2011АрхиповСВ

 

Публикация описывает конструкцию механической модели тазобедренного сустава – концепта тотального эндопротеза с аналогом ligamentum capitis femoris (LCF) и наружных связок.

Динамическая модель тазобедренного сустава

Заявка на патент RU2009124926A
Изобретатель
Сергей Васильевич Архипов
2009-06-29 Заявление подал С.В. Архипов
2011-01-10 Публикация RU2009124926A

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Динамическая модель тазобедренного сустава, содержащая соединенную с основанием бедренную часть, снабженную сферической головкой, которая подвижно соединена со сферической поверхностью вертлужного элемента, тазовой части с прикрепленной к ней нагрузкой и соединенным с бедренной частью устройством для измерения силы, снабженным элементами крепления, отличающаяся тем, что тазовая и бедренная части близки по форме и размерам к реальным тазовой и бедренной костям, а внутренняя поверхность вертлужного элемента снабжена фасонной выточкой, кроме этого вертлужный элемент имеет возможность закрепляться на тазовой части в различных положениях и соединен с бедренной частью несколькими гибкими нерастяжимыми элементами, один из которых прикреплен к сферической головке бедренной части, подвижное соединение которой с основанием снабжено фиксатором и устройством для регулирования положения, кроме этого с основанием соединены две вертикально расположенные плоские поверхности с масштабно-координатной сеткой, а устройства для измерения силы два или более, каждое из которых снабжено элементом крепления с регулируемой длиной и электромеханическим приводом, кроме этого бедренная часть или нагрузка могут быть снабжены источниками света или другого электромагнитного излучения.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к медицине, а точнее к ортопедии и травматологии и может быть использовано для моделирования нагрузки и движений в тазобедренном суставе, что позволит лучше понять его биомеханику в норме и при патологии, а значит уменьшить вероятность возможных осложнений хирургический вмешательств, направленных на изменение его анатомии.

Известным аналогом предлагаемой динамической модели тазобедренного сустава, является модель тазобедренного сустава, содержащая закрепленные на неподвижном основании бедренную и тазовую части, соединенные между собой шаровым шарниром, посредством которой, моделируется напряженное состояние проксимального отдела бедренной кости при различных видах ее деформаций [1].

Недостатком известной модели тазобедренного сустава является то, что она не позволяет имитировать движений тазовой части, а подвижное соединение тазовой и бедренной частей не в полной мере соответствует строению нормального тазобедренного сустава, так как в модели не предусмотрены элементы-аналоги связочного аппарата.

Наиболее близкой по своей сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой динамической модели тазобедренного сустава, является, выбранная за прототип, модель тазобедренного сустава, содержащая закрепленную на неподвижном основании бедренную часть, снабженную сферической головкой подвижно соединенной с вертлужным элементом тазовой части, снабженной планкой с подвешенным к ней грузом и дополнительно соединенную с бедренной частью динамометром, посредством которого, измеряется усилие необходимое для удержания в положении устойчивого равновесия тазовой части при различной нагрузке действующей на нее [2].

Недостатком данной модели тазобедренного сустава является то, что она не позволяет имитировать движения тазовой части, а также изменять положение бедренной части, а подвижное соединение тазовой и бедренной частей не в полной мере соответствует строению нормального тазобедренного сустава, так как в нем не предусмотрены элементы-аналоги связочного аппарата.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является – моделирование движений в тазобедренном суставе и таза, уточнение нагрузки на элементы тазобедренного сустава и миграции общего центра масс тела в норме, а также при отсутствии связок тазобедренного сустава, изменении их длины, деформации вертлужной впадины и бедра. Данные, полученные в экспериментах на предложенной динамической модели тазобедренного сустава, приближенной к реальному тазобедренному суставу, позволят лучше понять его биомеханику в норме и при патологии, а также позволят уменьшить вероятность возможных осложнений хирургический вмешательств, направленных на изменение его анатомию.

