Biomechanika Inżynierska

Transkrypt

1 wykład 8 dr inż. Szymon Cygan Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej Politechnika Warszawska 1

2 i ortezy Proteza (ortopedyczna) W medycynie oznacza sztuczne zastąpienie / uzupełnienie brakującej części ciała lub narządu. Protetyka dziedzina wiedzy dot. wykonywania i stosowania protez. Jest to główny dział ortopedii, ale dotyczy również dziedzin takich jak stomatologia i biomechatronika Orteza Urządzenie wspomagające funkcjonowanie narządu ruchu kręgosłupa, kończyny, wybranych stawów etc. 2

3 i ortezy Najstarsza znaleziona i zidentyfikowana proteza należy do egipskiej mumii, pochodzi z 3000 r. p.n.e. 3

4 i ortezy Rozwój protetyki Napędzany wojnami (napoleońskie, secesyjna, wojny światowe, wietnamska itd.) Materiały i technologia 4

5 Ortezy Ortezami nazywamy różnorodne, indywidualnie dobrane i dopasowane konstrukcje techniczne, stosowane w celu poprawy stabilizacji, korekcji ustawienia lub odciążenia wybranych elementów narządu ruchu. Mogą być one wykorzystywane w przebiegu leczenia dysfunkcji lokalnych różnego pochodzenia, jak też dla poprawy funkcji w trwałym jej upośledzeniu. 5

6 Ortezy Ortezy: 6

7 Ortezy Ortezy: Kończyny górne: Kręgosłupa: Obojczyka i barku Obejmujące różne odcinki Ramienia Od samego szyjnego (np. halo Funkcjonalna orteza ramienia brace) Łokcia Po CTLSO (np. Milwaukee brace) Przedramię-nadgarstek Przedramię-nadgarstek-kciuk Przedramię-nadgarstek-ręka Ręka Specjalne ortezy kończyn górnych Kończyny dolne: Stopy (wkładki) AFO KAFO KO 7

8 Ortezy Ortezy: 8

9 Ortezy Ortezy: Unieruchamiające Ograniczające ruchomość Utrzymujące (stabilizujące) naturalną ruchomość 9

10 - podział: Ze względu na funkcje Kosmetyczne Mechaniczne Mioelektryczne Ze względu na miejsce amputacji Transradial proteza ręki poniżej łokcia: TR Transhumeral proteza ręki powyżej łokcia: TH Transtibial proteza nogi poniżej kolana: TT Transfemoral proteza nogi powyżej kolana: TF 10

11 kończyn dolnych: Celem procesu projektowego jest stworzenie urządzenia mechanicznego, które będzie wiernie naśladowało funkcje brakującego fragmentu kończyny. Antropomorfizm naśladowanie cech ludzkich. Proces wyboru funkcji, które proteza będzie zastępować jest procesem 'redukcji' niemożliwe jest zastąpienie wszystkich funkcji. 11

12 kończyn dolnych: Przywracają utracone funkcje motoryczne (w pewnym zakresie), ale zmieniają sposób przenoszenia obciążeń. Możliwość chodu jest podstawową funkcją, która jest zastępowana. Ciężar ciała (najczęściej) przenoszony jest z kości na protezę za pośrednictwem tkanek miękkich i skóry, co wywołuje dyskomfort i ból. W projektowaniu protez wyróżnia się dwa podejścia do tego problemu: 1. Bezpośrednie: poprawa i rozwój technologii budowy elementów łączących (gniazd) i ich współpracy z ciałem. 2.Pośrednie: skoncentrowane na projektowaniu elementów standardowych i ich wpływie na interfejs ciało-proteza. 12

13 rodzaje mocowania Mocowanie protezy ma kluczowe znaczenie przenosi siły z protezy na ciało (i odwrotnie). Wg niektórych mocowanie jest najistotniejszą częścią protezy. Musi być: Pewne Stabilne Wygodne Bezpieczne Rodzaje mocowań:??? 13

