсти в эксперименте. Личный вклад. Автор проводил научное обоснование предложенной им и соавторами идеи создаваемого аппарата. Автор лично создавал чертежи исполнительной части стендовой модели электролитического двигателя. Автор лично создавал экспериментальный стенд для лабораторных исследований работы прототипа дистракционного устройства, разрабатывал методику исследования и проводил стендовые испытания. Автор лично создавал эскизы и техническое автоматического задание для создания клинической компрессионно-дистракционного аппарата модели для непрерывной дистракции с двигателем на основе электролитической тяги. Автор лично разрабатывал методику и проводил экспериментальную апробацию клинической модели аппарата. Публикации по материалам диссертации. Основное содержание диссертационного исследования достаточно полно отражено в 9 работах соискателя, в том числе в 3 работах в журналах, рецензируемых и рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: 51-й научной конференции Московского физико-технического института – Всероссийской молодёжной научной конференции с международным участием «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» 25-30 ноября 2008г. Москва, где проект стал победителем Программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса 2008»; 6 VIII Всероссийской научно-практической Конференции «Образование, наука и практика в стоматологии» 14-16 февраля 2011г.Москва; совместном заседании кафедры детской хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии МГМСУ, кафедры ортодонтии и детского протезирования МГМСУ и кафедры госпитальной хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии МГМСУ 16 декабря 2011г. XXI конгрессе Европейской ассоциации Челюстно-лицевых хирургов. Хорватия. Дубровник 11-15сентября 2012г. Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 134 страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы и глав: материалы и методы исследования, результаты собственных исследований, обсуждение результатов исследования; включает выводы, практические рекомендации и список литературы, содержащий 140 источников (106 отечественных и 43 зарубежных). Работа включает 55 рисунков. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Режим непрерывной дистракции, может поддерживаться только автоматическим компрессионно-дистракционным аппаратом, так как должен осуществляться круглосуточно и корректироваться в режиме реального времени в соответствии с постоянно изменяющимися физическими свойствами дистракционного регенерата. Из таких свойств мы выделили упругость и пластичность. Оптимальной основой для контроля над течением дистракционного остеогенеза мы сочли фазы упругой и начала пластической деформации регенерата, которая, теоретически, может быть зафиксирована при помощи датчиков давления и перемещения, расположенных на аппарате. Фиксация появления этой деформации, через алгоритм управления, должна давать сигнал к окончанию очередного цикла дистракции. Начало нового 7 цикла нагружения, через алгоритм управления, должно запускаться фиксацией появления у регенерата упругих свойств. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Математическое моделирование. Для оценки возможности создания аппарата по предложенному нами проекту, мы провели математические расчеты по оценке возможности использования электролиза для осуществления процесса дистракции и для оценки необходимой механической прочности конструкции аппарата, работающего на электролитической тяге. На заключительном этапе математического моделирования получен алгоритм управления аппаратом. Стендовая модель электролитического двигателя. Рис.№1. Общая схема пневмогидроцилиндра. 