Projekt indywidualnej endoprotezy stawu biodrowego

Transkrypt

1 Tytuł artykułu: Projekt indywidualnej endoprotezy stawu biodrowego Autor: Niedoskonali Białystok 2015

2 SPIS TREŚCI 1. Budowa i funkcje stawu biodrowego Endoprotezoplastyka stawu biodrowego Metody projektowania endoprotezy Etapy projektowania Sposób pozyskiwania obrazów oraz ich konwersja [6] Modelowanie kości [6] Modelowanie trzpienia endoprotezy [6] Projekt endoprotezy Trzpień Głowa kości udowej Panewka stawu biodrowego Złożenie Literatura:

3 1. BUDOWA I FUNKCJE STAWU BIODROWEGO Staw biodrowy to rodzaj biołożyska, które stanowi parę kinematyczną o połączeniu maziowym. Jest to staw prosty, składający się z dwóch kości (rys.1): - kość miedniczna (panewka), - kość udowa (głowa). Rys.1 Kości stawu biodrowego: A-miedniczna, B-udowa [1] Kości wchodzące w skład stawu są tak ukształtowane, że tworzą układ łożyskowy typu głowa-panewka (przegub kulisty) lub typu czop-panewka [2]. Taka budowa pozwala na wykonywanie złożonych ruchów w jego obrębie. Warstwę okrężną, stabilizującą staw biodrowy, stanowią więzadła (rys.2): - biodrowo-udowe (najsilniejsze więzadło w organizmie), które ogranicza rotacje uda na zewnątrz i do wewnątrz; ogranicza przeginanie do tyłu, oraz hamuje ruch przywodzenia uda, - łonowo-udowe, które ogranicza odwiedzenie uda, - kulszowo-udowe, które hamuje ruchy obrotowe uda do wewnątrz oraz ruchy przywodzenia, oraz połączona z nimi torebka stawowa. Bezpośrednim elementem stawu biodrowego jest natomiast więzadło głowy kości udowej (rys.3), rozpięte między dołkiem głowy a dołem panewki (wewnątrz stawu). Hamuje ruchy przywodzenia oraz ruchy obrotowe na zewnątrz. Rys.2. A: Więzadła stawu biodrowego (okrężne). Od lewej: biodrowo-udowe, łonowoudowe, kulszowo-udowe [1], B: Więzadło głowy kości udowej [3] 3

4 Kość udowa ma bardzo istotny wpływ na rozkład sił w stawie biodrowym oraz na podłoże, dlatego też posiada skomplikowaną budowę przestrzenną. Ważniejsze elementy geometrii stawu biodrowego: - kąt szyjkowo trzonowy (γ), - nachylenie osi trzonu (δ), - odległość środka głowy od osi trzonu (h). Kąt szyjkowo trzonowy u mężczyzn wynosi około 135 zaś u kobiet, jest mniejszy. Z wiekiem u obu płci kąt ten zmniejsza się stopniowo. Rys.4. Parametry geometrii kości udowej [4] Dzięki swojej budowie, staw biodrowy jak staw kulisty może wykonywać szereg rodzajów ruchów w każdej z płaszczyzn ciała ludzkiego (czołowa, strzałkowa, poprzeczna), a także ruchy złożone. Zakresy ruchów w poszczególnych płaszczyznach przedstawia rysunek: Rys.5. Ruchomości w stawie biodrowym [4] 4

5 Obciążenia w stawie biodrowym Staw biodrowy jest najbardziej narażonym na zmiany przeciążeniowozwyrodnieniowe stawem u układzie kostno-stawowym człowieka. Powodem jest duża eksploatacja oraz nie prostoliniowe przenoszenie obciążeń. Jest to podstawowy węzeł kinematyczny, którego pracę wykorzystujemy podczas codziennego życia: chodzenie, siadanie wstawanie, bieganie, wchodzenie po schodach. Zapewnia zachowanie pionowej postawy ciała. Obciążenie stawu biodrowego zależy od jego położenia. Wartość obciążenia podawana jest jako krotność ciężaru ciała. Nadmierne obciążenia powodować mogą przerwania ciągłości struktury. Tabela 1. Obciążenia stawu biodrowego Położenie Krotność ciężaru ciała Stanie na jednej nodze 2,5 Stanie z kulą łokciową w przeciwnej ręce 1 Stanie na dwóch nogach 0,5 Stanie na dwóch nogach ze zgiętymi kolanami z biodrami do 90 1 Chodzenie 3-5 Bieganie 7-12 Uniesienie prostej nogi w leżeniu na plecach 15 Do najczęstszych przyczyn powstawania zmian zwyrodnieniowych w obrębie stawu biodrowego należą : zaburzenia rozwojowe powodujące niezborność stawu (dysplazja), niepełna zborność po zachowawczym i operacyjnym leczeniu wrodzonego zwichnięcia, choroba Perthesa, złuszczenie nasady głowy kości udowej, stany zapalne swoiste, nieswoiste i odczynowe, zniekształcenia pourazowe, osteoporoza, niedorozwój panewek, biodro koślawe, młodzieńcze złuszczenie kości udowej, zwichnięcia, zrośnięcia w wadliwym ustawieniu. Wysoka funkcjonalność naturalnych struktur stawowych sprawia, iż ciężko zastąpić je materiałami innego pochodzenia o zbliżonych właściwościach. Stworzenie połączenia, które mogłoby całkowicie zastąpić lub odtworzyć utracony bądź chory staw jest zupełnie niemożliwe. Stawy są obecnie jedna z najczęściej zastępowanych struktur organizmu Nauką zajmującą się implantacją sztucznych stawów jest endoprotezoplastyka (alloplastyka). 5

