ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме магистерской работы

Содержание

Введение

Эндопротезирование суставов на сегодняшний день является наиболее прогрессивным методом хирургического лечения поражений суставов разной этиологии, который быстро развивается и находит все большее применение в ортопедической практике.

Переломы бедра в центральной части являются широко распространенной травмой у пожилых людей, частота которых увеличивается с возрастом. Это не только проблема хирургов-ортопедов, но также становится научной и инженерной проблемой. Целью стабилизации переломов в проксимальной части бедра является обеспечение подвижности каждого пожилого пациента вскоре после операции [1].

В этой работе будет рассмотрена такая задача как исследование напряженно-деформированного состояния системы «бедренная кость – имплант». В процессе решения этой задачи будут рассмотрены такие вопросы как создание 3D модели бедренной кости; проектирование металлической пластины-импланта; подбора исходных данных и корректировка 3D модели бедренной кости для ее прочностного расчета; прочностной расчет бедренной кости в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS; а также разработка технологического процесса и гибкого производственного модуля для обработки металлической пластины.

1 История развития эндопротезирования тазобедренного сустава в мире и Украине

История эндопротезирования тазобедренного сустава насчитывает более 70 лет. Первыми высокотехнологичными протезами головки бедра с интрамедуллярной ножкой, выполненными из виталлиума (кобальт-хром-молибденовый сплав), стали протезы F.R. Trompson и A.T.Moore (рис.1).

Рисунок 1 – Протез THOMPSON HIP - Эксел

Именно внедрение этих однополюсных протезов сделало пластику головки бедра (гемиартропластику) стандартным оперативным вмешательством. Росту популярности однополюсного протезирования способствовали простота методики, высокая эффективность и скоротечность операции, небольшой объем кровопотери и возможность быстрой реабилитации пациентов.

Однако протез Мура — ЦИТО имел ряд существенных недостатков. Наличие длинной шейки требовало выполнения остеотомии на уровне малого вертела. При этом удалялась бедренная шпора — самая прочная часть проксимального отдела, способная обеспечить оптимальную опору для воротничка протеза. Узкая длинная ножка одного типоразмера не могла хорошо заклиниваться в широких костномозговых каналах цилиндрической формы. Прямоугольное поперечное сечение ножки и наличие отверстий в ее проксимальной части затрудняло успешное применение цементной фиксации. Малое число типоразмеров головок ухудшало точность их подборки по диаметру впадины. Неразъемность протеза обусловливала необходимость широкого доступа.

Несмотря на перечисленные недостатки, эндопротез Мура-ЦИТО долгие годы был практически единственным имплантатом для гемиартропластики, применяемым в нашей стране. Трудно переоценить его значение в развитии отечественного эндопротезирования.

Пионером тотального замещения тазобедренного сустава по праву считают J. Chamley. Он сыграл огромную роль как в разработке теоретических основ, так и в практическом внедрении этой операции в ортопедических клиниках. Результаты использования его протезов с низким коэффициентом трения до сих пор остаются непревзойденными. Во всех последующих эндопротезах воплощена одна из идей Charnley. На сегодняшний день десятки зарубежных компаний выпускают сотни различных вариантов имплантатов цементной и бесцементной фиксации. Первичная стабильность последних обеспечивается либо наличием пористого покрытия в проксимальной части ножки и чашке для врастания кости, либо путем постановки протеза по технологии press fit.

В Украине эндопротез Сиваша в течение 40 лет был практически единственным имплантатом, используемым в основном у пациентов с тяжелыми коксартрозами. Протезы А. Герчева, И. А. Мовшовича, С. В. Вирабова и других авторов выпускались малыми партиями и имели локальное применение.

С середины 90-х годов российские фирмы начали выпуск съемных головок для своих бесцементных ножек. Эти модульные системы позволяют осуществить более точный индивидуальный подбор компонентов протеза по размерам и форме бедренного канала и вертлужной впадины. Более короткая шейка уменьшает опасность вывиха имплантата. Началось бурное внедрение их продукции в широкую клиническую практику. Появились первые публикации о тотальном замещении тазобедренного сустава у пациентов с переломами шейки бедра и их последствиями.

