Projekt endoprotezy stawu biodrowego

Tytuł artykułu:
Projekt indywidualnej endoprotezy
stawu biodrowego
Autor:
Niedoskonali
Białystok
2015
SPIS TREŚCI
1.
Budowa i funkcje stawu biodrowego .................................................................................. 3
2.
Endoprotezoplastyka stawu biodrowego ............................................................................ 6
3.
Metody projektowania endoprotezy ................................................................................... 8
3.1.Etapy projektowania ......................................................................................................... 8
3.2. Sposób pozyskiwania obrazów oraz ich konwersja [6]................................................... 8
3.3. Modelowanie kości [6] .................................................................................................... 9
3.4. Modelowanie trzpienia endoprotezy [6] ....................................................................... 10
4.
Projekt endoprotezy .......................................................................................................... 11
4.1. Trzpień .......................................................................................................................... 11
4.2. Głowa kości udowej ...................................................................................................... 13
4.3. Panewka stawu biodrowego .......................................................................................... 14
4.4. Złożenie ......................................................................................................................... 15
Literatura: ................................................................................................................................. 17
2
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
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
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
Stanie na jednej nodze
Stanie z kulą łokciową w przeciwnej ręce
Stanie na dwóch nogach
Stanie na dwóch nogach ze zgiętymi kolanami z biodrami do 90°
Krotność ciężaru ciała
2,5
1
0,5
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
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
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
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.
3.2. 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
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
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.
3.4. 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
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
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
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.
Rys.17. Wykończony trzpień endoprotezy
4.2. Głowa kości udowej
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
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
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
Rys.23.Endoproteza po implantacji
Rys.24. Rendering otrzymanego modelu
16
LITERATURA:
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
http://www.innerbody.com/image/skelfov.html
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: 83-87674-67-2
http://www.biomexim.com.pl/Nowe/biomechanika/biomech1.htm
http://sequencewiz.org/2014/04/23/get-hip-pain-can/
http://www.sport-klinika.pl/endoprotezoplastyka-stawu-biodrowego.html
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: 83-87674-67-2
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: 83-87674-67-2
katalog Screw-in Acetabular Cup Systems firmy LINK
17