1-пробка, 2-цилиндр, 3-электролит, 4-смесь газов, 5-шток Электролитический пневмогидропривод представляет собой совокупность устройств, обеспечивающих движение рабочих органов аппарата. Исполнительное устройство. Стендовая модель исполнительной части аппарата была создана на ООО «КОВАРИАНТ» с учетом результатов наших теоретических расчетов для исполнительной части и на основании разработанных нами конструктивных чертежей. Модель изготовлена из сплава титана. Управляющее устройство. Блок управления, разработанный и созданный на ООО «КОВАРИАНТ», состоит из электронной схемы программируемого источника тока, 8 охваченного петлей обратной связи, устройства сопряжения с персональным компьютером, графического интерфейса пользователя. Стендовые испытания. Стендовые испытания проведены нами на Кафедре детской хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии МГМСУ. Работа аппарата зависит от способности блока автоматического управления контролировать уровень напряжения в системе. Рост напряжения запускает активацию процесса электролиза в пневмогидроцилиндре прибора, что ведет к увеличению давления газовой смеси в цилиндре и перемещению штока. Сопротивление (40ОМ), интервалы подачи напряжения и снятия показаний датчиками предустановленны разработчиками блока и оставались постоянными. Параметры напряжения, давления, интервалы времени задавались через интерфейс программного обеспечения (ПО). Через ПО производилась регистрация полученных показаний. Комплектующие стенда, предложенного и собранного нами, разработаны и изготовлены на ООО «КОВАРИАНТ». Нами проведены две серии стендовых испытаний. Всего 20 опытов. Целями первой серии испытаний было определение: 1. Определение минимального необходимого и максимального возможного напряжения необходимого для протекания процесса электролиза и работы электролитического двигателя. Для этого опыта напряжение с интервалом в 10 у.е., через каждые 30 минут подавалось на двигатель, в который заранее был помещен 0,5 мл физиологического раствора. Минимальное напряжение необходимого для протекания процесса электролиза, фиксировалось по появлению дистракционного действия, которое фиксировалось датчиком давления, как первый скачок давления в пластиковом цилиндре нагружающего устройства. 9 Дальнейшее повышение напряжения происходило до аварийного прекращения работы блока управления. 2.Определение максимального давления развиваемого электролитическим двигателем. Для этого опыта двигатель работал при максимальном напряжении и закрытом стравливающем отверстии цилиндра нагружающего устройства. Целями второй серии испытаний: 1. Исследование процесса установления максимального стационарного усилия и линейного перемещения штока во времени при максимальном напряжении. В этом опыте аппарат в течение 12 часов при максимально возможном напряжении поддерживал максимальное давление в цилиндре прибора, а измерительный цилиндр нагружающего устройства путем травления воздуха создавал имитацию удлинения регенерата. 2. Исследование процесса установления максимального стационарного усилия и линейного перемещения штока при минимальном напряжении. 3. Исследование процесса установления минимального стационарного усилия по оси штока при минимальном напряжении. 4. Исследование процесса имитирующего режим непрерывной дистракции. В данном опыте при максимальном напряжении в течение 12 часов двигатель работал в режиме непрерывной дистракции. Роль дистракционного регенерата имитировало нагружающее устройство. Достижение системой давления в 227 у.е., имитировало ситуацию достижения «точки текучести» «регенерата». Последующее падение давления в пластиковом цилиндре нагружающего устройства на 0,4 у.е, имитировало собой появление текучести регенерата в зоне «площадки текучести». Со своей стороны блок управления, при получении данных с 10 датчика давления о падении давления, прекращал подачу напряжения на цилиндр двигателя. При этом движение штока продолжалось до уравнивания давлений в электролитическом двигателе и измерительном цилиндре нагружающего устройства. Этот процесс имитировал фазу «текучести» регенерата. Данные с датчика перемещения о прекращении «удлинения регенерата», через блок управления, запускали подачу напряжения на двигатель. Данные о подъеме давления на 0,5 у.е. получаемые с датчика давления, приводили к падению давления в пластиковом цилиндре нагружающего устройства на 0,4 у.