6 2. ENDOPROTEZOPLASTYKA STAWU BIODROWEGO Problemy adaptacji sztucznych stawów w ciele człowieka mają związek z procesami biotribologicznymi. Powstałe endoprotezy powinny spełniać następujące funkcje: odtworzenie uszkodzonego na skutek choroby lub urazu naturalnego stawu, konstrukcją mechaniczną, eliminacja bólu w zmienionym chorobowo stawie, zapewnienie możliwości wykonywania czynności ruchowych, zapewnienie odpowiednio długiego funkcjonowania protezy. Ze względu na dostępny szereg rozwiązań endoprotez stawu biodrowego, możemy je pogrupować ze względu na: 1) złożoność konstrukcji: - częściowe, - całkowite, W endoprotezach częściowych dochodzi tylko do wymiany główki stawowej i szyjki kości udowej. Naturalna panewka zostaje na swoim miejscu. W przypadku endoprotez całkowitych wymieniane są: szyjki kości udowej, główki stawowej, a także panewki. Rys. 6. Złożoność konstrukcji endoprotez [5] 2) obecność kołnierza: - z kołnierzem, - bez kołnierza, Warunkiem powodzenia implantacji sztucznego stawu w obu rodzajach tych protez jest stabilne osadzenie trzpienia endoprotezy w kości udowej. Złe dobranie lub nieprawidłowa konstrukcja trzpienia może powodować nierównomierny rozkład naprężeń w okolicach endoprotezy, co powodować może zanikanie tkanki kostnej. Obecnie częściej stosowane są trzpienie z kołnierzami, który pełni rolę przenoszenia około 40% obciążenia całkowitego, a także zamienia naprężenia rozciągające na ściskające dając tym samym szansę na dłuższą żywotność endoprotezy. Trzpienie bez kołnierza zagłębiane są głębiej w kości. Powoduje to dodatkowo silne naprężenia obwodowe mogące doprowadzić do obluzowania się trzpienia w kości lub pęknięcia jej w przypadku zaawansowanej osteoporozy. 6

7 3) sposób mocowania: - cementowe, - bezcementowe, - hybrydowe. Rys.7. Rodzaje mocowań elementów endoprotez [5] W przypadku cementowego połączenia dochodzi do zacementowania szyjki endoprotezy oraz panewki. W mocowaniu bezcementowym połączenie odbywa się poprzez wrośnięcie kości w poszczególne części endoprotezy. W takim połączeniu najistotniejsze jest zapewnienie stabilności pierwotnej trzpieni, co zapewnia zmniejszenie wartości mikroprzemieszczeń rotacyjnych i pionowych. Pozwala to na lepszą i szybszą osteogenezę tkanki kostnej wokół endoprotezy. W protezach cementowych, dla zachowania poprawnego rozłożenia naprężeń istotne jest dokładne i równomierne rozłożenie cementu kostnego. 7

