Міцність та деформівність систем остеосинтезу з урахуванням властивостей ушкодженої кісткової тканини та її штучних замінників
| dc.contributor.advisor | Пискунов, Сергій Олегович | |
| dc.contributor.author | Мусієнко, Ольга Станіславівна | |
| dc.date.accessioned | 2023-03-06T09:47:07Z | |
| dc.date.available | 2023-03-06T09:47:07Z | |
| dc.date.issued | 2022 | |
| dc.description.abstracten | Musiienko O.S. Strength and deformability of osteosynthesis systems taking into account the properties of damaged bone tissue and its artificial substitutes. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Thesis for the scientific degree of the doctor of philosophy, the field of study 13 – Mechanical engineering, program subject area 131 – Applied Mechanics. National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2022. The dissertation is devoted to the study of the deformability and strength of osteosynthesis systems used in modern surgical practice for fixing gunshot and traumatic fractures of human bones: determination of the mechanical properties of bones under various conditions of loading, deformation and development of displacements in fractures under the action of short-time loads, taking into account the degradation and regeneration of bone fabrics. The content of the work is presented in four chapters, in which the main results of the dissertation are presented and substantiated. The introduction substantiates the relevance of the dissertation topic, formulates the purpose and tasks of the research, describes the research methods, provides information about scientific novelty and the practical significance of the obtained results. In the first chapter, an analysis of literary sources on the study of existing problems of osteosynthesis of traumatic and gunshot fractures is carried out. Fracture classifications and modern means of fixation are given. The existing methods of experimental research and computer modeling of means of fixation of fractures are considered. The main research areas of the dissertation work, which are based on the analysis of literary sources, are justified. The second chapter provides a description of the developed methods of experimental research, characteristics of experimental equipment, methods and means of implementing force loads and measuring deformations. Preparations of human bones used during the experiment are described. Programs and methods for determining the mechanical characteristics of bone tissue under various types of loads, humidity and temperature levels, as well as taking into account the influence of anisotropy, are presented. A technique was developed and equipment was created for measuring the degree of bone tissue degradation in the area of a gunshot wound, which is used to determine changes in the mechanical characteristics of bone tissue in linear areas of deformation. New methods of research on the strength and deformability of osteosynthesis systems for traumatic bone fractures are described, which take into account the characteristics of bone tissue, including its degradation in gunshot fractures and the development of regenerative bone tissue in the process of fracture fusion. New schemes for fixation of StAZF are proposed, which are aimed at improving the effectiveness of the course of treatment of gunshot and traumatic fractures. Experimental studies were performed on the universal testing machine TIRA-test 2151. The test modes were chosen as close as possible to the real modes of physiological loads: the actions of compressive, bending and torsional loads acting on the bone were studied. Deformations and displacements of points of damaged bones with osteosynthesis systems were compared with the corresponding characteristics of undamaged bones, which were previously tested under similar programs. Deformations of the system were determined through the indicators of the displacement sensor of the testing machine. The third chapter of the work presents the results of experimental research. The mechanical properties of bone tissue were calculated and the anisotropy of bone tissue characteristics was confirmed on the basis of experimental studies. The ratio of the modulus of elasticity in the direction of osteon orientation to the modulus in the direction perpendicular to the osteon orientation ranges from 1.14 to 4.02. Anisotropy of bone tissue behavior is also observed during relaxation and creep. It has been experimentally confirmed that the degree of wetting of the sample strongly affects its mechanical characteristics. Therefore, to obtain more reliable data, samples of bone tissue after extraction from the human body should be stored under conditions