14 rodzaje mocowania Mocowanie protezy ma kluczowe znaczenie przenosi siły z protezy na ciało (i odwrotnie). Wg niektórych mocowanie jest najistotniejszą częścią protezy. Musi być: Pewne Stabilne Wygodne Bezpieczne Rodzaje mocowań: Zawór ssący Kołek blokujący Pasy/szelki Osteointegracja 14

15 rodzaje mocowania Pasy/szelki - Obecnie mało używane. Stosowane są tylko w przypadkach pacjentów, u których niemożliwe są inne sposoby montażu albo jako dodatkowe zabezpieczenie. 15

16 rodzaje mocowania Kołek blokujący mechaniczne połączenie protezy (wewnątrz gniazda) z np. silikonowym lejem. 16

17 rodzaje mocowania Zawór ssący - Kikut umieszczany w gnieździe wypycha powietrze zaworem zwrotnym dzięki temu tworzy się podciśnienie, które trzyma protezę na właściwym miejscu. 17

18 rodzaje mocowania Znaczenie kształtu leja 18

19 rodzaje mocowania Osteointegracja/osseointegracja (osseointegration) jest stosunkowo nową metodą. Nazywana bywa egzoprotezą (exoprosthesis) lub endoegzoprotezą (endo-exoprosthesis). Tytanowe śruby wprowadzone w kości kikuta Po zrośnięciu części endoprotetycznej (kilka miesięcy) mocowany jest element podporowy (łącznik?) wychodzący na zewnątrz ciała. Do łącznika mocowana jest proteza (demontowalna). Zalety metody: Lepsza kontrola mięśni Dłuższy czas użytkowania bez przerwy Umożliwia prowadzenie samochodu osobom z amputacją TF (femur kość udowa) Wady: Mniejsza obciążalność (szczególnie udarowa) 19

20 20

21 Etapy produkcji protezy z lejem (typowy proces): 1.Ocena amputacji i wstępna analiza możliwości fizycznych. 2.Pomiary ciała zarówno istniejących struktur jak i tego jakie wymiary powinny mieć brakujące fragmenty. 3.Odlew kikuta jako wzorzec do tworzenia protezy (najczęściej wykonywany z gipsu) 4.Tworzenie gniazda arkusz rozgrzanego tworzywa termoplastycznego tworzywa owija się wokół formy powstaje model gniazda. 5.Testowanie modelu gniazda - dzięki przeźroczystości protetyk sprawdza szczelność i dopasowanie modelu. 6.Formowanie gniazda 7.Wytwarzanie protezy elementy z tworzywa, metalu etc. istnieje wiele rozwiązań 8.Proteza jest montowana, regulowana i dopasowywane są elementy estetyczne. 9.Nauka obsługi, konserwacja i modyfikacje 21

22 i ortezy Wymagania 1. Materiały niepalne, nie emitujące gazów toksycznych. Jeśli w kontakcie z ludzkim ciałem biozgodne, nie alergizujące, niebrudzące, przebadane pod kątem wywoływania infekcji. Przebadane pod kątem stabilności właściwości. 2. Bezpieczeństwo elektryczne wskaźnik poziomu zasilania sygnalizujący utratę zdolności do pracy. Jeśli występują elektrody wykonana analiza ryzyka. 3. Temperatury w przypadku zasilania energią zewnętrzną emitowana energia cieplna musi być absorbowana (usuwana) tak, aby nie wystąpiło ryzyko poparzenia. 4. Elementy ruchome wszystkie elementy ruchome muszą być osłonięte celem zapobieżenia urazom. Złącza przewodów muszą być zabezpieczone przed przypadkowym rozłączeniem. 22

23 i ortezy Wymagania 5. Konstrukcja urządzenia protetyczne i ortotyczne oddziałują na tkanki ze znacznymi siłami. Elementy powinny być zaprojektowane tak, aby zabezpieczać przed nadmiernym naciskiem / ciśnieniem. Ryzyko mechaniczne powinno uwzględniać: Niszczenie komórek tkanki w wyniku ograniczenia odżywiania lub niedotlenienia, Uszkodzenie tkanki w wyniku procesów zmęczeniowych, Uszkodzenie tkanki w wyniku otarcia, Uszkodzenie na skutek koagulacji termicznej. 6. Oznakowanie powinno odnosić się do odpowiednich norm i specyfikacji oraz warunków pracy (poziomu i warunków obciążania). ISO 22523, załączniki: A badania wytrzymałości protez kończyny górnej B badania wytrzymałości stawu kolanowego protezy kończyny dolnej C badania łatwopalności i toksyczności D metody wyznaczania sił i momentów wymaganych do operowania urządzeniem. 23

24 Wykonanie leja protezowego: Zarówno mocowanie z kołkiem jak i zaworem ssącym wymaga leja protezowego. Indywidualnie wykonany lej musi być dopasowany do kikuta, żeby możliwie równomiernie przenosić obciążenia. Lej_protezowy_goleni TSB.pdf 24

25 Elementy standardowe : Stopy Stawy kolanowe Adaptory rurowe Adaptory przesuwne Amortyzatory Osłony kosmetyczne 25

26 Stopy: Odtworzenie skomplikowanej motoryki podczas chodu. Stopa naturalna aktywnie uczestniczy w chodzie hamuje i wymusza zgięcia grzbietowe i podeszwowe. Ew. protetyka estetyczna Dobór na podstawie: Wagi Aktywności Wieku i płci 26

27 Stopy: Powinny charakteryzować się niską wagą, zapewniać dobrą gospodarkę energią magazynowanie i oddawanie energii podczas chodzenia, co umożliwia wygodny i naturalny chód. Pacjentom o niskim poziomie aktywności, zwłaszcza osobom starszym, zalecane są stopy sztywne typu SACH (Solid Ankle Cushion Heel ) lub stopy jednoosiowe stopy o sztywnej konstrukcji wykonane z tworzywa sztucznego z drewnianymi elementami. Bardzo aktywnym osobom zalecane są stopy z systemem absorpcji wstrząsów. 27

28 Stopy: Przykład rolling joint 1. Śruba regulująca sztywność początkową 2. Piszczelowa powierzchnia przetaczania 3. Poduszka elastyczna 4. Skokowa powierzchnia przetaczania katalog 'stopy' 28

29 Stawy kolanowe: Odtworzenie skomplikowanej motoryki podczas chodu. Naturalny staw kolanowy czynnie uczestniczy w procesie chodu zgina się i blokuje. Bezpieczeństwo Ew. protetyka estetyczna Dobór na podstawie: Wagi Aktywności Wieku i płci 29

30 Stawy kolanowe: Musi gwarantować stabilność protezy podczas postoju i fazy podporu przy chodzeniu. Budowane z materiałów takich jak włókno węglowe, tytan i aluminium przy stosunkowo niewielkiej wadze osiąga się wysoką stabilność całej protezy. Starsi Pacjenci, o mniejszej aktywności, wymagają dużego bezpieczeństwa kolana i stabilnego obciążenia pięty stopy, a komfort noszenia protezy jest ważniejszy niż jej właściwości dynamiczne. Dla pacjentów aktywnych powstały moduły kolanowe cztero- czy siedmioosiowe z hydraulicznym lub pneumatycznym wspomaganiem. katalog_2012 część 2 - stawy kolanowe.pdf POWER KNEE_EN_0003_QRC.pdf 30

31 Elementy standardowe : Stopy Stawy kolanowe Adaptory rurowe Adaptory przesuwne Amortyzatory Osłony kosmetyczne katalog_2012 część 4 - materiały i ortotyka.pdf 31

32 Rozwój: 32