8 3. METODY PROJEKTOWANIA ENDOPROTEZY 3.1.Etapy projektowania Całkowity proces projektowania indywidualnej endoprotezy stawu biodrowego, jest czasochłonny i wieloetapowy. Upraszczając ścieżkę projektowania możemy wyróżnić kilka podstawowych etapów [6]: 1) badania tomograficzne stawu biodrowego, w celu obrazowania tkanek kostnych danego pacjenta, 2) konwersja obrazów uzyskanych z CT lub MRI do systemu CAD, wykorzystując różne metody przetwarzania obrazów, 3) modelowanie geometrycznych struktur tkankowych na podstawie uzyskanych obrazów (kość udowa oraz miednica), 4) projektowanie trzpienia endoprotezy 5) projektowanie endoprotezy panewki 6) analiza inżynierska układu kość-endoproteza, analiza z użyciem metody MES, dopasowywanie elementów endoprotezy Sposób pozyskiwania obrazów oraz ich konwersja [6] Poprawne odtworzenie struktury tkanki kostnej nie jest tak proste, jak się wydaje. Model kości uzyskujemy poprzez wyciągnięcie geometrii na podstawie dwuwymiarowych przekrojów kości uzyskanych w wyniku badań rentgenowskich. Jednak, aby miało to rzeczywiste odwzorowanie, należy w poprawny sposób wyznaczyć granicę kość-jama szpikowa, która na obrazach CT nie jest wyraźna. Problem stanowi również brak kompatybilności między systemami cyfrowymi CT i CAD. Uzyskane przekroje trzeba odpowiednio wypozycjonować, tak aby budując model CAD była możliwość ustalania wiązań i parametrów względem środka współrzędnych. Rys.8. Dane transferowane do systemu CAD [6] 8

9 3.3. Modelowanie kości [6] Na metodę projektowania indywidualnej endoprotezy ma wpływ wiele czynników. Istotnym jest, w jaki sposób i z jakich badań uzyskaliśmy obrazy do dalszego projektowania, rodzaju endoprotezy, jej mocowania oraz jakim oprogramowaniem dysponujemy. Można tu wyróżnić: programy umożliwiające wykrywanie krawędzi kości celem uzyskania zarysu kości (CAD). Możemy tu wyróżnić np.: SolidWorks, Pro/ENGENIEER, czy CATIA, programy specjalistyczne, służące do obrazowania i rekonstrukcji tkanki kostnej np. MIMICS oraz używane w trakcie zabiegu operacyjnego, programy umożliwiające modelowanie kości, protezy, symulacje zabiegu oraz do sterowania robotami używanymi przy implantacji. Rys.8. Etapy modelowania kości: odtworzenie powierzchni kości na podstawie zarysów jej przekrojów [6] Ważnym jest aby odpowiednio odwzorować rodzaje tkanek oraz je wyodrębnić, np.: kość korowa, chrząstka, kość gąbczasta. Szczegółowe wyznaczenie granic kości korowej jest niezbędne do dalszego projektowania. Aby je opisać należy przyjąć siedem przekrojów (rys.9a) poprzecznych z uwzględnieniem anatomii kości udowej [7] Rys.9. Parametryzacja kości udowej [7] 9

10 Opisywane płaszczyzny: - płaszczyzna S2, poprowadzona na wysokości krętarza mniejszego, -płaszczyzna S1 i S3 odsunięte o 10mm od S2, - płaszczyzny S4-S7 co 20 mm od S3. Na przekrojach każdej z płaszczyzn wyznacza się środek ciężkości figury ograniczonej przez wewnętrzną granicę kości korowej. Z wyznaczonego środka prowadzimy osiem odcinków co 45 (rys. 9b). Punkty przecięć odcinków z wewnętrzną granicą kości korowej stanowią punkty potrzebne do zbudowania geometrii. Aproksymacja biegunów (środków) stanowi oś kanału kości udowej, natomiast oś szyjki wyznacza się na podstawie środka na płaszczyźnie S1 oraz środka geometrycznego głowy kości udowej. Kąt między tymi osiami, to kąt antewersji Modelowanie trzpienia endoprotezy [6] Modelowanie trzpienia endoprotezy indywidualnej jest bardzo ważne, gdyż taki rodzaj trzpienia mocowany jest bezcementowo. Należy go dopasować nie tylko w taki sposób, aby pasował geometrycznie, ale również musi trwale osiąść w tkance kostnej i przenosić odpowiednie obciążenia. Pierwszą fazą projektowania implantu jest dobór kształtu trzpienia i wykreowania jego modelu bryłowego. Następnie poprzez stopniową analizę należy go odpowiednio odpasować w różnych przekrojach kości. Należy podkreślić, iż wyznaczone granice kości korowej na przekrojach, nie stanowią tych samych punktów dla projektowania trzpienia endoprotezy. Poprawność zaprojektowanego elementu sprawdza się wykorzystując Metodę Elementów Skończonych. Rys.10. Metoda projektowania trzpienia oraz jego podstawowe parametry [6] 10

11 4. PROJEKT ENDOPROTEZY W ramach projektu z kursu Projekt technologiczny należało zaprojektować endoprotezę stawu biodrowego na podstawie modelu kości udostępnionego przez prowadzącego (rys.11): Rys. 11. Model kości udowej i miednicy, zaimportowane do programu SolidWorks 4.1. Trzpień Modelowanie trzpienia odbywa się na podstawie zamodelowanej kości udowej, a dokładniej jej szpiku kostnego (rys.12.). Rys.12. Zamodelowana kość z zaznaczonym szpikiem kostnym 11