е. Далее цикл повторялся. Полученные в эксперименте показатели использованы для построения графиков с помощью программы Microsoft Office Excel 2007. Клиническая модель компрессионно-дистракционного аппарата для непрерывной дистракции. В конструкторском бюро фирмы «КОНМЕТ-инкорпорейтед» в полном согласии с нашим техническим заданием, спроектирована клиническая модель автоматического компрессионно-дистракционного аппарата для непрерывной дистракции. Дополненная крепежными элементами, клиническая модель аппарата после утверждения проекта была изготовлена на фирме «КОНМЕТ-инкорпорейтед» из сплава титана ВТ1-0, ВТ6 и ВТ16 в соответствии с ГОСТ 19807-91 . Масса аппарата 43 гр. Продольный размер 65мм. Основой клинической модели аппарата стал двигатель на основе электролитической тяги, прошедший стендовые испытания. Рис.№2.Внешний вид аппарата.1-цилиндр, 2-пробка цилиндра, 3-крепежный элемент цилиндра, 4крепежный элемент поршня, 5-отверстие для спицы, 6-фиксирующий горизонтальную штангу винт, 7-горизонтальная направляющая штанга, 8- винт фиксирующий горизонтальную направляющую после окончания дистракции, 9-резьба свободного конца штанги, 10-пластина из фторопласта, 11компрессионный винт, 12-винт фиксирующий спицы, 13- клемма, 14-спица, 15-шток с уплотнительным кольцом, 16-вкладыш из фторопласта. 11 Управляющая часть клинической компрессионно-дистракционного аппарата, модели включающая автоматического в себя блок автоматического управления и интерфейс пользователя, разработана и изготовлена на ООО «КОВАРИАНТ». Экспериментальная апробация клинической модели аппарата. Экспериментальная апробация клинической модели аппарата проведена на беспородной собаке. Возраст собаки около 8 лет, масса тела 30 кг. Апробация заключалась в проведении компрессионно-дистракционного остеосинтеза на нижней челюсти собаки с использованием клинической модели КДАНД. При этом применен режим непрерывной дистракции. Клинические наблюдения. Учитывали общее состояние, поведение, состояние кожи у мест выхода спиц и по линии швов, величину отека. Наблюдая за функцией челюстного аппарата, следили за тем, как собака нагружает нижнюю челюсть, принимает корм. Рентгенологическое исследование. Контрольные рентгенограммы нижней челюсти собаки в боковой проекции проводили аппаратом «Арман-1» при 100кВ и 6мАs, фокусном 12 расстоянии 1,0 м, после операции, в день начала дистракции, по окончании дистракции, на 6, 11, 18, 25 дни фиксации, на 7 день после снятия аппарата. Всего изготовлено и изучено 15 рентгенограмм нижней челюсти собаки в боковой проекции. РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. 1.Результаты научного обоснования возможности создания КДАНД с двигателем на основе электролитической тяги. 1.1. Результаты оценки возможности использования электролиза для осуществления процесса дистракции. Принцип действия прибора основан на процессе электролиза. При прохождении электрического тока через электролит, находящийся в пневмогидроцилиндре прибора, в процессе протекания окислительновосстановительной реакции выделяется газовая смесь, отвечающая химическому составу электролита. Рис.№3. Общая схема пневмогидроцилиндра и происходящих в нем процессов. 1-пробка цилиндра, 2-цилинд, 3-уплотнительное резиновое кольцо, 5-элемент питания, 4-шток. Процесс электролиза протекающий в камере пневмогидроцилиндра. Прохождение электрического тока через электролит описываются законом электролиза Фарадея: M A q ,где M -масса вещества, -целое F число, равное валентности соответствующего химического элемента или 13 соединения, q -количество электричества прошедшего через электролит, F постоянная Фарадея. Для расчета объема газа, полученного при электролизе, используем следующее выражение: V V0 M M0 A q M 0 F V V0 A q , где M0 F V0 - молярный объем газа ; - количество вещества ; M 0 - молярная масса вещества Поведение газовой смеси в замкнутом рабочем объеме аппарата. Для моделирования процесса расширения газа в рабочем