similar to those present in the human body. On the basis of experiments and calculations, it has been proven that bone tissue is a non-linear viscoelastic material. The dependence of the mechanical properties of bone tissue on their X-ray density has been determined, which makes it possible to create computer models with maximum approximation of the results to real ones. Modeling surgical intervention and predicting its results, using such models, allows to reduce the frequency of errors and complications in the reconstructive and restorative treatment of patients with the consequences of ankle joint damage. It was established that the area of bone tissue damage during a gunshot fracture reaches 40 mm from the fracture site, and changes in stiffness are up to 20% of the stiffness of an intact bone, which must be taken into account when securing rod devices for external fixation of fractures. It was determined that increasing the angle of inclination of the rods increases the stiffness of the system during compression, bending and torsion. A rational location of the rods is proposed, which takes into account the presence of areas of bone tissue degradation and compensates for the loss of stiffness in the case of a gunshot fracture. The deformation of the "bone with a fracture - a means of fixation" system at the stages of bone tissue regeneration under the action of compression and bending was studied. It was established that the formed regenerate significantly increases the stiffness of the system "bone with a fracture - bone regenerate - means of fixation" and the level of permissible loads on the system. The possibility of using polymer substitutes for regenerated bone during experimental bone research has been proposed and confirmed. A mathematical model was developed to take into account the contribution of the regenerate to the mutual displacements of the fracture points and to estimate the permissible loads on the bone. The levels of permissible loads that can be applied to the limb are calculated, taking into account the known permissible mutual displacements of the fracture points. The fourth chapter is devoted to the study of the stiffness characteristics of external fixation devices with different options for the location of the rods using the finite element method. Computer models of the "tibia - external fixation device" system were created in the SOLIDWORKS software complex, after which the geometric models of the systems were imported into the ANSYS CAE package. We considered 4 options for placing the rods of the studied model, which corresponds to the systems that were implemented in the experiment. Data from computer tomography images of these samples were used to build 3D bone models. The dimensions of the external fixation devices and their placement on the bone were obtained from full-scale experimental systems. The mechanical characteristics of bone tissue were obtained from the data of natural experiments. To determine the possibility of simplifying and speeding up the calculations, it was proposed to use a simplified geometry for the design of the tibial bone fixator when creating its finite element model. Therefore, during numerical modeling, calculations were carried out in three settings: volumetric, rod and beam. The boundary conditions are chosen in such a way that they correspond to the conditions under which real experimental studies are carried out. Thus, the lower part of the bone was rigidly fixed by the analogy of fixing the sample on the work table of the test rig. The research was carried out under three types of loads: compression, bending along the rods, bending across the rods and torsion. According to the results of the study, the rigidity of systems in volumetric, rod and beam structures was compared. The coincidence of the experimental results with the results of computer modeling in the ANSYS Workbench software complex is shown. It has been confirmed that the system with distant rods has the lowest stiffness, and the scheme with the rods arranged at an angle of 60 has the highest. A working mathematical model was obtained for the study of other load cases that cannot be investigated by experimental methods. | uk |