12 Modelowanie trzpienia opiera się na operowaniu płaszczyznami oraz kreowaniu przekrojów do wyciągnięcia geometrii. W celu ułatwienia modelowania ukryto zamodelowany fragment miednicy oraz kość korową. Model trzpienia oparto na zarysie szpiku kostnego. 1) W pierwszym kroku należy zamodelować część główną (osiową) trzpienia. W tym celu wygenerowano płaszczyznę środkową, wewnętrznej struktury kości (rys.13), na której powstała końcówka części osiowej trzpienia. Rys. 13. Proces wyznaczania płaszczyzny środkowej na której modelowany był trzpień 2) Wygenerowano dwie płaszczyzny prostopadle przecinające trzon kości oraz jedną pod kątem (w miejscu zmiany kierunku trzpienia), na których wykonano zarys przekroju trzpienia endoprotezy (rys. 14). Ważnym jest, aby jedna z płaszczyzn przecinała trzon, druga natomiast na wysokości krętarza mniejszego. Rys.14. Proces modelowania trzpienia Z tak uzyskanych przekrojów wygenerowano pierwszą część trzpienia endoprotezy: Rys.15. Zamodelowana część trzpienia 12

13 3) Przeprowadzając kolejne operacje na płaszczyznach i rysując kolejne profile, zaczęto modelować fragment implantu, zastępujący szyjkę kości udowej. Pojawiają się trudności w dopasowaniu odpowiedniego kąta antewersji oraz antetorsji. Rys. 16. Modelowanie części implantu odpowiadającej szyjce kości udowej. 4) Dopasowano średnice (mniejszą i większą) stożkowej końcówki trzpienia i ustalono na 12/14mm, do którego dopasowano odpowiedni implant głowy kości udowej. W końcowym etapie modelowania zaokrąglono i sfazowano odpowiednie krawędzie (rys.17) oraz dokonano ogólnej oceny modelu i drobnych poprawek Głowa kości udowej Rys.17. Wykończony trzpień endoprotezy Najczęściej stosowane rozmiary głowy endoprotezy to Ø28 i Ø32. Do stożkowej końcówki trzpienia 12/14mm dobrano głowę Ø28 i zamodelowano (rys.18) Rys.18. Zamodelowana głowa endoprotezy 13

14 4.3. Panewka stawu biodrowego Jako wzór panewki wybrano model LINK Screw-in Acetabular Cup, K-type (rys.19). Panewka ta składa się z panewki właściwej zewnętrznej oraz wkładki mocowanej zatrzaskowo (system snap-lock). Rys.19. Schemat oraz zdjęcie panewki LINK Screw-in Acetabular Cup, K-type [8] Z typoszeregu rozmiarowego dostępnych panewek dobrano panewkę o średnicy zewnętrznej Ø 50, którą stosuje się po użyciu rozwiertaka o rozmiar większego (w tym przypadku Ø 52). Wzorując się na tym modelu, wykonano model własny, uwzględniając parametry geometryczne kości. Projektowanie zapoczątkowało rozpoznanie i dobór odpowiedniego rozmiaru panewki. Sam model zbudowano po wygenerowaniu odpowiedniej płaszczyzny, która stanowiła oś symetrii panewki. Taki zabieg pozwala na proste modelowanie metodą wyciągnięcia przez obrót (rys.20). Najpierw wykonana została panewka właściwa, później, wkładka (rys.21). 14

15 Rys.20. Modelowanie panewki stawu biodrowego. Rys.21. Moduły panewki 4.4. Złożenie Po złożeniu wszystkich części uzyskano pełny model endoprotezy stawu biodrowego: Rys.22. Części endoprotezy 15

16 Rys.23.Endoproteza po implantacji Rys.24. Rendering otrzymanego modelu 16

17 LITERATURA: [1] [2] Gierzyńska-Dolna M, Biotribologia stawów człowieka, Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna 2000, tom 5: Biomechanika i inżynieria rehabilitacyjna, PAN, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2004r., ISBN: [3] [4] [5] [6] Dietrich M., Domański J., Granowski R., Kędzior K., Kwiatkowski K., Skalski K., Komputerowo wspomagane projektowanie i wytwarzanie indywidualnych endoprotez stawu biodrowego, Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna 2000, tom 5: Biomechanika i inżynieria rehabilitacyjna, PAN, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2004r., ISBN: [7] Piszczatowski S., Werner A., Projektowanie trzpieni endoprotez stawu biodrowego, Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna 2000, tom 5: Biomechanika i inżynieria rehabilitacyjna, PAN, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2004r., ISBN: [8] katalog Screw-in Acetabular Cup Systems firmy LINK 17