автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Аппаратно-программный комплекс для оценки состояния костного регенерата при лечении конечностей с помощью аппарата Илизарова

На правах рукописи

Русаков Сергей Александрович

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ КОСТНОГО РЕГЕНЕРАТА ПРИ ЛЕЧЕНИИ КОНЕЧНОСТЕЙ С ПОМОЩЬЮ АППАРАТА ИЛИЗАРОВА

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)

05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

Волгоград-2013

005539571

005539571

Работа выполнена на кафедре «Вычислительная техника» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ВолгГТУ»).

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Муха Юрий Петрович.

Официальные оппоненты: Филист Сергей Алексеевич,

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО ЮЗГУ кафедра биомедицинской инженерии, профессор;

Гольцов Анатолий Сергеевич

доктор технических наук, профессор, ВПИ (филиал ВолгГТУ), кафедра «Автоматика, электроника и вычислительная техника», заведующий кафедрой.

Ведущая организация ОАО «Самарский электромеханический

завод», г. Самара.

Защита состоится «10» декабря 2013 г., в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.028.05 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «% » ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Авдеюк Оксана Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Биологическая костная ткань обладает замечательным свойством (называемым остеогенез) восстановления массива кости при его разрушении (разделении) или даже удлинения первоначального размера любого сегмента конечности, что используется в реконструктивной ортопедии для лечения переломов, исправления деформаций и удлинения конечностей. Соединенные после разрушения части костного сегмента образуют в зоне контакта мягкую прослойку - регенерат, жесткость которого в статическом состоянии изменяется во времени практически от нуля и до уровня жесткости здоровой кости.

Определение состояния костного регенерата в месте повреждения конечности является актуальной проблемой ортопедии, решение которой позволило бы проводить более точную диагностику состояния восстанавливаемой конечности, костного регенерата, что в свою очередь привело бы к сокращению послеоперационного периода и уменьшило количество послеоперационных осложнений.

В существующих на сегодняшний день клинических технологиях проведения операций чрескостного остеосинтеза отсутствует объективный и постоянный контроль за состоянием костного регенерата, все определяется на основе субъективных оценок врача - ортопеда. Это объясняется отсутствием технических средств, позволяющих осуществлять такой непрерывный контроль. В результате не редки случаи разрыва костного регенерата при запоздалой дистрак-ции (растяжении костных фрагментов), формирование неполноценного дист-ракционного костного регенерата при слишком ранней дистракции и различные осложнения при затягивании сроков нахождения пациентов в аппаратах Илиза-рова. Отсюда вытекает необходимость контроля дистракционных усилий со стороны костного регенератаво время перемещения костных фрагментов, а также расчета численного значенияосевой жесткости костного регенерата с целью определения момента безопасного снятия аппарата Илизарова.

Немногочисленные работы исследователей по созданию устройств для измерения усилий компрессии и дистракции, определению состояния костного регенерата, а также для широкого внедрения автоматической дистракции, к сожалению, не трансформировались из стадии научных интересов в законченные системы для конвенционального использования. Главная причина такого положения - недостаточность методологических, технических и конструктивных проработок, сложность применения в обыденных условиях врачами ортопедами.

Таким образом, весьма актуальными являются исследования по широкому кругу вопросов, связанных с оснащением конвенциональных аппаратов внешней фиксации измерительно-вычислительными средствами и системами автоматической дистракции, а также определение состояния костного регенерата на основе измеренных и производных расчетных параметров, удобных для использования в рутинной практике врача ортопеда.

Решение этих вопросов составляет основу для создания инструмента нового класса - аппаратно-программного комплекса, предоставляющего ортопеду-

3

травматологу достаточный для объективного метода лечения объем сведений о состоянии костного регенерата.

Степень разработанности темы исследования. Темой исследования процесса восстановления костного регенерата занимались несколько групп исследователей. За рубежом для этой цели итальянской фирмой CITIEFFE был создан специальный измерительный комплекс (Mingozzi F., Mandrioli M., 1991). Однако данный комплекс был способен измерять только угловую жесткость регенерата, что сильно ограничивало его использование в медицинской практике.

В России также предпринимались попытки создания измерительных систем для сопровождения операций по чрескостному остеосинтезу. Так, в Ростовском государственном медицинском университете был создан так называемый очувствленный аппарат Илизарова (Голубев В.Ш., Лазико В.Р. и др., 2005). Однако данный комплекс ориентирован на отыскание координат центра тяжести сечения костных фрагментов, а не на непосредственную оценку состояния регенерата. Другой важной работой в этой области является комплекс CTS (Compression-Traction System, Шуц Б.С., 2002). Данный комплекс позволял определить относительное положение костных отломков, однако анализ состояния костного регенерата на нем затруднен из-за некоторых конструктивных недостатков (ручная изготовка и калибровка датчиков) и отсутствия четких методик по определению осевой жесткости регенерата на конечной стадии фиксации. Помимо создания этих комплексов, в РФ было проведено исследование по определению микроподвижности отломков болыпеберцовой кости (Егоров М.Ф. и др., 1999), которое выявило наличие скачкообразного роста жесткости костного регенерата на заключительной фазе лечения. Однако данный факт впоследствии не нашел широкого применения.

Помимо модификации самих аппаратов внешней фиксации, следует отметить джоульметрический метод (Волчихин В.И., Геращенко С.И., 2008), который основан на определении работы электрического тока, проходящего через регенерат. Основной его недостаток заключается в дополнительной травмати-зации зоны роста костного регенерата.

В качестве объекта исследования выбран процесс оссификации костного регенерата и связанное с ним изменение силовых нагрузок в конструкции аппарата Илизарова.

Предмет исследования. Методы построения измерительных систем для оценки состояния костного регенерата.

Целью работы является разработка аппаратно-программного комплекса (АПК) для исследования процесса восстановления нижних конечностей во время чрескостного остеосинтеза, а также разработка методики и выработка измеряемых критериев оценки состояния костного регенератас целью определения момента безопасного снятия аппарата Илизарова с высокой точностью, позволяющего избежать послеоперационных осложнений.

Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:

1. Исследованы существующие диагностические способы анализа состояния костного регенерата.

2. Разработана математическая модель нагружения зоны костного регенерата в течение операции чрескостного остеосинтеза.

3. Получена аналитическая зависимость осевой жесткости костного регенерата от измеряемых силовых параметров конструкции аппарата Илизарова и от времени.