объеме аппарата используется уравнение Ван-дер-Ваальса. PV , T RT a 2 2 , где PV , T - давление газовой смеси, зависящее V b V соответственно от объема и температуры, - количество газа, a, b постоянные Ван-дер-Ваальса. Оценочный расчет давления газа, получаемого при электролизе в замкнутом объеме дает значение порядка 100 атм для 0.00001 моля электролита, что с запасам перекрывает потребности дистракции. Оценка необходимого для дистракции количества электролита. Количество электролита, минимально необходимое для проведения процедуры дистракции, определим из уравнения Ван-дер-Ваальса: PV , T RT a 2 2 V b V Рассматривая количества вещества : его как кубическое относительно ab 3 a 2 RT Pb PV 0 V V2 Численное решения для давления 10 атм, диаметра поршня 5мм и длинны хода поршня 15 мм дает результат порядка 0,000001 моля. 14 Оценка требуемого заряда элемента питания. Заряд элемента питания, используемого для поддержания процесса электролиза, оценим исходя из закона Фарадея M A q F Путем преобразований, описанных в 2.1, получаем: V Задаваясь конечными значениями заряда и объема, получим: Vкон. Откуда выражаем заряд: qкон. V0 A q M0 F V0 A qкон. M0 F Vкон. M 0F V0 A Учитывая, что конечный объем определяется сечением поршня и его ходом (конечным линейным размером регенерата) Vкон. Sxполное Получаем зависимость заряда батареи от требуемой длинны регенерата: qкон. SM 0F xполное V0 A Зависимость носит линейный характер. Вариант выбора - элемент питания «Крона» 220мАh 1.2.Результаты оценки необходимой механической прочности конструкции двигателя, работающего на электролитической тяге. D-диаметр поршня d-диаметр штока L-длина штока, при L 20d l-длина штока, при l 20d - шток рассчитывают на прочность на простое осевое сжатие, при l 20d - шток следует проверить на устойчивость (продольный изгиб). S – ход поршня; S 10d B – ширина поршня B 0, 5D , этот размер уточняется в зависимости по типу уплотнения (кольца, манжеты). P ;P 1 2 - гидравлическое давление в цилиндре, создаваемое насосом. А – поршневая площадь; A ПD 2 1 ПD 2 6 4 10 4 106 15 - Полезная нагрузка на штоке: F 40 103 H F Fпол. 40 103 H - Давление жидкости в цилиндре выбираем по полезной нагрузке: Fпол 40 103 H ; Pmax P1 5МПа 5 106 Па . - Расчётная сила на штоке с учётом потери мощности на трение в цилиндре. Это фактическое усилие, развиваемое цилиндром: Fполн Fmax ; F Fполн max 40 103 42105, 00 H 42,1kH 4, 21т.с. 0,95 Диаметр D цилиндра: F p A p ПD 2 4 106 ; откуда 4 106 42105 168421 10727,5 103,5 мм 6 3,14 5 10 15,7 - Ширина поршня B 0,5D; B 0,5 110 55 мм - Толщина стенки гидроцилиндра: p 1 p 76 110 70 1, 2 5 1 55 1 4,95 мм 2 70 1, 2 5 64 плоского -Толщина t 0, 4 D - D 2 p Длина 0, 4 D 1, 2 pmax хода 0, 4 110 поршня дна (крышки 1, 2 5 13, 2 70 и цилиндра) Принято t=15мм длина цилиндра: S=200мм L B 2t S 55 2 15 200 285мм - Диаметр штока принят по таблице d 0,5 110 55 мм Таким образом, расчетные габариты двигателя говорят о возможности его использования в челюстно-лицевой хирургии. 1.1.3.Алгоритм управления двигателем. 16 Работа электролитического дистракционного аппарата предполагает наличие математического алгоритма управления силой тока в зависимости от показаний тензодатчика и датчика линейных перемещений. Рис.№4. Схематическое описание алгоритма управления аппаратом. Задачу алгоритма управления можно формализовать следующим образом: 2 0 x 2 0 x , где Выражение PV , T для - сила, развиваемая по оси дистракционного аппарата силы RT a 2 V b V2 получим из уравнения Ван-дер-Ваальса Из выражения, полученного из закона Фарадея A q M 0 F В итоге: P V , T AqRT A q M 0F V M F b 0 зависимость N PS , где Получаем: N PS Учитывая, что N PS A q M 0F V b M F 0 A q M F 0 Далее, используя 2 aS V2 A q M 0 F 2 Подстановка в последнее выражение дает V Sx A q M 0F Sx M F b 0 a V2 - площадь сечения поршня аппарата S AqRTS AqRTS a Sx 2 A q M F 0 2 , где x xt - линейный размер регенерата В итоге, алгоритм управления формализуется в виде системы: 17 2 x 0 2 x x 0 x AqRTS a N x Sx 2 q A M 0F Sx M F b 0 q A M F 0 2 2. Результаты лабораторных стендовых испытаний. 2.1. Определение минимального необходимого и максимального возможного напряжения, необходимого для протекания процесса электролиза и работы электролитического двигателя. В первой серии испытаний было выяснено, что максимальное давление, развиваемое цилиндром равно 234 у.е., что соответствует 73Н, минимальное 50 у.е. Динамика давления при определении мин. и макс.напряжения 220225227 200210 177 135 115 80 50 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 300 250 200 150 100 50 0 давл… 12 15 18 21 24 27 30 33 39 42 45 48 51 54 57 60 63 69 72 75 78 81 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 давлене 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 50 80 11 13 17 20 21 22 22 22 30 60 90 Рис.№5.Диаграмма давления от времени при определении мин.и макс.напряжений. 300 Динамика давления при определении макс.давления. 231 236 235 235 234 234 235 234 235 210 179 183 250 200 150 100 50 55 98 74 87 120 давл… 50 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 давление 50 55 74 87 98 120 179 183 210 231 236 235 235 234 234 235 234 235 Рис.№6. Диаграмма давления от времени при определении максимального давления развиваемого двигателем. 18 Максимум давления определяется способностью уплотнительных колец удерживать давление газа и электролита. Максимальное напряжение составляет 250 у.е. При превышении этого значения происходит повреждение микропроцессора блока управления. Во второй серии опытов получены следующие результаты: 2.2.Исследование процесса установления максимального стационарного усилия по оси штока при напряжении 250 у.е и 160 у.е. Всего проведено 3 опыта для каждого исследования. Получены усредненные графики. Линейное перемещение штока достигалось за счет травления газа через регулируемое отверстие в измерительном цилиндре нагружающего устройства. 236 234 232 230 228 226 0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 Время (часы) Рис.№7.График зависимости усилия нагружения от времени при напряжении 250 у.е. 236 234 232 230 228 226 0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 Время (часы) Рис.№8.График зависимости усилия нагружения от времени при напряжении 160 у.е. Выводы: 1.Максимальное развиваемое давление 234у.е., что соответствует 73Н. 19 2. В среднем, суточная дистракция в первом опыте 1,5 мм, во втором опыте 0,75 мм. 3.При изменении напряжения на 100 единиц, скорость дистракции пропорционально изменяется в 2 раза. 4. Максимальный уровень давления, аппарат способен поддерживать в течение 12 часов. 2.3.Исследование процесса установления минимального стационарного усилия по оси штока при напряжении 250 у.е. 55 54 53 52 51 50 49 0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 Время (часы) Рис.№9. График зависимости минимального стационарного усилия по оси штока от времени при напряжении 250 у.е. Выводы: 1.Минимальное развиваемое давление в опыте составило 49у.е. 2. Стационарный режим дистракции достигался при силе 53 у.е. 3. В среднем, суточная дистракция в опыте составила 8,5 мм. 2.4.Исследование процесса имитирующего режим непрерывной дистракции. 20 Рис.№10.График зависимости усилия по оси по времени при имитации режима непрерывной дистракции. 1-2,4-5-имитация «текучести регенерата», 3-скачок давления, отмечающий преодоление штоком пластикового цилиндра силы трения о цилиндр,3-4-имитация появления упругих свойств «регенерата». Для данного исследования выбраны произвольные параметры давления, Опыт повторен 3 раза. Усредненный график приведен выше. Выводы: 1.В среднем, суточная дистракция в режиме имитации непрерывной дистракции равна 1,2 мм. 2.Полученные в ходе опытов параметры дистракции позволяют практически реализовать алгоритм электронного управления двигателем. 3.