| dc.description.abstractuk | Мусієнко О.С. Міцність та деформівність систем остеосинтезу з урахуванням властивостей ушкодженої кісткової тканини та її штучних замінників. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 13 – Механічна інженерія за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2022. Дисертація присвячена дослідженню міцності та деформівності систем остеосинтезу, що застосовуються в сучасній хірургічній практиці для фіксації вогнепальних та травматичних переломів кісток людини: визначенню механічних характеристик кісток за різних умов навантаження, характеристик деформування та розвитку зміщень у переломах під дією короткочасних навантажень з врахуванням деградації та регенерації кісткової тканини. Зміст роботи складається з чотирьох розділів, у яких викладено та обґрунтовано основні результати дисертації. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі дослідження, описано методи дослідження, надана інформація про наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. У першому розділі проведено аналіз літературних джерел з дослідження існуючих проблем остеосинтезу травматичних та вогнепальних переломів. Наведено класифікації переломів та сучасних засобів фіксації. Розглянуто існуючі методи експериментальних випробувань та комп’ютерного моделювання засобів фіксації переломів. Обґрунтовано основні напрямки досліджень дисертаційної роботи, які базуються на аналізі літературних джерел. У другому розділі наведено опис розроблених методик експериментальних досліджень, характеристики експериментального обладнання, методи і засоби реалізації силових навантажень та вимірювання деформацій. Описано препарати кісток людей, які використовувались під час експерименту. Представлено програми та методику по визначенню механічних характеристик кісткової тканини при різних видах навантаження, рівнях вологості та температури, а також з врахуванням впливу анізотропії. Розроблено методику та створено обладнання для вимірювання ступеня деградації кісткової тканини в області вогнепального поранення, за допомогою якої визначено зміни механічні характеристики кісткової тканини на лінійних ділянках деформування. Описано нові методики досліджень міцності і деформівності систем остеосинтезу для травматичних переломів кісток, які враховують особливості кісткової тканини, включаючи її деградацію при вогнепальних переломах та розвиток регенеративної кісткової тканини в процесі зрощування переломів. Запропоновано нові схеми закріплення СтАЗФ, які спрямовані на покращення ефективності перебігу процесу лікування вогнепальних та травматичних переломів Експериментальні дослідження виконано на універсальній випробувальній машині TIRA-test 2151. Режими випробування вибирались максимально наближеними до реальних режимів фізіологічних навантажень: досліджувалися дії стискаючих, згинальних та крутильних навантажень, що діють на кістку. Деформації і переміщення точок пошкодженої кістки з системами остеосинтезу порівнювали з відповідними характеристиками непошкоджених кісток, які попередньо були піддані випробуванням за аналогічними програмами. Деформації системи визначали через показники датчика переміщень випробувальної машини. У третьому розділі роботи представлено результати експериментальних досліджень. Розраховано механічні властивості кісткової тканини і підтверджено анізотропію характеристик кісткової тканини на основі експериментальних досліджень. Відношення модулів пружності в напрямку орієнтації остеонів до модулів в напрямку, перпендикулярному до орієнтації остеонів, складає від 1,14 до 4,02. Анізотропія поведінки кісткової тканини також спостерігається при релаксації та повзучості. Експериментально підтверджено, що степінь зволоження зразка досить сильно впливає на його механічні характеристики. Тому для отримання більш достовірних даних, зразки кісткової тканини після вилучення з тіла людини потрібно зберігати за умов наближених тих, які наявні в тілі людини. На основі експериментів і розрахунків доведено, що кісткова тканина є нелінійно в’язко пружним матеріалом. Визначено залежність механічних властивостей кісткової тканини від їх рентгенологічної щільності, що дає можливість створювати комп’ютерні моделі з максимальним наближенням результатів до реальних. Моделювання хірургічного втручання та прогнозування його результатів, з застосуванням таких моделей дозволяє зменшити частоту помилок та ускладнень при реконструктивновідновлювальному лікуванні пацієнтів з наслідками пошкоджень гомілковостопного суглоба. Встановлено, що область розповсюдження пошкоджень кісткової тканини при вогнепальному переломі досягає 40 мм від місця перелому, а зміни жорсткості становлять до 20% від жорсткості інтактної кістки, що необхідно враховувати при закріпленні стрижневих апаратів зовнішньої фіксації переломів. Визначено, що збільшення кута нахилу стержнів підвищує жорсткість системи при стиску, згині та крученні. Запропоновано раціональне розташування стержнів, яке враховує наявність областей деградації кісткової тканини і компенсує втрату жорсткості при вогнепальному переломі. Досліджено деформування систем «кістка з переломом - засіб фіксації» на етапах регенерації кісткової тканини під