Разработка конструкции и технологии изготовления элементов ортопедического корсета поясничного отдела позвоночника с параболоидными пружинами

Предлагаем читателям выдержки из работы студента Дениса Негребы, выполненной под руководством к.т.н., доцента Я.Н. Гаращенко и к.м.н., с.н.с. А.А. Левшина на кафедре «Интегрированные технологии машиностроения» Харьковского политехнического института. Данная работа была представлена на проходивший в 2012 году XIII конкурс студенческих работ на именные премии компании Delcam и благодаря своей неординарности заняла одно из двух первых мест. В качестве награды Денис Негреба был приглашен на полугодичную стажировку в головной офис компании Delcam в Бирмингем (Великобритания), где он сможет улучшить навыки практической работы с CAD/CAM/CAI-решениями семейства Power Solution и расширить теоретические знания, полученные в университете.

В поясничный отдел позвоночника входят, в том числе, пять самых крупных позвонков — L1–L5 (рис. 1), на которые приходится большая часть веса тела. Межпозвоночные диски позвоночника человека являются своего рода амортизаторами, которые со временем изнашиваются или подвергаются дистрофическим изменениям. В результате человек приобретает заболевания, создающие ему дискомфорт и ограничивающие его физические возможности. Например, развитие такого заболевания, как поясничный остеохондроз, может быть вызвано поднятием тяжести из неправильного положения с наклоном вперед и вытянутыми вперед руками — при таком положении нагрузка на поясничный отдел позвоночника возрастает на порядок!

Рис. 1. Поясничный отдел позвоночника

В случае возникновения дегенеративных изменений межпозвоночных дисков возможны два пути лечения: хирургическое вмешательство (с установкой искусственных межпозвоночных дисков) или консервативное лечение с применением ортопедических корсетов. В настоящее время при лечении различных болезней позвоночника часто используют жесткие или полужесткие ортопедические корсеты, которые предназначены для снижения нагрузок на больные позвоночно­двигательные сегменты позвоночника, а следовательно, способствуют восстановлению поврежденных участков и предотвращают дальнейшее развитие патологии.

Одним из главных недостатков жестких или полужестких ортопедических корсетов (существуют также пневматические ортопедические корсеты. — Прим. ред.) является значительное изменение прижимающих усилий даже при незначительном изгибе позвоночника. Это связано с использованием в конструкции корсетов пластиковых и металлических упругих элементов, обладающих сравнительно небольшой величиной допустимой деформации и не позволяющих обеспечивать постоянные усилия на заданные участки грудопоясничного или пояснично­крестцового отделов. Названные особенности корсетов снижают эффективность лечения вследствие возникновения ряда негативных факторов, а именно: нарушения локального кровообращения (из­за пережатия внутренних сосудов) и дыхательного цикла, а также раздражения кожи (вызванного как плохой циркуляцией воздуха под корсетом, так и аллергическими реакциями на используемые материалы).

В Украине одним из ведущих институтов в области ортопедии и травматологии является ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов» им. М.И. Ситенко АМН Украины (ГУ «ИППиС»), в клиниках которого применяются современные технологии лечения заболеваний и повреждений позвоночника и суставов. Данным институтом совместно с НТУ «Харьковский политехнический институт» в рамках Договора по научно­техническому сотрудничеству был впервые в Украине разработан динамический ортопедический корсет с регулируемой фиксацией поясничного отдела позвоночника, основным требованием к которому было обеспечение динамического (равномерного) давления на отделы позвоночника при наклонах туловища.

В данной работе была поставлена задача создания полужесткого корсета с упругими элементами типа фасонной параболоидной пружины. В процессе сжатия такой пружины с определенного момента происходит посадка витков на опорную плоскость и меняется ее жесткость. Правильный подбор характеристик образующих корсет параболоидных пружин позволил обеспечить минимальное изменение нагрузки на отделы позвоночника при изменении положения позвонков, возникающего в результате наклона туловища. Упругие элементы корсета действуют на позвоночник перпендикулярно его оси, не создавая дополнительных усилий в осевом направлении. Благодаря этому даже при малых углах наклона нагрузка на позвоночник от корсета заметно снижается.

Необходимые параметры пружины определялись силой ее воздействия на требуемый участок отдела позвоночника. У среднестатистического человека позвонки в поясничном отделе имеют относительный угол наклона 8­10°. В задаче определения межпозвоночных сил и моментов рассматривался наиболее нагруженный межпозвоночный диск между позвонками L4 и L5. При этом в качестве опоры был принят позвонок L4, а L3 — воздействующим на него элементом. Угол между нагруженными вертикальной силой позвонками составляет порядка 10°, поэтому сжимающая нагрузка от верхней части тела составляет приблизительно 400­500 Н, а сдвигающая сила — около 110 Н. Позвоночник сохраняет вертикальное положение благодаря паравертебральным мышцам, которые дополнительно сжимают позвоночник с некоторым усилием.

Из серии испытаний и расчетов было установлено, что требуемое усилие для одной пружины должно составлять 30­80 Н, поэтому в качестве расчетного было принято усилие в 50 H. Материал пружины был выбран исходя из условий обеспечения долговечности и постоянства ее формы — наиболее подходящей и отвечающей требуемым условиям эксплуатации является конструкционная рессорно­пружинная сталь 55С2.

Зависимость изменения осадки пружины от диаметра проволоки и действующей силы была проанализирована в математическом пакете MATLAB. Анализ показал, что для заданного диапазона изменения внешней силы лучше всего подойдет пружина из проволоки диаметром 2,5 мм.

Рис. 2. 3D-модель фасонной параболоидной пружины

Проектирование фасонной параболоидной пружины (рис. 2) выполнялось на основе расчетных значений параметров в CAD­системе PowerSHAPE.

Для крепления пружин на тканевой основе корсета и обеспечения равномерного воздействия непосредственно на мягкие ткани тела предусмотрено создание фиксирующих подложек. С целью обеспечения высоких прочностных характеристик и долговечности подложки изготавливаются из АБС­пластика. На внешней подложке было предусмотрено четыре радиально расположенных паза для фиксации пружины, а также 18 отверстий для крепления подложки нитками к тканевой основе корсета. Конструкция воздействующей подложки создана исходя из соображений равномерности распределения усилий на мягкие ткани тела. Она имеет на рабочей поверхности 13 отверстий, необходимых для оптимального распределения усилий и фиксации на теле, что снижает вероятность сдвига упругих элементов и улучшает работу конструкции в целом. Собранный упругий элемент, состоящий из пружины с установленными на нее внешней и воздействующей подложками, показан на рис. 3.

Рис. 3. Упругий элемент корсета в сборе

Для поверочного анализа в CAE­системе CosmosWorks 3D­модель упругого элемента была экспортирована в нейтральный формат Parasolid. Для упрощения расчета и построения более качественных эпюр завивка проволоки в пружине была исключена. На рис. 4 показана расчетная сетка, а на рис. 5 — цветовая карта возникающих напряжений по Мизесу.

Рис. 4. Расчетная сетка

Рис. 5. Цветовая карта напряжений по Мизесу (макс. значение — 917,3 MPa)

Сравнительная оценка результатов вычислений в MATLAB и CosmosWorks выполнялась путем сравнения максимальных деформаций пружины. По результатам вычислений в программном комплексе MATLAB перемещение (сжатие) витков при приложенной нагрузке в 50 Н составило 54,1 мм, а в CAE­системе CosmosWorks — 57,2 мм. Относительная погрешность при этом составила 5,7%, что подтверждает правильность выполненных расчетов.

Фасонная параболоидная пружина изготавливается при помощи специальной разборной оправки (рис. 6) для завивки проволоки на токарном станке. При проектировании оправки необходимо учитывать необходимость фиксации проволоки и возможность снятия готовой пружины после процесса навивки.

Рис. 6. Собранная оправка для навивки пружины

Для литья подложек упругих элементов корсета из АБС­пластика были спроектированы пресс­формы, а для их обработки в CAM­системе PowerMILL разработаны управляющие программы.

Трехмерная модель созданного ортопедического корсета в сборе с упругими элементами и опорными подложками представлена на рис. 7.

Рис. 7. 3D-модель корсета в сборе

Рис. 8. Расположение рабочей площадки корсета на теле человека

Компьютерная визуализация расположения рабочей площадки корсета в области поясничного отдела на теле человека представлена на рис. 8.

Элементы конструкции изготавливались на базе научно­технического комплекса Национального технического университета «Харьковский политехнический институт», ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов» им. М.И. Ситенко НАМНУ и Национального научного центра «Харьковский физико­технический институт» машиностроительного предприятия «Харьковский авиационный завод».

По результатам исследовательской работы подана заявка на получение патента на динамический ортопедический корсет с регулируемой фиксацией поясничного отдела позвоночника (заявка № u 2012 62170 от 25.06.2012 г.). В настоящее время экспериментальный образец разработанного корсета проходит клинические испытания в ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов» им. М.И. Ситенко АМН Украины.

САПР и графика 3`2013