4. Разработан критерий оценки состояния костного регенерата.

5. Разработана оптимальная конструкция АПК для определения жесткости костного регенерата, с его помощью проведены исследования процесса восстановления костного регенерата во время операций чрескостного остеосинтеза.

6. Подтверждена адекватность выработанного критерия состояния костного регенерата на основе экспериментальных данных.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теория сопротивления материалов, теория синтеза сложных систем, теория аналитико-алгоритмического описания измерительных процессов.

Научная новизна.

1. Получена аналитическая зависимость осевой жесткости костного регенерата от текущих силовых параметров аппарата Илизарова, основанная на рассчитанной математической модели нагрузки зоны стыка костных отломков, позволяющая выразить состояние костного регенерата в виде функции текущих силовых воздействий на опорные элементы аппарата Илизарова со стороны пациента, параметров пациента и аппарата Илизарова в количественной форме.

2. Выведен критерий оценки состояния костного регенерата, основанный на полученных значениях осевой жесткости костного регенерата, экспериментальных исследованиях Егорова М.Ф. и справочных данных о жесткости здоровой кости, позволяющий оценить текущее состояние костного регенерата в фазе фиксации на основе объективных количественных показателях, а не на основе субъективного анализа рентгеновских снимков врачом ортопедом.

3. Разработана структура АПК, включающего тензометрические датчики силы или оптоволоконные датчики растяжения-сжатия, 2 (4) 24-х разрядных сигма-дельта аналого-цифровых преобразователя и управляющий микроконтроллер (ARM7 или TI MSP430), совместимый с персональным компьютером по проводному (USB 2.0) или беспроводному интерфейсу (Bluetooth 4.0 ULP), и позволяющего определить с помощью разработанного программного обеспечения силу компрессии костных отломков на стадии компрессии, текущую осевую жесткость костного регенерата в фазе фиксации, а также момент завершения процесса восстановления костного регенерата.

Научная и практическая ценность. Практическая ценность работы состоит в разработке законченного варианта АПК для оценки состояния костного регенерата, который может быть использован в практике отделений травматологии и ортопедии медицинских учреждений для повышения эффективности чрескостного остеосинтеза при лечении переломов и устранении деформаций большеберцовой кости и других костных сегментов опорно-двигательного аппарата. Помимо этого, использование данного АПК совместно с разработанной методикой оценки степени восстановления костного регенерата позволит де-

тально отслеживать процесс восстановления костной ткани во время операций чрескостного остеосинтеза, основываясь не только на данных рентгенологических исследований.

Реализация результатов работы. АПК внедрен в работу медицинской компании "Да Винчи" г.Волгоград, оказывающей услуги по проведений операций чрескостного остеосинтеза. Имеется соответствующий акт о внедрении.

Достоверность полученных результатов при решении поставленных задач обеспечивается применением современных технических средств, методов исследования. Экспериментальная часть работы выполнена с применением рентгеновского аппарата Digital Diagnost фирмы Philips и 4-х срезового компьютерного томографа General Electric, использованных для стандартной диагностики состояния костного регенерата, также был проведен метрологический анализ разработанного аппаратно-программного комплекса. Теоретическая часть работы основана на применении математических выводов, не противоречащих общей физической картине зоны стыка костных отломков.

На защиту выносятся следующие положения;

1) Физико-математическая модель нагрузки зоны костного регенерата, основанная на представлениях о продольно-поперечном изгибе материалов, позволяющая получить аналитическое выражение для жесткости костного регенерата.

2) Аппаратно-программный комплекс, построенный на основе измерений сил в стержнях аппарата Илизарова с учетом эффекта скачкообразного роста жесткости регенерата, дающий возможность определить величину нагрузки в зоне костного регенерата и значение жесткости костного регенерата.

Апробация результатов. Материалы работы докладывались на инновационном форуме "Инновации - будущее сегодня" (г. Нижний Новгород, 2010); научных конференциях ВолгГТУ (г. Волгоград, 2009 - 2011 гг.); научной конференции в рамках фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (г.Волгоград, 2010-2011 гг.); 66-й научной конференции ВолгГМУ (г. Волгоград, 2008 г.); научной конференции «Распознавание -2010» (г. Курск, 2010 г.); научно-практической конференции «Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности» (г.Тамбов, 2013 г.); международной научно-практической конференции «Инновационные информационные технологии» (Чехия, г.Прага, 2013 г.); научных семинарах кафедры «Вычислительная техника» ВолгГТУ (г.Волгоград, 2008 - 2012 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 работы в журналах из списка, рекомендованных ВАК, и 7 работ в других изданиях. Также получен один патент на изобретение.

Соответствие паспорту специальности.

Содержание диссертации соответствует паспорту специальности 05.11.16 - "Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)", а именно: пункту 6 "Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработ-

ка новых принципов построения и технических решений" и паспорту специальности 05.11.17 - "Приборы, системы и изделия медицинского назначения", а именно: пункту 1 "Исследование, разработка и создание медицинской техники, изделий, инструментов, методов и способов диагностики и лечения человека, которые рассматриваются как средства восстановления нарушенной поливариантной системы".

Личный вклад автора. Автором совместно с научным руководителем разработана физико-математическая модель распределения нагрузки на спицы и стержни аппарата Илизарова, с помощью которой удалось связать жесткость костного регенерата и величину нагрузки на стержни аппарата Илизарова [2, 3, 8, 11]. Также в соавторстве разработан и защищен патентом на изобретение РФ аппаратно-программный комплекс для оценки состояния костного регенерата [4, 9, 10]. Автором лично проанализирован ряд исследований и открытий в смежных областях, благодаря чему был выведен относительный критерий окончания восстановления костного регенерата [1, 5-7]. В соавторстве проведены экспериментальные испытания разработанного АПК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения. Общий объем работы составляет 142 страницы, включая 55 рисунков, 2 таблицы, 8 страниц библиографии, содержащей 82 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение характеризует актуальность диссертации, цель и задачи работы, положения, выносимые на защиту, научную новизну работы, практическую ценность и реализацию результатов, апробацию работы, ее краткое содержание.

В первой главе приведен литературный обзор современных методов исследований костного регенерата и изменению его физических свойств в процессе операций чрескостного остеосинтеза. Более конкретно раскрыто исследование Егорова М.Ф. по определению микроподвижности костных отломков во время операций по исправлению варусных деформаций нижних конечностей. Дается экспериментально обоснованное экстремальное поведение микроподвижности костных отломков на заключительной фазе лечения.

Приводятся сведения о существующих клинических способах диагностики состояния костного регенерата, а также о существующих разработках в этой области в России и за рубежом. Отмечается практически полное отсутствие на рынке удобных для применения в ортопедической практике аппаратно-программных комплексов, способных отслеживать состояние костного регенерата во время процесса излечения переломов нижних конечностей на основе объективных показателей.

По итогам обзора и анализа путей определения состояния костного регенерата было решено выбрать его осевую жесткость в качестве информативного параметра. С учетом этого и из рассмотренного материала становится ясно, что для создания АПК для определения состояния костного наиболее целесообразно пойти по пути модернизации и компьютеризации самого аппарата Илизарова.

Во второй главе содержатся методика и результаты математического моделирования нагрузки на спицы аппарата Илизарова со стороны костного отломка. Для проведения данного моделирования используется представление спицы аппарата Илизарова в качестве тонкого стержня, закрепленного с двух сторон и испытывающего продольно-поперечные нагрузки (рисунок 1).

Ьв ¿г

Рисунок 1 — Система «спица - кольцо - костный регенерат» (1 - костный отломок; 2 - спица;3 - костный регенерат;4 - кольцо)

Математической основой служит уравнение продольно-поперечного изгиба из курса сопротивления материалов:

йН М*(г)

■ — /е2ъ> =

(1)

с^2 " ' Е]х

В данном уравнении V = у (г) - прогиб спицы аппарата Илизарова, Мх (г) - мо-

1 2 Р

мент поперечной нагрузки в сечении с координатой г, к. = —— , где Р - попе-

Е1х

речная нагрузка, Е - модуль Юнга, .1Х - момент инерции спицы относительно главной центральной оси X:

_ тгс?4 1х~ 64 '

где с1 - диаметр спицы.

Решение уравнения (1) имеет следующий вид:

$Ък2 1 Г М:(0)

у(г) = и(0)сккг + г/(0) + £] - в)

йв.

Учитывая, что на спицу действуют сосредоточенные силы N], N2 и распределенная нагрузка q, проводя дальнейшие математические преобразования, находится величина прогиба спицы v(z):

v(z) = Ц^A(z), (2)

где q(z) - распределенная нагрузка на спицы со стороны костного отломка. Функция A(z)в (2) также зависит от длины участка спицы в костном отломке, общей длины спицы и абсцисс начала и конца костного отломка.

Если фиксировать некоторое сечение z = гфИКС = const, то формула (2) преобразуется к виду:

^фикс = ^ А, (3)

где константа А будет зависеть только от антропометрических параметров пациента и конкретных для проведенной операции биотехнических данных аппарата Илизарова. В тоже время, если учитывать сопротивление костного регенерата на поздних этапах лечения (стадия фиксации), то формула (3) преобразуется следующим образом:

Щикс = С4)

где/- распределенная сила сопротивления со стороны костного регенерата. Так как расчет ведется для стадии излечения, в которой костный регенерат является упругим, то силу сопротивления можно выразить законом Гука как:

^сопр = сх = fh,

где с - жесткость костного регенерата на сжатие, х - деформация костного регенерата, /¡-длина спицы в костном отломке. Исходя из построенной выше модели и цепочки рассуждений, прогиб спицы на участке, непосредственно прилегающем к кости, должен быть равен деформации регенерата на этом участке, т.е. Уфшс = х. Учитывая это и преобразуя (4), в итоге было получено выражение для жесткости костного регенерата в зависимости от времени:

г* тд P(-hl + h

c(t) = 7,—т--л-' (5)

ТфиксШ А

где т - масса пациента, g - ускорение свободного падения, hj и h2 — длина участков первой и второй спицы в костном отломке (рассмотрена конфигурация аппарата Илизарова с двумя спицами).

При опоре на аппарат Илизарова сила тяжести пациента полностью компенсируется реактивными силами опоры со стороны стержней аппарата Илизарова и костного регенерата, т.е.

п

тд - Fconp = ^ fy = nR, (=i

где R - реакция опоры со стороны стержня, и-количество стержней.

Если для регистрации сил, действующих на стержни аппарата Илизарова, использовать какой-либо датчик с линейной характеристикой (например, тен-зометрический датчик силы), т.е. U~R = aR, где U - значение напряжения с

датчика, а - коэффициент характеристики датчика, то тогда параметр Гфикс(0 можно выразить через напряжение:

_ АпЦ( О

Тфикс^ - ар(/11 + ^у

Подставляя это выражение в (5), в итоге получаем аналитическую зависимость напряжения с датчика (сигнальный параметр) от жесткости костного регенерата:

Р^ + ЬХатд-пиф)

С(с)=-ш®-• (б)

Следует также отметить, что были получены аналогичные формулы и для более общего случая, когда реакции опоры стержней не одинаковы.

Построенная физическая модель нагружения костного регенерата была связана с экспериментальными данными, полученными в ходе исследования репаративной регенерации костной ткани, проведенным Егоровым М.Ф. и другими, на основании которого впоследствии был получен диплом за научное открытие № 218. Суть исследования сводилась к исследованию микроподвюкно-сти костных отломков в процессе лечения (рисунок 2).

0,6 !

10 15 20 25 30 35 продолжительность в сутках

Рисунок 2 - Динамика средней микроподвижности отломков костей

Результаты экспериментальных исследований Егорова позволили выявить три характерные особенности:

1) происходит резкое (в абсолютном большинстве в течение 4-5 дней) падение микроподвижности костных отломков после 27 — 31 дня лечения;

2) имеется большой разрыв в показателях микроподвижности (в 10 и более раз) между максимальным и минимальным ее значением;

3) происходит стабилизация показателей микроподвижности после завершения резкого падения.

Объединяя эти три особенности, был сформулирован критерий окончания преобразования костного регенерата в костную ткань:

Ц(Утах) _ Углах _ ^тах „

С к >ю, ии-и^^Е,

- и2\ < Е,

где К - критерий окончания процесса оссификации регенерата, 11тах - максимальное значение напряжения, С/ - текущее значение напряжения, £//и 1/2 - значения напряжения при последующих измерениях, е - малое отклонение. Т.о., для оценки состояния костного регенерата могут использоваться два независимых параметра - его осевая жесткость (в сравнении с жесткостью здоровой кости) и относительный критерий К.

В заключительной части второй главы приводится алгоритм определения жесткости костного регенерата, а также общая помощь врачу-ортопеду со стороны аппаратно-программного комплекса. За основу был принят стандартный "врачебный алгоритм" при проведении операций чрескостного остеосинтеза:

1) компрессия костных отломков;

2) коррекция;

3) дистракция (если необходима);

4) фиксация;

5) снятие аппарата Илизарова.

На первом этапе данного алгоритма АПК помогает врачу поддерживать оптимальную силу компрессии костных отломков в размере 100 - 200 Н/см2. Расчет силы компрессии становится возможным при наличии датчиков силы и знания площади стыка отломков (на основе рентгенограммы или приблизительным расчетом).

На этапе коррекции осуществляется репозиция костных отломков, костный регенерат на данной стадии почти не сопротивляется воздействию внешних сил, поэтому стержни аппарат Илизарова принимают на себя всю нагрузку. Амплитуда напряжения с датчиков в случае 4-х стержней должна составлять

4 4

На этапе дистракции АПК может отслеживать силу сопротивления растяжению со стороны костного регенерата и мягких тканей. Основной задачей ортопеда на данном этапе является щадящее воздействие на регенерат, не перерастягивая его и не оставляя его надолго без нагрузки. При наличии автоматических дистракторов данный процесс можно полностью автоматизировать, используя разработанную программу. При ее работе аппаратно-программный комплекс периодически рассчитывает так называемое напряжение релаксации (текущее напряжение регенерата), и управляет работой автодистракторов.

Последний этап чрескостного остеосинтеза - это фиксация. Физиологически на данном этапе происходит минерализация регенерата и формирование костной ткани, которая по прочности на несколько порядков больше, чем начальный регенерат. Именно на данном этапе происходит резкий скачок жесткости костного регенерата, и на основании значений критерия К и осевой жесткости регенерата с принимается решение о снятии аппарата Илизарова.

Итогом второй главы является алгоритм работы программной части разрабатываемого АПК, построенный на основе физической модели нагружения костного регенерата и экспериментальных исследованиях Егорова М.Ф., а также порядок взаимодействия ортопеда с данным комплексом.

В третьей главе описываются основные шаги по синтезу аппаратно-программного комплекса. Для определения конечных характеристик АПК, к нему в начале главы выдвигаются основные требования, такие как помощь врачу на всех этапах процесса восстановления костной ткани, причем в первую очередь на заключительных этапах; предоставление врачу данных о текущей механической прочности зоны состыковки костных отломков (осевой жесткости костного регенерата) на этапах дистракции и фиксации; простота монтажа и др. Эти требования обусловлены как спецификой операций чрескостного остео-синтеза, так и общей эргономикой и удобством работы с АПК врачей-ортопедов.

Собственно для синтеза структуры АПК применяется алгоритм блочно-функционального распределения (БФР). На основе описанных выше условий составляется начальная категорная диаграмма системы:

ПКР -З^ВД, (8)

где ПКР - параметры костного регенерата; ВД - выходные данные для врача-ортопеда (текущая жесткость костного регенерата, напряжение в стержнях, критерий К); ср - морфизм, подразумевающий целый ряд преобразований ввиду особенностей параметров костного регенерата.

Напрямую измерить параметры костного регенерата нельзя, необходимо выполнить несколько предварительных преобразований. Поэтому категорная диаграмма преобразуется к следующему виду:

ПКР--*ВД

А А <9)

Здесь введены следующие обозначения:

Д] - данные о текущей нагрузке на стержни аппарата Илизарова в электрическом виде; фэл - морфизм, адекватный преобразованию силовой нагрузки в электрический вид;

Д2 - предварительно подготовленные данные в электрическом виде для удобства дальнейшего анализа; фпп - морфизм, адекватный приведению данных в удобный для работы с ними вид;

Дз - приведенные нужным образом данные о текущей силовой нагрузке в стержнях аппарата Илизарова в цифровом виде; фаш - морфизм, адекватный аналого-цифровому преобразованию приведенных нужным образом данных; Д4 - объединенные данные со всех измерительных каналов; ф0 - морфизм, адекватный объединению данных с измерительных каналов в специальный массив данных;

ВД - выходные данные для врача-ортопеда; фалГ - морфизм, адекватный алгоритмам нахождения параметров костного регенерата на основе упакованных данных со всех измерительных каналов.

Используя дальше алгоритм БФР, категорная диаграмма (9) расширяется за счет детализации объектов морфизма. Детализация проводится с учетом уже общеизвестных решений в теории построения измерительных систем. После проведения детализации строится граф структуры системы для двухканального варианта АПК (рисунок 3):

д1 ф( у, ацп,

Рисунок 3 - Граф структуры измерительной системы

Введены следующие обозначения узлов: Д - датчик i-ro канала, Ф( - фильтр i -го канала, У, - усилитель i - го канала, АЦД - аналого-цифровой преобразователь i - го канала (i = 1, 2), МК - управляющий микроконтроллер, И - интерфейсный контроллер. В дальнейшем, следуя алгоритму БФР, проводится оптимизация данного графа путем поиска наименьшего множества внешней устойчивости. Результатом оптимизации является итоговая структура АПК, на основе которой строятся концептуальные схемы системы с проводным и беспроводным интерфейсами.

Заключительная часть главы 3 посвящена подбору конкретных комплектующих частей полученной концептуальной схемы из имеющихся на рынке. Так, в качестве сенсорной части системы предлагается использовать тензомет-рические датчики силы, ввиду их невысокой цены, хороших показателях, высокой степенью совместимости с аппаратом Илизарова. Для проектируемой системы были выбраны тензодатчики Dacell и U2B, АЦП ADS1232 фирмы Texas Instruments, микроконтроллер NXPLPC 2387 фирмы Phillips с интегрированным контроллером интерфейса USB 2.0 для проводного интерфейса или BLE112 от BlueGiga для поддержки беспроводного протокола Bluetooth 4.0 ULP (ultra-low power).

Итогом третьей главы является синтезированная оптимальная структура АПК в двух вариантах - беспроводном и проводном, вплоть до указания конкретных компонентов данной системы, а также блок-схема программного обеспечения, позволяющая ортопеду управлять комплексом и анализировать полученные данные. Концептуальная схема аппаратно-программного комплекса приведена на рисунке 4.

Аппарат Илизарова

Рисунок 4 - Концептуальная схема АПК

В четвертой главе основное внимание уделено метрологическому анализу проектируемого аппаратно-программного комплекса. При этом используется теория аналитико-алгоритмического описания измерительных процессов, разработанная Цветковым Э.И.В соответствии с этой теорией, на первой стадии исследования формируется измерительная ситуация и строится измерительное уравнение.

В качестве исходной структуры, на основе которой можно формировать измерительное уравнение, используется структура информационных потоков по графу (рисунок 1), который является следствием схемы измерительного комплекса с проводным интерфейсом:

71 —кд1 —к-ацгп —»-к-мк -ко-красч-► к, (10)

У2 -Кдг -*" Ядцпг *

где - информационные потоки, подающиеся на вход АПК; Кд1,да - преобразование действующей силы на первый и второй стержень аппарата Илизарова в электрическую разность потенциалов, с помощью тензо-датчиков;

К-ацш, ацп2 - аналого-цифровое преобразование значений напряжения с первого и второго датчика соответственно;

К-мк - считывание данных от АЦП микроконтроллером и передача их единым потоком в модуль обработки данных программного обеспечения; Ло - обработка входящих данных программным обеспечением; К-расч - расчет параметров лечения, а именно: текущего напряжения в стержнях аппарата Илизарова,текущей компрессии зоны регенерации,текущей осевой жесткости костного регенерата и критерия окончания процесса регенерации костной мозоли К;

X - выходной информационный поток, представляющий собой набор параметров лечения.

На основание полученного графа (10) составляется измерительное уравнение аппаратно-программного комплекса (АПК):

h — ^РАСЧ^О^МК I

ЧЯАЦП2Кд2у2(0'

Используя уравнение (11), рассчитывается полная погрешность АПК. Она будет складываться из суммы погрешностей по каждому измерению:

ЛХ1 (0 = ДЯД( (О + ЛЛдцп, СО + ДА МК(0 + ДЛ0 СО + ДЛрдсч СО- (12)

При этом инструментальная погрешность выражается как

АК

инстр j

СО = ДА.Д, СО + ДАдцп, со+дх мкСО+ДА0 СО,

а методическая 4Аметод СО = ДАрасч СО-

Дальнейшая часть главы 4 посвящена прямому нахождению значений погрешности на каждом этапе измерения, исходя из параметров используемых элементов.

Все рассчитанные значения погрешностей отображены в таблице 1:

Название элемента Инструментальная погрешность, % Методическая погрешность, % Общая погрешность, %

Тензодатчик иММ (40 кг пациент) 6.5 0 6.5

АЦПАОв1232 0.014 510"4 0.014

Микроконтроллер + модуль обработки 0 0 0

Сила компрессии 7.4 10 17.4

Относ.критерий К (40 кг пациент) 10.6 неизвестна 10.6

Жесткость регенерата (70 кг пациент) 0 7.4 7.4

Итогом четвертой главы является полный метрологический анализ АПК с учетом конкретных выбранных конструктивных элементов. Помимо этого, проанализирована связь погрешностей с массой пациента и конструкцией аппарата Илизарова, приведены рекомендации по выбору датчиков, а также расчет методический погрешностей основных критериев оценки хода лечения.

В пятой главе рассмотрена экспериментальная часть данной работы и практическое испытание прототипа разработанного аппаратно-программного комплекса. Данные испытания проводились в ходе обычных операций чреско-стного остеосинтеза нижних конечностей у пациентов ЗАО "Да-Винчи". Экспериментальная установка имела следующий состав:

1) Аппарат Илизарова на оперированной нижней конечности с двумя тензо-метрическими датчиками в стержнях, подключенными к измерительному блоку;

2) Измерительный блок, содержащий микропроцессор, АЦП и другую необходимую электронику, подключенный к мобильному компьютеру через интерфейс USB;

3) Мобильный компьютер Acer с установленным программным обеспечением, разработанным для управления комплексом и анализа данных. Основная технология проведения эксперимента состояла в периодическом съеме данных с датчиков при полной опоре пациентов на оперированную конечность. Данные снимались у 4-х пациентов, начиная с этапа компрессии и вплоть до снятия аппарата Илизарова. Для управления аппаратной частью ком-

15

плекса, создания карт пациентов, съемом необходимых данных и расчетом критериев оценки состояния костного регенерата использовалось специально разработанное программное обеспечение на базе возможностей .NET Framework 4.0, написанное на языке программирования С#. Данное ПО позволяет прослеживать изменение нагрузки на аппарат Илизарова со стороны пациента на протяжении всего хода лечения. Некоторые технические характеристики комплекса указаны в таблице 2.

Таблица 2

Наименование характеристики Значение

Измеряемые усилия компрессии, Н от 0 до 2000*

Разрешающая способность по оценке модуля Юнга костной ткани, кПа ~3*

Минимально допустимая масса пациента, кг 30

Напряжение питания, В 5

Размеры, см (Д х Ш х В) 12 х 5 х 2

* - в зависимости от используемых датчиков

В ходе эксперимента было исследовано поведение костного регенерата у 4-х людей в процессе чрескостного остеосинтеза за все время послеоперационного выздоровления и у 6-х людей, находившихся на стадии фиксации (рисунок 5). Все эти эксперименты показали, что на стадии фиксации действительно происходит резкое падение напряжения, свидетельствующее об окончании процесса оссификации костного регенерата. При этом всегда выполнялось условие окончательного формирования костного регенерата (7), что говорит об адекватности данного критерия в оценке восстановления механических свойств костного регенерата.

Рисунок 5 - Экспериментальные графики нагрузки для 2-х пациентов

Помимо вывода графика значений напряжения с датчиков и расчета критерия К, для каждого пациента было рассчитано изменение осевой жесткости костного регенерата в ходе лечения. Ее график также быстро возрастает ближе к концу лечения, однако, в отличие от графика напряжения с датчиков, это происходит более сглажено и с ярко выраженным трендом. В целом, у всех исследованных пациентов костный регенерат восстанавливал свои механические свойства (К > 10, модуль юнга кости ~ 25ГПа) примерно за 7 - 10 дней до предполагаемого срока. Данный факт позволяет врачам ортопедам снимать аппарат Илизарова раньше, уменьшая таким образом шанс возникновения воз-

можных осложнений, связанных с длительным пребыванием металлических спиц в организме пациента.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Получено аналитическое выражение для текущей осевой жесткости костного регенерата в зависимости от параметров пациента, аппарата Илизаро-ва и напряжения с датчиков. Помимо этого, на основании экспериментов Егорова М.Ф. и построенной физико-математической модели нагружения зоны костного регенерата, выведен относительный критерий К, значение которого позволяет судить о завершении процесса оссификации костного регенерата. Также сформирован общий алгоритм работы с АПК на всем протяжении лечения.

2. С помощью алгоритма блочно-функционального распределения получена оптимальная структура АПК, позволяющего достичь заявленных целей. Разработан как проводной, так и беспроводной вариант реализации, приведена общая структура АПК как без, так и совместно с автодистракторами. С учетом выдвинутых требований к АПК, оптимальным расположением его измерительной части являются стержни аппарата Илизарова. Помимо этого, осуществлен и обоснован выбор конкретных частей АПКиз имеющихся на рынке.

3. В результате проведения метрологического анализа показана зависимость инструментальной погрешности от выбранного диапазона тензометриче-ских датчиков и параметров пациента и аппарата Илизарова, приведены рекомендации по правильному подбору таких датчиков. Также проанализированы все источники погрешности, в результате чего полная относительная погрешность расчета осевой жесткости костного регенерата не превышает 7.5%, а относительного критерия К - 10.6% .

4. Проведенные эксперименты с участием людей (10 человек), а также анализ экспериментальных данных Егорова М.Ф. (30 человек) показали адекватность выбранного относительного критерия К и осевой жесткости костного регенерата для оценки степени завершения процесса оссификации костного регенерата. Полученные результаты свидетельствуют о более раннем восстановлении (на 7-10 дней) механических свойств у регенерата, чем это можно заметить на стандартных рентгенограммах. Отсутствие осложнений у пациентов также позволяет утверждать о правильности измерения компрессионных сил отломков на стадии компрессии аппаратно-программным комплексом. Эти параметры позволяют врачам-ортопедам контролировать ход операции чрескост-ного остеосинтеза на всем ее протяжении (а не только в момент выполнения контрольных рентгенограмм), и точно определять момент безопасного снятия аппарата Илизарова.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Русаков С.А. Методика оценки состояния костного регенерата [Текст] / Ю.П.Муха,

А.С.Баринов, С.А.Русаков // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2010

г.- №6,- С.66-70.

2. Русаков С.А. Построение физической модели нагружения костного регенерата в процессе чрескостного остеосинтеза [Текст] / С.А.Русаков // Известия ВолгГТУ. Серия «Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь». - 2012. - Вып.6. -С.82-85.

3. Русаков С.А., Муха Ю.П. Методика определения осевой жесткости костного регенерата [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. -2013. - № 2; URL: http://www.science-education.ru/108-9144 (дата обращения: 13.05.2013).

4. Аппарат для оценки степени восстановления костной ткани [Текст]: пат. 2396900 Рос. Федерация: МПК А61В5 /05 / Баринов A.C., Воробьев A.A., Муха Ю.П., Гольдреер М.М., Русаков С.А., Литовкин Р.В., Пономарев A.C.; заявитель и патентообладатель ООО «Центр антропометрической косметологии и коррекции», Волгоградский государственный технический университет; заявл. 04.04.2008; опубл. 20.08.2010, Бюл. № 28. - 1 с.

Статья и материалы конференций:

5. Методика оценки состояния костного регенерата [Текст] / С.А.Русаков, С. А.Безбородов // Докл. на 66-й научно-практической конференции молодых ученых с междун.участием. - Волгоград, 23-25 апреля 2008 г.

6. Методика оценки состояния костного регенерата [Текст] / Ю.П.Муха, А.С.Баринов, С.А.Русаков // Докл. на IX междунар. конференции «Распознавание - 2010». - Курск, 2010 г.

7. Категорная модель коленного сустава [Текст] / Ю.П.Муха, С.А.Безбородов, С.А.Русаков // Волгоградский научно-медицинский журнал. - № 37. - Волгоград, 2013 г.

8. Получение аналитической зависимости осевой жесткости костного регенерата в процессе чрескостного остеосинтеза нижних конечностей [Текст]/ Ю.П.Муха, С.А.Русаков // Докл. на междунар. заочной научно-практической конференции «Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности». - Тамбов, 31 января 2013 г.-С.92-93.

9. Концепция аппаратно-программного комплекса для оценки состояния костного регенерата [Текст] / Ю.П.Муха, С.А.Русаков // Докл. на междунар. заочной научно-практической конференции «Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности». - Тамбов, 31 января 2013 г.- С.90-91.

10. Методика и аппаратно-программный комплекс для оценки состояния костного регенерата [Текст] / Ю.П.Муха, С.А.Русаков // Докл. на 2-й междунар. научно-практической конференции «Инновационные информационные технологии». - Чехия, Прага, 22-26 апреля 2013 г. - С. 58-60.

11. Математическая модель нагружения костного регенерата в процессе чрескостного остеосинтеза нижних конечностей [Текст] / Ю.П.Муха, С.А.Русаков // Докл. на 2-й междунар. научно-практической конференции «Инновационные информационные технологии». - Чехия, Прага, 22-26 апреля 2013 г. - С.60-63.

Подписано в печать 06.11.2013 г. Заказ № 739. Тираж 100 экз. Печ.л. 1,0 Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная.

Отпечатано в типографии ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, Волгоград, просп. им. В.И.Ленина, 28, корп. №7.

04201455636

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Русаков Сергей Александрович

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ КОСТНОГО РЕГЕНЕРАТА ПРИ ЛЕЧЕНИИ КОНЕЧНОСТЕЙ С ПОМОЩЬЮ

АППАРАТА ИЛИЗАРОВА

05.11.16-Информационно-измерительные и управляющие системы

(в машиностроении).

05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения.

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук профессор Ю.П. МУХА

Волгоград - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...........................................................................................................................4

Глава 1. Обзор методов и средств для оценки состояния.........................................11

костного регенерата.......................................................................................................11

1.1. Описание предметной области..............................................................................11

1.2 Выбор наблюдаемого параметра............................................................................16

1.3. Анализ методов и измерительных средств для оценки состояния....................17

костного регенерата.......................................................................................................17

1.4. Постановка задачи..................................................................................................30

Глава 2. Методика измерения жесткости костного регенерата................................32

2.1 Физико-математическая модель нагружения костного регенерата...................32

2.2 Анализ модели нагружения костного регенерата................................................45

2.3 Алгоритм определения жесткости костного регенерата.....................................49

Глава 3. Синтез аппаратно-программного комплекса (АПК) для определения механических характеристик. Использование метода...............................................59

3.1 Построение графа структуры АПК.......................................................................59

3.2 Оптимизация графа структуры АПК.....................................................................69

3.3 Оптимизированная структура АПК......................................................................75

Глава 4. Метрологический анализ аппаратно-программного комплекса для оценки нагрузки на стержни аппарата Илизарова и расчета жесткости костного регенерата.......................................................................................................................90

4.1 Измерительное уравнение аппаратно-программного комплекса.......................90

4.2 Уравнение полной погрешности аппаратно-программного комплекса............93

4.3 Анализ уравнения полной погрешности...............................................................94

Глава 5. Экспериментальный анализ.........................................................................117

5.1 Описание экспериментальной установки...........................................................117

5.2 Описание эксперимента........................................................................................118

5.3 Анализ результатов эксперимента.......................................................................125

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Список литературы.................................

Введение

Актуальность исследования. Биологическая костная ткань обладает замечательным свойством (называемым остеогенез) восстановления массива кости при его разрушении (разделении) или даже удлинения первоначального размера любого сегмента конечности, что используется в реконструктивной ортопедии для лечения переломов, исправления деформаций и удлинения конечностей. Соединенные после разрушения части костного сегмента образуют в зоне контакта мягкую прослойку - регенерат, жесткость которого в статическом состоянии изменяется во времени практически от нуля и до уровня жесткости здоровой кости.

Определение состояния костного регенерата в месте повреждения конечности является актуальной проблемой ортопедии, решение которой позволило бы проводить более точную диагностику состояния восстанавливаемой конечности, костного регенерата, что в свою очередь привело бы к сокращению послеоперационного периода и уменьшило количество послеоперационных осложнений.

В существующих на сегодняшний день клинических технологиях проведения операций чрескостного остеосинтеза отсутствует объективный и постоянный контроль за состоянием костного регенерата, все определяется на основе субъективных оценок врача - ортопеда. Это объясняется отсутствием технических средств, позволяющих осуществлять такой непрерывный контроль. В результате не редки случаи разрыва костного регенерата при запоздалой дистракции (растяжении костных фрагментов), формирование неполноценного дистракционного костного регенерата при слишком ранней дистракции и различные осложнения при затягивании сроков нахождения пациентов в аппаратах Илизарова. Отсюда вытекает необходимость контроля дистракционных усилий со стороны костного регенерата во время перемещения костных

фрагментов, а также расчета численного значения осевой жесткости костного регенерата с целью определения момента безопасного снятия аппарата Илизарова.

Немногочисленные работы исследователей по созданию устройств для измерения усилий компрессии и дистракции, определению состояния костного регенерата, а также для широкого внедрения автоматической дистракции к сожалению, не трансформировались из стадии научных интересов в законченные системы для конвенционального использования. Главная причина такого положения - недостаточность методологических, технических и конструктивных проработок, сложность применения в обыденных условиях врачами ортопедами.

Таким образом, весьма актуальными являются исследования по широкому кругу вопросов, связанных с оснащением конвенциональных аппаратов внешней фиксации измерительно-вычислительными средствами и системами автоматической дистракции, а также определение состояния костного регенерата на основе измеренных и производных расчетных параметров, удобных для использования в рутинной практике врача ортопеда.

Решение этих вопросов составляет основу для создания инструмента нового класса - аппаратно-программного комплекса, предоставляющего ортопеду-травматологу достаточный для объективного метода лечения объем сведений о состоянии костного регенерата.

Степень разработанности темы исследования. Темой исследования процесса восстановления костного регенерата занимались несколько групп исследователей. За рубежом для этой цели итальянской фирмой СГПЕРРЕ был создан специальный измерительный комплекс Б., МапёпоН М., 1991).

Однако данный комплекс был способен измерять только угловую жесткость регенерата, что сильно ограничивало его использование в медицинской практике.

В России также предпринимались попытки создания измерительных систем для сопровождения операций по чрескостному остеосинтезу. Так, в Ростовском государственном медицинском университете был создан так называемый очувствленный аппарат Илизарова (Голубев В.Ш., Лазико В.Р. и др., 2005). Однако данный комплекс ориентирован на отыскание координат центра тяжести

сечения костных фрагментов, а не на непосредственную оценку состояния регенерата. Другой важной работой в этой области является комплекс CTS (Compression-Traction System, Шуц Б.С., 2002). Данный комплекс позволял определить относительное положение . костных отломков, однако анализ состояния костного регенерата на нем затруднен из-за некоторых конструктивных недостатков (ручная изготовка и калибровка датчиков) и отсутствия четких методик по определению осевой жесткости регенерата на конечной стадии фиксации. Помимо создания этих комплексов, в РФ было проведено исследование по определению микроподвижности отломков большеберцовой кости (Егоров М.Ф. и др., 1999), которое выявило наличие скачкообразного роста жесткости костного регенерата на заключительной фазе лечения. Однако данный факт впоследствии не нашел широкого применения.

Помимо модификации самих аппаратов внешней фиксации, следует отметить джоульметрический метод (Волчихин В.И., Геращенко С.И., 2008), который основан на определении работы электрического тока, проходящего через регенерат. Основной его недостаток заключается в дополнительной травматизации зоны роста костного регенерата.

В качестве объекта исследования выбран процесс оссификации костного регенерата и связанное с ним изменение силовых нагрузок в конструкции аппарата Илизарова.

Предмет исследования. Методы построения измерительных систем для оценки состояния костного регенерата.

Целью работы является разработка аппаратно-программного комплекса (АПК) для исследования процесса восстановления нижних конечностей во время чрескостного остеосинтеза, а также разработка методики и выработка измеряемых критериев оценки состояния костного регенерата с целью определения момента безопасного снятия аппарата Илизарова с высокой точностью, позволяющего избежать послеоперационных осложнений..

Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:

1. Исследованы существующие диагностические способы анализа состояния костного регенерата.

2. Разработана математическая модель нагружения зоны костного регенерата в течение операции чрескостного остеосинтеза.

3. Получена аналитическая зависимость осевой жесткости костного регенерата от измеряемых силовых параметров конструкции аппарата Илизарова и от времени.

4. Разработан критерий оценки состояния костного регенерата.

5. Разработана оптимальная конструкция АПК для определения жесткости костного регенерата, с его помощью проведены исследования процесса восстановления костного регенерата во время операций чрескостного остеосинтеза.

6. Подтверждена адекватность выработанного критерия состояния костного регенерата на основе экспериментальных данных.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теория сопротивления материалов, теория синтеза сложных систем, теория аналитико-алгоритмического описания измерительных процессов.

Научная новизна.

1. Получена аналитическая зависимость осевой жесткости костного регенерата от текущих силовых параметров аппарата Илизарова, основанная на рассчитанной математической модели нагрузки зоны стыка костных отломков, позволяющая выразить состояние костного регенерата в виде функции текущих силовых воздействий на опорные элементы аппарата Илизарова со стороны пациента, параметров пациента и аппарата Илизарова в количественной форме.

2. Выведен критерий оценки состояния костного регенерата, основанный на полученных значениях осевой жесткости костного регенерата, экспериментальных исследованиях Егорова М.Ф. и справочных данных о жесткости здоровой кости, позволяющий оценить текущее состояние костного

регенерата в фазе фиксации на основе объективных количественных показателях, а не на основе субъективного анализа рентгеновских снимков врачом ортопедом.

3. Разработана структура АПК, включающего тензометрические датчики силы или оптоволоконные датчики растяжения-сжатия, 2 (4) 24-х разрядных сигма-дельта аналого-цифровых преобразователя и управляющий микроконтроллер (ARM7 или TI MSP430), совместимый с персональным компьютером по проводному (USB 2.0) или беспроводному интерфейсу (Bluetooth 4.0 ULP), и позволяющего определить с помощью разработанного программного обеспечения силу компрессии костных отломков на стадии компрессии, текущую осевую жесткость костного регенерата в фазе фиксации, а также момент завершения процесса восстановления костного регенерата.

Научная и практическая ценность. Практическая ценность работы состоит в разработке законченного варианта АПК для оценки состояния костного регенерата, который может быть использован в практике отделений травматологии и ортопедии медицинских учреждений для повышения эффективности чрескостного остеосинтеза при лечении переломов и устранении деформаций болынеберцовой кости и других костных сегментов опорно-двигательного аппарата. Помимо этого, использование данного АПК совместно с разработанной методикой оценки степени восстановления костного регенерата позволит детально отслеживать процесс восстановления костной ткани во время операций чрескостного остеосинтеза, основываясь не только на данных рентгенологических исследований.

Реализация результатов работы. АПК внедрен в работу медицинской компании "Да Винчи" г. Волгоград, оказывающей услуги по проведений операций чрескостного остеосинтеза. Имеется соответствующий акт о внедрении.

Достоверность полученных результатов при решении поставленных задач обеспечивается применением современных технических средств, методов исследования. Экспериментальная часть работы выполнена с применением рентгеновского аппарата Digital Diagnost фирмы Philips и 4-х срезового компьютерного томографа General Electric, использованных для стандартной

диагностики состояния костного регенерата, также был проведен метрологический анализ разработанного аппаратно-программного комплекса. Теоретическая часть работы основана на применении математических выводов, не противоречащих общей физической картине зоны стыка костных отломков.

На защиту выносятся следующие положения:

1) Физико-математическая модель нагрузки зоны костного регенерата, основанная на представлениях о продольно-поперечном изгибе материалов, позволяющая получить аналитическое выражение для жесткости костного регенерата.

2) Аппаратно-программный комплекс, построенный на основе измерений сил в стержнях аппарата Илизарова с учетом эффекта скачкообразного роста жесткости регенерата, дающий возможность определить величину нагрузки в зоне костного регенерата и значение жесткости костного регенерата.

Апробация результатов. Материалы работы докладывались на инновационном форуме "Инновации - будущее сегодня" (г. Нижний Новгород, 2010); научных конференциях ВолгГТУ (г. Волгоград, 2009 - 2011 гг.); научной конференции в рамках фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (г.Волгоград, 2010 - 2011 гг.); 66-й научной конференции ВолгГМУ (г. Волгоград, 2008 г.); научной конференции «Распознавание - 2010» (г. Курск, 2010 г.); научно-практической конференции «Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности» (г.Тамбов, 2013 г.); международной научно-практической конференции «Инновационные информационные технологии» (Чехия, г.Прага, 2013 г.); научных семинарах кафедры «Вычислительная техника» ВолгГТУ (г.Волгоград, 2008-2012 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 работы в журналах из списка, рекомендованных ВАК, и 7 работ в других изданиях. Также получен один патент на изобретение.

Соответствие паспорту специальности.

Содержание диссертации соответствует паспорту специальности 05.11.16 -"Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)",

а именно: пункту 6 "Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений" и паспорту специальности 05.11.17 - "Приборы, системы и изделия медицинского назначения", а именно: пункту 1 "Исследование, разработка и создание медицинской техники, изделий, инструментов, методов и способов диагностики и лечения человека, которые рассматриваются как средства восстановления нарушенной поливариантной системы".

Личный вклад автора. Автором совместно с научным руководителем разработана физико-математическая модель распределения нагрузки на спицы и стержни аппарата Илизарова, с помощью которой удалось связать жесткость костного регенерата и величину нагрузки на стержни аппарата Илизарова [2, 3, 8, 11]. Также в соавторстве разработан и защищен патентом на изобретение РФ аппаратно-программный комплекс для оценки состояния костного регенерата [4, 9, 10]. Автором лично проанализирован ряд исследований и открытий в смежных областях, благодаря чему был выведен относительный критерий окончания восстановления костного регенерата [1, 5-7]. В соавторстве проведены экспериментальные испытания разработанного АПК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения. Общий объем работы составляет 142 страницы, включая 55 рисунков, 2 таблицы, 8 страниц библиографии, содержащей 82 наименования.

Глава 1. Обзор методов и средств для оценки состояния

костного регенерата

1.1. Описание предметной области

Пожалуй, проблема лечения переломов конечностей существует со времен появления человечества. В разное время эту проблему решали по-разному - от применения самых примитивных средств фиксации костных фрагментов (например, гипса) до современных фиксаторов, составляющих самостоятельные группы - аппараты внешней и внутренней фиксации. Помимо переломов, аппараты внешней фиксации также применяются в косметических операциях по изменению длины и формы нижних конечно