дією стиску та згину. Встановлено, що утворений регенерат суттєво підвищує жорсткість системи «кістка з переломом – кістковий регенерат – засіб фіксації» та рівень допустимих навантажень на систему. Запропоновано і підтверджено можливість використання полімерних замінників регенерату при проведенні експериментальних досліджень кісток. Розроблено математичну модель для врахування внеску регенерату у взаємні зміщення точок переломів та оцінки допустимих навантажень на кістку. Розраховано рівні допустимих навантажень, які можна прикладати до кінцівки, з врахуванням відомих допустимих взаємних переміщень точок перелому. Четвертий розділ присвячений дослідженню характеристик жорсткості апаратів зовнішньої фіксації при різних варіантах розташування стержнів методом скінчених елементів. Комп'ютерні моделі систем «великогомілкова кістка – апарат зовнішньої фіксації» було створено в програмному комплексі SOLIDWORKS, після чого геометричні моделі систем імпортувались в CAE пакет ANSYS. Розглядалось 4 варіанти розміщення стержнів досліджуваної моделі, що відповідає системам, які реалізувались в експерименті. Для побудови 3D моделей кісток було використано дані зі знімків комп’ютерної томографії цих зразків. Розміри апаратів зовнішньої фіксації та їх розміщення на кістці було отримано з натурних експериментальних систем. Механічні характеристики кісткової тканини отримані за даними натурних експериментів. Для визначення можливості спрощення та пришвидшення розрахунків було запропоновано використання спрощеної геометрії для конструкції фіксатора великогомілкової кістки при створенні його скінченно-елементної моделі. Тому при чисельному моделюванні розрахунки проводили в трьох постановках: об’ємній, стержневій і балочній. Крайові умови обрані таким чином, щоб відповідали умовам при яких проводяться реальні експериментальні дослідження. Так, нижня частина кістки була жорстко закріплена за аналогією закріплення зразка на робочому столі випробувальної установки. Дослідження проводились при трьох видах навантажень: стиск, згин здовж стержнів, згин поперек стержнів і кручення. За результатами дослідження порівняно жорсткості систем в об’ємній, стержневій і балочній постановках. Показаний збіг результатів експерименту з результатами комп’ютерного моделювання в програмному комплексі ANSYS Workbench. Підтверджено, що найменшу жорсткість має система з віддаленими стержнями, а найбільшу - схема з розташуванням стержнів під кутом 60. Отримано робочу математичну модель, для дослідження інших випадків навантаження, які не можливо дослідити експериментальними методами. | uk |
| dc.format.page | 172 с. | uk |
| dc.identifier.citation | Мусієнко, О. С. Міцність та деформівність систем остеосинтезу з урахуванням властивостей ушкодженої кісткової тканини та її штучних замінників : дис. … д-ра філософії : 131 Прикладна механіка / Мусієнко Ольга Станіславівна. – Київ, 2022. – 172 с. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/53360 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | біомеханіка | uk |
| dc.subject | остеосинтез | uk |
| dc.subject | перелом | uk |
| dc.subject | жорсткість та міцність фіксації | uk |
| dc.subject | механічні характеристики кісток | uk |
| dc.subject | модуль пружності | uk |
| dc.subject | повзучість | uk |
| dc.subject | полімери | uk |
| dc.subject | полімерні замінники регенерату | uk |
| dc.subject | математична модель | uk |
| dc.subject | чисельне моделювання | uk |
| dc.subject | метод скінченних елементів | uk |
| dc.subject | властивості | uk |
| dc.subject | міцність | uk |
| dc.subject | напружено-деформований стан | uk |
| dc.subject | імітаційні моделі | uk |
| dc.subject | biomechanics | uk |
| dc.subject | osteosynthesis | uk |
| dc.subject | fracture | uk |
| dc.subject | stiffness and strength of fixation | uk |
| dc.subject | mechanical characteristics of bones | uk |
| dc.subject | modulus of elasticity | uk |
| dc.subject | creep | uk |
| dc.subject | polymers | uk |
| dc.subject | polymer substitutes for regenerate | uk |
| dc.subject | mathematical model | uk |
| dc.subject | numerical simulation | uk |
| dc.subject | finite element method | uk |
| dc.subject | properties | uk |
| dc.subject | strength | uk |
| dc.subject | stress-strain state | uk |
| dc.subject | simulation models | uk |
| dc.subject.udc | 620.17:616.71-001.5-089.2](043.3) | uk |
| dc.title | Міцність та деформівність систем остеосинтезу з урахуванням властивостей ушкодженої кісткової тканини та її штучних замінників | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Musiienko_dys.pdf
- Розмір:
- 4.97 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 9.1 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: