Способ регистрации биомеханических свойств позвоночника и устройство для его реализации

Способ регистрации биомеханических свойств позвоночника и устройство для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к медицине, а именно к вертебрологии, и может найти применение в диагностике заболеваний позвоночника.

Известен способ исследования костной ткани на основе ультразвуковой эхоостеометрии, заключающийся в том, что механические свойства костной ткани исследуются путем измерения скорости распространения в ней ультразвука на различных участках кости, для чего прием сигналов осуществляется несколькими датчиками, расположенными на определенном расстоянии друг от друга (а.с. СССР №1159556, А 61 В 8/00, 1983).

Способ ультразвуковой эхоостеометрии обладает рядом недостатков, в том числе:

- диагностическая информация в значительной степени зависит от импеданса параоссальных тканей;

- ультразвуковые колебания для костной ткани являются подпороговыми и быстро затухают, что не позволяет исследовать многозвенные кинематические структуры;

- не вызывают появления рефлекторного ответа на механический раздражитель.

Известен способ определения биомеханических свойств позвоночника путем проведения рентгенологических функциональных проб, заключающийся в том, что проводится изучение структур позвоночного столба путем выполнения рентгенографии в различных функциональных положениях [1].

Недостатками способа являются:

- невозможность проведения количественного анализа биомеханических свойств позвоночника в различных сегментах при стандартной выбранной нагрузке;

- локальность обследования, связанная с определенной анатомической зоной позвоночника;

- высокая лучевая нагрузка, связанная с необходимостью выполнения серии снимков;

- дороговизна исследования, затрудняющая ее использование при наблюдении больных в динамике, в том числе и с профилактическими обследованиями в амбулаторной практике.

Известен способ посмертного определения прочностных свойств губчатой кости позвонков путем формирования из тела позвонка фрагментов губчатой кости с последующим определением максимального усилия, необходимого для сжатия образцов в горизонтальном или вертикальном направлении, с определением величины деформации от сжатия. После этого определялся модуль упругости образцов костной ткани [2].

Недостатками способа является то, что его невозможно использовать применительно к живому человеку, так как образец необходимо извлечь из костной ткани тел позвонков, и после исследования образец разрушается.

Наиболее близким к предлагаемому является «способ определения амортизационных свойств опорного аппарата человека», заключающийся в том, что амортизационные свойства опорно-двигательного аппарата определяют посредством механического воздействия с последующей регистрацией отраженных изменений со стороны костной ткани с установкой датчиков над костными ориентирами, минимально прикрытыми мягкими тканями и максимально удаленными от сухожилий, ориентация датчиков осуществляется по кратчайшему расстоянию от дистальной до проксимальной точки распространения вибраций тела на исследуемом сегменте с определением амортизационных свойств по степени гашения сотрясательных колебаний тела исследуемого между двумя сейсмодатчиками, причем колебания возбуждают посредством приподнимания на носки с последующим резким опускании на пятки.

Недостатками способа являются:

- при его реализации невозможно обеспечить точность и повторяемость условий воздействия;

- ударное воздействие, осуществляемое на опорно-двигательный аппарат предлагаемым способом, является слабым и быстро затухает;

- ударное воздействие передается на позвоночник через пояс нижних конечностей и кости таза, что создает большое количество помех и артефактов, так как известно, что пяточный жир, капсульно-связочные аппараты суставов нижней конечности, крестцово-подвздошные суставы обладают выраженными демпфирующими свойствами;

- акустические характеристики правой и левой нижней конечности отличаются в силу различных анатомических параметров, поэтому механический импульс доходит до позвоночника не симметрично, что снижает информативность метода;

- не анализируются растяжение позвоночника и рефлекторный компонент ответной реакции организм на оказываемое воздействие, в то время как это важные диагностические параметры.

Таким образом, применение данного метода мало информативно по отношению к позвоночнику, так как ударное воздействие не дозированное, очень слабое и подается на позвоночник не симметрично с правой и левой нижней конечности.

Аналогом предлагаемого устройства является ультразвуковой, частотно-сканирующий эхоостеометр, основанный на регистрации скорости распространения механических колебаний в костной ткани. Эхоостеометр содержит: аналогово-цифровой преобразователь, вход которого подключен к выходу усилителя, управляющее вычислительное устройство, группа входов которого соединена с группой информационных выходов АЦП, информация с которого поступает на постоянное запоминающее устройство. Эхоостеометр является высокочувствительным, так как в него введены усилитель, АЦП и постоянное запоминающее устройство, что позволяет проводить количественную оценку состояния костной ткани (а.с. СССР №2076635, А 61 В 8/08, 1984).