Решение поставленной задачи достигается тем, что динамическая модель тазобедренного сустава, содержащая соединенную с основанием бедренную часть, снабженную сферической головкой, которая подвижно соединена со сферической поверхностью вертлужного элемента, тазовой части с прикрепленной к ней нагрузкой, и соединенным с бедренной частью, устройством для измерения силы снабженным элементами крепления, причем тазовая и бедренная части близки по форме и размерам к реальным тазовой и бедренной костям, а внутренняя поверхность вертлужного элемента снабжена фасонной выточкой, кроме этого вертлужный элемент имеет возможность закрепляться на тазовой части в различных положениях и соединен с бедренной частью несколькими гибкими нерастяжимыми элементами, один из которых прикреплен к сферической головке бедренной части, подвижное соединение которой с основанием снабжено фиксатором и устройством для регулирования положения, кроме этого с основанием соединены две вертикально расположенные плоские поверхности с масштабно-координатной сеткой, а устройств для измерения силы два или более, каждое из которых снабжено элементом крепления с регулируемой длиной и электромеханическим приводом, кроме этого бедренная часть или нагрузка могут быть снабжены источниками света или другого электромагнитного излучения.

Предлагаемая динамическая модель тазобедренного сустава, содержащая тазовую и бедренную части, соединенные гибкими нерастяжимыми элементами-аналогами связок тазобедренного сустава и устройствами для измерения силы снабженные элементами крепления с регулируемой длиной - аналогами тазобедренных мышц, представляет собой механический аналог естественного тазобедренного сустава, бедренной и тазовой кости. Предлагаемой динамической модели тазобедренного сустава позволяет воспроизводить изменения пространственной ориентации вертлужной впадины и бедренной кости, а также различные изменения связочного аппарата тазобедренного сустава, которые встречаются у реальных пациентов, после чего уточнять какие движения возможны в тазобедренном суставе, и что их ограничивает. Планируя хирургическое вмешательство на тазобедренном суставе или тазовой кости, на предлагаемой динамической модели тазобедренного сустава можно воспроизвести предполагаемые изменения его анатомии и выяснить, как вследствие этого измениться объем движений таза при ходьбе. Предлагаемая динамическая модель тазобедренного сустава также позволяет моделировать отдельные фазы ходьбы и уточнять кривую миграции общего центра масс системы таз-бедро до и после запланированного хирургического вмешательства. Показания устройств для измерения силы могут быть положены в основу расчетов нагрузки на головку бедренной кости реального тазобедренного сустава до и после хирургического лечения. Предлагаемая динамическая модель тазобедренного сустава также позволит находить наиболее рациональные точки фиксации связок и определять оптимальную их длину перед запланированным хирургическим вмешательством, с целью избежать впоследствии перегрузки мышечно-связочного и костно-хрящевого компонентов тазобедренного сустава. Указанное выше будет способствовать рациональному планированию хирургических вмешательств на тазобедренном суставе и снизит вероятность их возможных осложнений.

Предлагаемая динамическая модель тазобедренного сустава, иллюстрируется представленными иллюстрациями:

Фиг.1 – общий вид предлагаемой динамической модели тазобедренного сустава (рисунок);

Фиг. 2 –один из действующих вариантов динамической модели тазобедренного сустава в сборе с тазовой частью, установленной в исходном положении и бедренной части в положении приведения (фотография).

Предлагаемая динамическая модель тазобедренного сустава, иллюстрированная Фиг.1 и Фиг.2, содержит основание 1, тазовую часть 2, и бедренную часть 3, выполненную, например, из металла, близкую по форме и размерам к реальной бедренной кости, верхний конец 4, которой снабжен сферической головкой 5, и фасонным выступом 6, аналогичным по форме и размерам большому вертелу бедренной кости, а тазовая часть 2, выполнена, например, виде жесткой пластины 7, из органического стекла с нанесенным на нее изображением костей таза реального размера 8, соединенная с вертлужным элементом 9, выполненным, например, из металла, и имеющим вид половины сферы, снабженной цилиндрическим стержнем с отверстиями и элементами крепления, например, винтами 10, позволяющим закреплять вертлужный элемент 9, на тазовой части 2, в различных положениях, а основание 1, содержит горизонтальную плоскую опорную поверхность 11, выполненную, например, из стеклотекстолита, снабженную ножками 12, например, резиновыми, к которой, например, посредством шарового шарнира 13, снабженного фиксатором, например, винтом 14, присоединен, винтом 15, нижний конец 16, бедренной части 3, а верхний конец 4, бедренной части 3, соединен с основанием 1, шпилькой с резьбой 17, которая увеличивает жесткость соединения бедренной части 3, с основанием 1, позволяющей плавно регулировать положение бедренной части 3, по отношению к основанию 1, например, посредством гаек, закрепляющих шпильку 17, в отверстии кронштейна 18, жестко прикрепленного к основанию 1, а верхний конец шпильки 17, прикреплен, например, посредством гаек к кронштейну, которым снабжена задняя поверхность фасонного выступа 6, бедренной части 3, кроме этого ее сферическая головка 5, подвижно соединяется с вертлужным элементом 9, благодаря шарнирному соединению имеется возможность вращения сферической головки 5, во всех трех плоскостях, а ответная сферической головке 5, внутренняя сферическая поверхность, вертлужного элемента 9, имеет фасонную выточку, напоминающую по форме и размерам ямку и вырезку реальной вертлужной впадины, в которой расположен гибкий нерастяжимый элемент - аналог связки головки бедренной кости (невиден, так как находится внутри шарнира), выполненный например, из гибкой металлической проволоки, один конец, которого соединен с дном фасонной выточки вертлужного элемента 9, а другой со сферической головкой 5, бедренной части 3, кроме этого наружный торец 19, вертлужного элемента 9, соединен с верхним концом 4, бедренной части 3, несколькими гибкими нерастяжимыми элементами 20, выполненными, например, из металлической проволоки, длина и расположение которых аналогична наружным связкам реального тазобедренного сустава, а именно подвздошно-бедренной, лобково-бедренной, седалищно-бедренной, и прикрепляющихся к бедренной части 3, например, винтами 21, а к торцу 19, вертлужного элемента 9, винтами 22, кроме этого тазовая 2, и бедренная 3, части соединены устройством для измерения силы 23, снабженным двумя элементами крепления, один из которых 24, подвижно соединен с верхним наружным краем тазовой части 2, а другой 25, выполненный в виде шпильки, с резьбой, установленной во втулке 26, с внутренней резьбой, подвижно соединен с кронштейном 27, который подвижно соединен с фасонным выступом 6, верхнего конца 4, бедренной части 3, а с хвостовиком 28, втулки 26, соединен гибкий вал 29, вращение которого в обоих направлениях обеспечивается электромотором 30, кроме этого задняя поверхность тазовой часть 2, может быть соединена с фасонным выступом 6, бедренной части 3, аналогичным описанному, устройством для измерения силы 31, также снабженным элементом крепления 32, хвостовик 33, втулки с внутренней резьбой 34, которого, соединен с гибким валом 35, вращение которого может быть обеспечено электромотором 30, а элемент крепления 32, подвижно соединен с другим отверстием кронштейна, которым снабжена задняя поверхность фасонного выступа 6, бедренной части 3, при этом устройство для измерения силы 23, является аналогом отводящей группы мышц, а другое устройство для измерения силы 31, является аналогом квадратной мышцы бедра, а к тазовой части 2, вверху, по средней линии, присоединен, например, винтом 36, кронштейн, обращенный, например, назад к которому прикрепляется, например, подвешивается на металлической цепи 37, нагрузка, например, гиря 38, например, массой 1 кг, с которой соединены источники электромагнитного излучения, например, видимого спектра, например, три узконаправленные источники света, например, «лазерные указки» 39, лучи монохроматического света создаваемые которыми, обращены вдоль трех, перпендикулярных друг другу координатных осей, а именно - назад, вниз и во фронтальной плоскости, так, что световые пятна 40, проецируются на соединенные с основание 1, перпендикулярные друг другу вертикальные плоские поверхности 41, и 42, выполненные, например, из органического стекла, с прикрепленными к ним, например, зажимами 43 и 44, листами бумаги 45, и 46, с нанесенной на них масштабно-координатной сеткой, а другой лист бумаги 47, с нанесенной на него масштабно-координатной сеткой, закреплен на плоской опорной поверхности 11, основания 1, при этом листы бумаги 45, 46, и 47 образуют трехмерную систему координат, предназначенную для уточнения проекций положения нагрузки, например гири 38, при различных положениях тазовой части 2. С целью регистрации изменения положения нагрузки, например, гири 38, и / или тазовой части 2, к ним могут присоединяться вместо «лазерных указок» 39, другие источники электромагнитного излучения, которое могут фиксировать приемник, например, GPS-навигатор.

Предлагаемая динамическая модель тазобедренного сустава, иллюстрированная Фиг.1 и Фиг.2, может применяться следующим образом: изначально бедренной части 3, придается положение, например, свойственное для положения бедра в средине одноопорного периода шага (приведение 15°, наружная ротация 12°, сгибание 5°), и фиксируется за счет затягивания винта 14, шарового шарнира 13, а также закрепления шпильки 17, гайками к кронштейну 18, основания 1, и к кронштейну, которым снабжена задняя поверхность фасонного выступа 6, бедренной части 3. Затем в зазор между сферической головкой 5, и внутренней поверхностью вертлужного элемента 9, вводится смазка, например, машинное масло. К тазовой части 2, подвешивается гиря 38, например, массой 1 кг и включаются узконаправленные источники света, например, «лазерные указки» 39. За счет вращения электромотора 30, изменяющего длину элемента крепления 25 и 32, тазовая часть 2, устанавливается в горизонтальном положении. После этого считываются показания устройств для измерения силы 23 и 31, а на листах бумаги 45, 46, 47, с масштабно-координатной сеткой, закрепленных на плоскостях 11, 41 и 42, отмечаются положения световых пятен 40, создаваемых «лазерными указками» 39. Путем попеременного вращения втулок 26 и 34, посредством электромотора 30, тазовой части 2, последовательно придаются крайние положения аналогичные приведению и отведению в реальном тазобедренном суставе и регистрируются изменения показаний устройств для измерения силы 23 и 31, а также изменение положений световых пятен 40, создаваемых «лазерными указками» 39, на листах бумаги 45, 46 и 47, по которым строятся кривые изменения положения проекций гири 38, на фронтальную 41, сагиттальную 42, и горизонтальную 11, плоскости. В крайних положениях угломером можно также замерить углы наклона тазовой части во фронтальной и сагиттальной плоскостях, а также угол ее поворота в горизонтальной плоскости. Полученные показания устройств для измерения силы 23 и 31, а также кривые смещения световых пятен 40, создаваемых «лазерными указками» 39, на листах бумаги 45, 46 и 47, сравниваются с аналогичными параметрами, которые можно получить после удаления, например, одного или нескольких гибких нерастяжимых элементов 20. Удаление элементов 20, позволяет имитировать повреждение связок тазобедренного сустава, которое происходит, например, при вывихе бедра. Анализ кривых смещения световых пятен 40, и показаний устройств для измерения силы 23 и 31, позволяет сделать выводы об изменении миграции общего центра масс тела, изменении усилия отводящей группы мышц и квадратной мышцы при осуществлении отведения и приведения в тазобедренном суставе свойственных ходьбе. Воспроизводя на предлагаемой динамической модели тазобедренного сустава планируемое хирургическое изменение анатомии, например, пластическое восстановление одной из нескольких поврежденных связок, основываясь на показаниях устройств для измерения силы 23 и 31, и форме кривых смещения центра масс нагрузки, можно сделать вывод - на сколько биомеханика оперированного тазобедренного сустава приблизится к нормальной, а какие отклонения останутся не компенсированными. Кроме этого путем расчетов, основанных на показаниях устройств для измерения силы 23 и 31, и величине кратчайших расстояний от центра сферической головки 5, бедренной части 3, до линий приложения сил к системе: действующей нагрузки, например, гири 38, и устройств для измерения силы, например, 23, снабженных элементами крепления, например 25, можно рассчитать величину результирующей нагрузки на сферическую головку 5, как в норме, так и в случае отсутствия одной или нескольких связок тазобедренного сустава. Эти данные позволят спрогнозировать скорость износа суставных поверхностей тазобедренного сустава, при восстановлении связочного аппарата и без такового, а также изменение подвижности таза при ходьбе. При необходимости, на предложенной динамической модели тазобедренного сустава могут быть моделированы и другие варианты лечения, например, изменение положения вертлужного элемента 9, что будет имитировать дислокацию вертлужной впадины таза в результате периацетабулярной остеотомию таза. 

Фиг. 1

Фиг. 2

Литература

1. Гиммельфарб А.Л., Акбердина Д.Л. Биомеханическое моделирование напряженного состояния проксимального отдела бедренной кости при различных вариантах межвертельной остеотомии // Ортопед., травматол. - 1983. - №8. - С. 21-24.

2. Беленький В.Е. Некоторые вопросы биомеханики тазобедренного сустава: Дисс. … канд. мед. наук. – М., 1962. – 249 с. 

Цитирование:

Архипов СВ. Динамическая модель тазобедренного сустава. Положительное решение о выдаче патента РФ по заявке на изобретение №2009124926 от 29.06.2009. 2011. [patents.google]

Arkhipov SV. Dynamic hip joint model (Динамическая модель тазобедренного сустава) RU2009124926A June 29, 2009. 2011. [patents.google]

Ключевые слова:

связка головки бедра, круглая связка, эндопротез, тотальный, модель, концепт, ligamentum capitis femoris, ligamentum teres  

СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

 Фиксаторы и эндопротезы