В опыте доказана способность двигателя и блока управления к четкой и слаженной работе в рамках предложенной нами математической модели алгоритма управления. Таким образом, в ходе испытаний двигатель показал способность создавать и поддерживать усилие нагружения, а также получены параметры, необходимые для реализации алгоритма электронного цифрового управления аппаратом, что позволяет выбирать оптимальный режим дистракции в автоматическом режиме и осуществлять процесс непрерывной дистракции. 21 апробации 3.Результаты клинической компрессионно-дистракционного модели аппарата автоматического для непрерывной дистракции в эксперименте на животном. В процессе эксперимента механическая часть аппарата показала надежность своей конструкции, продемонстрировав отсутствие поломок и деформаций в двигателе и фиксирующих элементах. Слаженность и адекватность работы конструктива и автоматического блока управления была оценена на этапе активации аппарата. На седьмые сутки после операции, автоматического спустя управления параметров давления, и 12 минут достижения аппарат производил после включения системой блока оптимальных дистракционное действие, вызванное микроскопическим перемещением поршня и симметричное ему движение направляющей штанги, что визуально отражалось в падении заклиненной «иглы-распорки». Выдвижение штока (расстояние между спицами) за первые 40 мин дистракции в автоматическом режиме составило 0,1мм. Дистракцию в автономном автоматическом непрерывном режиме аппарат осуществлял плавно, без видимых рывков. Бесперебойная работа аппарата продолжалась до самопроизвольного отключения автоматического блока управления на 3 сутки дистракции. Наблюдение за аппаратом в течение 6 часов после его отключения не обнаружило признаков разгерметизации пневмогидроцилиндра и потери набранного давления. Выдвижение штока составило 6,0 мм. На контрольных рентгенограммах нижней челюсти собаки в боковой проекции, проведенная после остановки аппарата, показала наличие диастаза между костными отломками размером 6,0 мм. Период ретенции продолжался 25 дней. В этом периоде наблюдалась полная адаптация собаки к аппарату. 22 К 25 суткам ретенционного периода, на рентгенограмме определялась оссификация регенерата, хорошо просматривалась тень кортикальной пластинки кости. После удаления аппарата на рентгенограмме диастаз не имел четких границ. Клинических признаков смещения нижней челюсти ,деформации регенерата не наблюдалось. Рис.№11. Рентгенограмма нижней челюсти в боковой проекции на 3 сутки дистракции и на 7сутки после удаления аппарата. Таким образом, возможность создания автоматического компрессионнодистракционного аппарата на основе электролитической тяги позволяет приступить к экспериментальному изучению дистракционных регенератов, полученных при использовании различных темпов дистракции, что в будущем может стать основанием для применения разработанного устройства в клинике. ВЫВОДЫ. 1. Научно обоснована возможность электролитической тяги для создания двигателя на основе автоматического компрессионно- дистракционного аппарата путем: оценки возможности использования электролиза для осуществления процесса дистракции, где получено, что давление газовой смеси, получающейся при электролизе в замкнутом объеме пневмогидроцилиндра, дает давление 10 атм. при диаметре поршня 5 мм и требует 0,000001 моля электролита (0,05мл физиологического раствора) для перемещения поршня на 15 мм.; оценки необходимой механической прочности конструкции двигателя, работающего на электролитической тяге, 23 которая показала, что фактическое усилие, развиваемое пневмогидроцилиндром равно 42,1 кН, что значительно превосходит потребности в усилии при дистракции, и, что расчетные габариты двигателя позволяют применять его в челюстно-лицевой хирургии; путем получения алгоритма управления электролитическим двигателем. 2. Экспериментальный электролитический двигатель способен создавать и поддерживать в течение 12 часов усилие равное 73Н; получены параметры дистракции, которые позволяют практически реализовать алгоритм электронного цифрового управления электролитическим двигателем, при осуществлении им непрерывной дистракции в автоматическом режиме. Это подтверждается результатами стендовых испытаний разработанной и созданной нами экспериментальной модели электролитического двигателя. 3. Разработанная нами клиническая модель автоматического компрессионнодистракционного аппарата с двигателем на основе электролитической тяги пригодна для проведения метода компрессионно-дистракционного остеосинтеза на нижней челюсти и способна осуществлять дистракцию с различной скоростью в непрерывном автоматическом режиме, что подтверждается результатами экспериментальной апробации аппарата. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ. 1. Экспериментальный стенд, созданный совместно с ООО «Ковариант» может быть использован для проведения испытаний экспериментальных моделей аппаратов для непрерывной дистракции с двигателем на основе электролитической тяги. 2. Стендовые испытания разрабатываемых аппаратов необходимо проводить такое количество суток, в течение которых предполагается проводить дистракцию. 24 3. Для экспериментальных исследований на собаках габариты аппарата рекомендуется уменьшить так, чтобы свободный ход штока не превышал 10 мм. 4. Для получения данных о физических параметрах дистракции рекомендуется оснастить автоматический блок управления аппаратом блоком беспроводной связи с ПК. СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Степанов А.А., Калугина Л.С., Топольницкий О.З., Ходаковский И.А. Экспериментальная апробация дистракционного аппарата для непрерывной дистракции//Российский вестник дентальной имплантологии.-М.:2011.№2.-С.15-19. 2. Степанов А.А., Топольницкий О.З., Ходаковский И.А, Калугина Л.С. Компрессионно-дистракционный аппарат для непрерывной дистракции с двигателем на основе электрохимической тяги//Сборник научных работ по материалам VII научно-практической конференции с международным участием «Стоматология детского возраста и профилактика стоматологических заболеваний».-М.:2011.-С.165-168. 3. Степанов А.А., Топольницкий О.З., Ходаковский И.А, Калугина Л.С.Электролитический компрессионно-дистракционный аппарат для непрерывной дистракции//Дентал-Ревю. Сборник трудов VIII Всеросийской научно-практической конференции «Образование, наука и практика в стоматологии» .-М.:2011.-С.151-152. 4. Топольницкий О.З., Степанов А.А., Ходаковский И.А., Калугина Л.С. Экспериментальное обоснование применения компрессионно- дистракционного аппарата для непрерывной дистракции с двигателем на основе электролитической тяги//Сборник научных работ по материалам 25 республиканской конференции стоматологов «Профилактика основных стоматологических заболеваний».-Уфа.:2011.-С.36-38. 5. Степанов А.А., Калугина Л.С., Топольницкий О.З., Ходаковский И.А. Разработка и экспериментальная апробация дистракционного аппарата для непрерывной дистракции//Сборник трудов I Всеросийской недели науки. Аспирантские и государственный докторантские чтения. ГБОУ медицинский университет ВПО им. Саратовский Разумовского.- Саратов.:2012.-С.91-92. 6. Степанов А.А., Топольницкий О.З., Ходаковский И.А., Калугина Л.С.Экспериментальное исследование применения компрессионно- дистракционного аппарата для непрерывной дистракции с двигателем на основе электрохимической тяги// Сборник научных работ по материалам XVII Международной конференции Челюстно-лицевых хирургов «Новые технологии в стоматологии».-СП.:2012.-С.172. 7. Степанов А.А., Калугина Л.С., Топольницкий О.З., Ходаковский И.А. Разработка и экспериментальная апробация дистракционного аппарата для непрерывной дистракции// Dental Forum.-М.:2012.-№3.С.91-92. 8. Степанов А.А., Калугина Л.С., Топольницкий О.З., Ходаковский И.А. Разработка автоматического компрессионно-дистракционного аппарата для челюстно-лицевой хирургии//Российский вестник дентальной имплантологии.-М.:2012.-№1.-С.20-23. 9. Topolnitsky O.Z., Kalugina L.S., Stepanov A.A., Xodakovskii I.A.,Fedotov R.N. The clinical-experimental study of continuous distraction osteogenesis.//Proceendings XXI Congress of the European Association for Cranio-Maxillo-Facial 11-15 September 2012 Croatia.-Dubrovnik.:-2012.-С.163. 26