Недостатком устройства является то, что его затруднительно использовать в исследовании биомеханических свойств позвоночника, так как излучатели трудно адаптировать с неровными контурами апофизов позвонков. Применение устройства ограничено локальностью проводимого исследования, отличается большой энергоемкостью, требует присутствия врача. Кроме того, устройство отличается дороговизной.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для исследования воздействия вибрационных нагрузок на биологические объекты. Устройство включает: вибровозбудитель на основании, сейсмодатчики, согласующие и измерительные усилители, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), который имеет линии связи с ЭВМ. Устройство позволяет передавать вибрационные воздействия на организм человека в положении сидя, в последующем производится измерение механического импеданса тела при помощи сейсмодатчиков, расположенных в месте контакта тела с опорой, на голове и верхней конечности испытуемого [4].

Недостатками ближайшего аналога устройства является то, что описываемый исследователями механический импеданс и комплексные частотные функции характеризуют лишь распределение вибрационного воздействия в организме и не имеют физиологической интерпретации, поскольку вибрационное воздействие не является адекватной нагрузкой для опорно-двигательной системы, с которой человек встречается только в техногенно созданных условиях. Анализируемая авторами зависимость амплитуды и фазы колебаний различных частей тела от частоты осуществляемого вибрационного воздействия варьирует в широких пределах, поэтому не может быть истолкована как источник диагностической информации. При помощи описанного устройства невозможно осуществить растяжение позвоночника и зафиксировать рефлекторный компонент ответной реакции организма.

Таким образом, ни один из рассмотренных способов и устройств для формирования тестовых проб на позвоночник человека не реализует требуемых адекватных воздействий, ни в одном из них не обеспечивается синхронизация воздействия и запись ответов, что не позволяет выполнить постоянство условий тестирования и полное извлечение информации. Дополнительной проблемой является восстановление стандартных условий для приведения устройства в рабочее состояние перед очередной тестовой пробой.

Целью изобретения является создание способа для повышения точности диагностики биомеханических свойств позвоночника.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе регистрации биомеханических свойств опорного аппарата человека, заключающемся в том, что осуществляются механические воздействия с последующей регистрацией отраженных изменений со стороны костной ткани, при помощи сейсмодатчиков, расположенных на остистых отростках позвонков и костях черепа, согласно способу возбуждение механических колебаний в позвоночнике производится путем мгновенного устранения опоры при помощи сбрасывающего механизма, предназначенного для неподвижно сидящего на нем обследуемого, причем в качестве тестового воздействия используют как собственную массу обследуемого, взводимую на определенную высоту, так и массу обследуемого, доведенную до стандартно выбранных величин при помощи навешиваемых на пациента дополнительных грузов, после чего сравнивают механические отклики, расположенные в тестируемых точках между собой и с эталонными, посредством чего судят о биомеханических свойствах позвоночника.

Для реализации способа было разработано устройство, состоящее из основания, выполненное с возможностью размещения на нем обследуемого в сидячем положении, с размещенными на нем сейсмодатчиками, соединенными с измерительной аппаратурой, согласно изобретению на основании расположены подвижная и неподвижная створки, связанные между собой шарниром, между створками расположен ограничитель подвижности и магниты, соединенные с гибкими тягами и синхронизатором записи данных измерительной аппаратуры.

На фиг.1 представлено предлагаемое устройство в разобранном виде. На Фиг.2 представлено устройство в собранном виде. На Фиг.3 - устройство в активном состоянии. На Фиг.4 - устройство после устранения опоры сбрасывающего механизма. Фиг.5, 6, 7 - сбрасывающий механизм. Фиг.8 - расположение пациента на устройстве перед обследованием. Фиг.9 - механический отклик с сейсмоприемника, расположенного на подвижной створке устройства: А - момент устранения опоры, В - фаза свободного падения, С - восстановление реакции опоры, D - фаза квазистатического воздействия. Фиг. 10 - схема устройства.

Устройство содержит подвижную створку 1, металлический диск (ограничитель подвижности створок) 2, стержень 3 (шарнир), неподвижную створку 4, основание 5 (Фиг. 1), постоянные магниты 6, синхронизатор 7, гибкие тяги 8 (Фиг. 6). Сейсмодатчики, расположенные на коже в проекции теменных костей черепа 9, сейсмодатчики, расположенные на коже в проекции остистых отростков позвонков 10, сейсмодатчик, расположенный на подвижной створке устройства - 11, усилитель 12, аналогово-цифровой преобразователь 13, электронно-вычислительная машина 14.

Реализация способа осуществляется следующим образом: пациенту объясняют смысл исследования, после чего его усаживают на подвижную створку устройства 1, находящегося в активированном состоянии, показанном на фиг.8. Неподвижно сидящего пациента «сбрасывают» с определенной безопасной высоты, например 1-2 см, в результате чего, с момента исчезновения реакции опоры, при сохраненном контакте тела с поверхностью, до его восстановления возникает многокомпонентное механическое воздействие на позвоночник. Характер осуществляемого воздействия изображен на фиг.9. После устранения опоры таз с нижней половиной туловища и нижними конечностями, под действием силы тяжести, устремляется вниз, в то время как на голову по-прежнему действует сила инерции покоя, в результате чего позвоночный столб удлиняется подобно пружине - фаза растяжения. Во вторую фазу происходит восстановление силы реакции опоры подвижной створки устройства. В момент контакта подвижной створки устройства, на которой размещен обследуемый, с поверхностью осуществляется дозированное квазистатическое восходящее, механическое воздействие. Энергия воздействия передается по структурам позвоночного столба. Третья фаза связана с тем, что голова и верхняя часть туловища, продолжающая движение под действием силы тяжести, после восстановления веса тела, вызывают сжатие позвоночника во всех отделах, в результате чего его длина становится меньше, чем в состоянии покоя. При этом контакт пациента с поверхностью подвижной створки сохраняется в течение всего времени воздействия, поэтому осуществляемое при помощи предлагаемого способа воздействие во вторую фазу является не ударным, а квазистатическим. В момент восстановления опоры механическое воздействие передается непосредственно на подвижную створку устройства, которое в свою очередь передает его на ветви седалищных костей таза, контактирующих с ней. Воздействие передается на обе седалищные кости единовременно с одинаковой силой, что трудно осуществить каким-либо другим способом. Механические отклики, принимаемые сейсмодатчиками, расположенными на остистых отростках позвонков и костях черепа, фиксируют процессы передачи осуществляемого воздействия по структурам позвоночного столба. Впоследствии осуществляется усиление и анализ сигналов, полученных с датчиков, с последующей обработкой полученных сигналов при помощи аналого-цифрового преобразователя, подключенного к ЭВМ. О биомеханических свойствах позвоночника судят на основании данных, полученных в процессе расшифровки механических откликов по времени появления и их амплитудной характеристике (Фиг. 11-14). Подобные сложные движения позвоночника возникают в процессе ходьбы, поэтому предлагаемый способ наиболее близок к физиологическим нагрузкам. Масса тела человека является «адекватной» нагрузкой для позвоночника, и именно поэтому используется в качестве источника тестового воздействия (Фиг.10). После пробы с собственной массой вес тела доводится до определенной стандартной величины, например 80 кг, в случае, если обследуется взрослое население. При помощи размещения на обследуемом дополнительных грузов в определенных точках туловища, что позволяет проанализировать биомеханические свойства позвоночника в условиях дополнительной нагрузки и, при необходимости, стандартизировать воздействие. При этом масса дополнительных грузов равна Σm=80кг-m_об (m_об - масса обследуемого). После этого производится сравнивание полученных параметров между собой и с эталонными. За эталонный показатель принимаются данные, полученные при обследовании здоровых лиц соответствующего пола, возраста и конституции.

Приводим пример механических откликов, полученных при обследовании взрослого пациента, не имеющего в анамнезе повреждений и заболеваний позвоночника. Началом записи параметров с сейсмодатчиков является сигнал, поступивший с синхронизатора. На Фиг.11 представлен механический отклик с сейсмодатчика, расположенного на теменных костях черепа обследуемого. Механический оклик содержит 3 фазы: фаза А - фаза растяжения, которая характеризует эластоупругие свойства связочного аппарата и составляет 0,07±0,005 с; фаза В - регистрирует механический импульс прошедший по позвоночнику, характеризует механические свойства костных структур, длительность 0,15±0,005 с, амплитуда (Dmax) 25±2 мВ. Фаза С - рефлекторный компонент ответной реакции, время появления 0,08 с, длительность 0,02 с, амплитуда 10±2 мВ.

На Фиг.12-14 представлены механические отклики с сейсмодатчиков, расположенных на коже в проекции остистых отростках 4 поясничного, 12 грудного и 6 шейного позвонка соответственно. Отклики анализировались по времени появления, максимальной и средней амплитуде.

На фиг 12 представлен механический отклик с сейсмодатчика, расположенного на коже в проекции остистого отростка 4 поясничного позвонка. Время появления 0,01±0,005 с, максимальная амплитуда 460±5 мВ, средняя амплитуда 200 мВ. На Фиг. 13-12 грудной позвонок: время появления 0,03=1=0,005 с, максимальная амплитуда 170±5 мВ, средняя амплитуда 50 мВ. На Фиг.14 представлен механический отклик с сейсмодатчика расположенного на коже в проекции остистого отростка 6 шейного позвонка. Время появления 0,06±0,005 с, максимальная амплитуда 45±5 мВ, средняя амплитуда 15 мВ.

Описанное сложное механическое воздействие может быть точно дозировано только в случае, когда удается воспроизвести с заданной точностью закон изменения реакции опоры. В конкретном случае реакцию опоры необходимо устранить мгновенно (скачкообразно) и затем мгновенно восстановить ее через время задержки. Рассмотренные прототипы способа и устройства не имеют в своем составе средств реализации указанных требований к воздействию. В качестве такого средства манипуляции опорой необходимо устройство, практически мгновенно устраняющее реакцию опоры. Наиболее эффективно в качестве переключающих устройств работают механические системы с «катастрофами» типа сборки [5]. В качестве примера можно привести изгибающийся стержень, нагружаемый вдоль оси. Если в определенный момент хотя бы незначительно изогнуть стержень, то он мгновенно теряет устойчивость. Не менее важно точное восстановление начальных условий эксперимента и точная синхронизация записи ответных сигналов с моментом переключения реакции опоры, для обеспечения повторяемости условий осуществляемого воздействия.

Устройство работает следующим образом: на массивном основании, цилиндрической формы 5, с которой неподвижно соединен жесткий металлический лист 4, являющийся неподвижной створкой, с которым в свою очередь по типу книжки, при помощи шарнира, состыкован второй металлический лист 1, обладающий регулируемой подвижностью во фронтальной плоскости. Между створками 1 и 4 размещен ограничитель подвижности створок 2, неподвижно соединенный с нижней створкой 4. На фиг.2 изображено устройство в собранном виде. Устройство переводится в активное состояние путем взведения подвижной створки 1 на определенную высоту, которая удерживается при помощи сбрасывающего механизма, представляющего собой два магнитных стержня 6, которые подвижно соединены со створками устройства 1 и 4. На фиг.3 изображено устройство в активном виде. На фиг.4 представлен вид устройства после сбрасывания подвижной створки 1. На фиг.5, 6, 7 изображен сбрасывающий механизм. 1 - подвижная створка, 4 - неподвижная створка, 6 - два магнитных стержня, 7 - синхронизатор, 8 - гибкие тяги. Активация устройства производится при помощи перемещения тяг 8, которые вскоре нарушают равновесие состыкованных магнитов 6, в результате чего подвижная створка 1 теряет опору и обрушивается на металлический диск 2, фиг. 4, 7. Положение створок 1 и 4 и сбрасывающего механизма перед активацией изображено на фиг.6. Конечная фаза - фиг. 7. Тяга за нити 8 осуществляется, например, при помощи сердечника, дополнительно установленного электромагнита. После осуществления воздействия подвижная створка 1 вновь взводится на высоту, превосходящую длину магнитов 6, что показано на фиг.5, при этом концы магнитов 6 самопроизвольно и точно состыковываются, и створка 1 осторожно опускается, после чего устройство вновь готово для осуществления воздействия (Фиг.6). Для синхронизации работы устройства и измерительной аппаратуры на определенном расстоянии от магнитных стержней 6 сбрасывающего механизма расположен синхронизатор 7, например геркон, замыкание контактов которого происходит даже при незначительном изменении положения магнитов 6 от вертикали, что служит импульсом для начала записи параметров сейсмодатчиков, расположенных в тестируемых точках на пациенте и запускает регистрацию сигнала на ЭВМ. Характер осуществляемого воздействия контролируется при помощи датчика, который расположен на подвижной створке устройства, механический отклик которого приведен на фиг.9.

Таким образом, способ повышает точность диагностики биомеханических свойств позвоночника с возможностью воздействия на позвоночник обследуемого комплексного механического воздействия, которое включает растяжение, квазистатическое воздействие и сжатие. Подобное воздействие невозможно реализовать при помощи ранее существующих способов. Способ позволяет проанализировать как механические свойства костных структур позвоночника, так и эластоупругие свойства связочного аппарата. Предложенный способ позволяет регистрировать информативные параметры биомеханических свойств позвоночника, что позволяет до рентгенологического и инструментального обследования, зафиксировать как морфологические, так и функциональные аномалии, после чего, при необходимости, уже прицельно проводить дальнейшие диагностические мероприятия. Способ является неинвазивным, безвреден для больного и медицинского персонала, прост в осуществлении, доступен и не лимитирован количеством необходимых повторных исследований, что может быть использовано как в стационарных условиях, так и при скрининговых, диспансерных и профилактических обследованиях.

Устройство осуществляет мгновенное устранение реакции опоры, с формированием прямоугольного импульса ускорения. Обеспечивает достаточное по силе, дозированное многокомпонентное механическое воздействие. Сбрасывающий механизм позволяет восстанавливать стандартные начальные условия воздействия, что обеспечивает повторяемость. Полнота извлечения диагностической информации обеспечивается при помощи синхронизации начала воздействия с записью параметров при помощи измерительной аппаратуры.

Источники информации

1. Содофьева В.И. Рентгено-функциональная диагностика заболеваний опорно-двигательного аппарата у детей. // © Издательство «Медицина», Москва, 1986 г., стр.37-43.

2. Лавруков A.M., Томилов А.Б. Остеосинтез аппаратом внешней фиксации у больных с повреждениями и заболеваниями позвоночника. // Екатеринбург 2002. © A.M.Лавруков, А.Б.Томилов, стр.27-31.

3. Vasin R.A., Bakusov L.M., Nasirov R.V., Malkanov V.V. Method of functional biomechanical tests//Russian journal of biomechanics, №1-2:1998, p.58-63.

4. Дмитриев А.Е., Ляпин В.А., Потемкин Б.А., Романов В.И. Экспериментальные методы исследования воздействия ударных и вибрационных нагрузок на биологические объекты. Москва. // Тезисы докладов международной конференции «Достижения биомеханики в медицине» Рига, 12-15 сентября 1986 г. Медицинская биомеханика в 4-х томах. Том III, стр.117-123.

5. Арнольд В.И. Теория катастроф. М.: Изд. Московский университет. 1983. 80 с.

1. Способ исследования биомеханических свойств позвоночника, включающий тестовое механическое воздействие с возбуждением механических колебаний в позвоночнике и регистрацию механических откликов со стороны костной ткани при помощи сейсмодатчиков, расположенных на коже обследуемого в проекции остистых отростков позвонков и костях черепа, отличающийся тем, что возбуждение механических колебаний осуществляют путем мгновенного устранения опоры в сбрасывающем механизме, предназначенном для неподвижно сидящего на нем обследуемого, а регистрацию рефлекторных параметров проводят в фазы растяжения позвоночного столба, квазистатического воздействия на него и сжатия позвоночного столба как под действием собственной массы обследуемого, так и при размещении на нем дополнительных грузов, после чего зарегистрированные параметры сравнивают между собой и эталонными, по результатам сравнения определяют морфологические и функциональные свойства позвоночника.

2. Устройство для исследования биомеханических свойств позвоночника, содержащее основание, выполненное с возможностью размещения на нем обследуемого в сидячем положении, сейсмодатчики, выполненные с возможностью их расположения в тестируемых точках и соединенные с измерительной аппаратурой, отличающееся тем, что на основании расположены подвижная и неподвижная створки, связанные между собой при помощи металлического стержня, между створками расположен металлический диск, неподвижно соединенный с неподвижной створкой, и магниты, подвижно соединенные со створками и связанные с гибкими тягами, выполненными с возможностью активации устройства за счет их перемещения, и синхронизатором, выполненным с возможностью запуска измерительной аппаратуры.