Когда поставлены показания к замещению тазобедренного сустава, перед хирургом встает задача выбора типа имплантата и способа эндопротезирования. Предложено множество алогоритмов ее решения, учитывающих различные параметры и данные каждого конкретного случая. На наш взгляд, наиболее оптимальной и универсальной является система, выработанная в клинике Lahey (США). Она может быть интерпретирована в зависимости от технического оснащения больницы и опыта оперирующего хирурга.

Переломы бедра в центральной части являются широко распространенной травмой у пожилых людей. Это не только проблема хирургов-ортопедов, но также становится инженерной и научной проблемой. Целью стабилизации переломов в проксимальной части бедра является обеспечение подвижности каждого пожилого пациента вскоре после операции.

В табл.1 приведены страны с общей численностью населения и количества выполняемых операций в год. В развитых странах эти операции широко распространены, а вот в России и Украине эндопротезирование только начинает развиваться.

Таблица 1- Эндопротезирование тазобедренного сустава в разных странах

Название страны Численность населения Количество выполняемых операций в год, тыс. Количество выполняемых операций в год, %
США 280 млн. 450 тыс. 0,16
Германия 80 млн. 180 тыс. 0,225
Англия 50 млн. 115 тыс. 0,23
Россия 148 млн. 10-15 тыс. 0,01
Украина 48 млн. 5 тыс. 0,01

В мире количество ежегодно выполняемых операций эндопротезирования тазобедренного сустава составляет около 0,5 млн, в Украине — около 5 тыс. [7]. Их число постоянно растет, что связано с совершенствованием методики операции, открытиями в области материаловедения, улучшением качества инструментария для операции; получением хороших результатов, приводящих к восстановлению утраченной функции на длительный период; улучшением качества жизни пациентов.

Перед нами была поставлена комплексная задача: исследование напряженно-деформированного состояния системы бедренная кость – имплантат при переломах в разных частях проксимального участка бедренной кости, а также автоматический подбор оптимальных размеров имплантата для каждого конкретного случая.

Для эффективного решения такой задачи она была разбита на несколько этапов:

1) проектирование 3D-модели бедренной кости также подбор исходных данных для следующего этапа исследования.

2) проектирование 3D-модели импланта, выбор его материала, а также рассмотрение возможных конфигураций пластины.

3) трансляция трехмерной модели бедренной кости в программную систему конечно-элементного анализа ANSYS и разработка расчетной модели.

4) расчет прочности и анализ различных вариантов перелома бедренной кости.

5) анализ резервов и совершенствования конструкции импланта.

6) разработка технологического процесса в Power Mill и гибкого производственного модуля для обработки металлической пластины.

2. Проектирование 3D-модели бедренной кости

На первом этапе целью работы является проектирование 3D-модели тазобедренной кости и импланта(металлической пластины), а также подборка исходных данных для следующего этапа исследования.

Бедренная кость имеет сложную конфигурацию и для получения ее 3D модели использовалась координатно-измерительная рука, которая установлена в Запорожском Национальном Техническом Университете. Координатно-измерительная машина синхронизирована с пакетом моделирования PowerSHAPE фирмы DELCAM . При этом траектория движения щупа преобразуется в пространственные кривые, которые используются для моделирования поверхностей.

Затем в PowerSHAPE была доработана модель – окончательно смоделирована кость (рис.2). Окончательно полученная модель имеет некоторые геометрические отличия от реального прототипа, но это никак не повлияет на результаты прочностного расчета, ведь основной задачей является универсализация расчетов, то есть создание автоматизированного индивидуального похода к каждому пациенту.

Рисунок 2 – 3D-модель бедренной кости

3. Проектирование 3D-модели имплантата в зависимости от характера перелома

При свежих переломах бедра надо принимать во внимание три основных фактора: 1) характер перелома; 2) общее состояние больных; 3) состояние кровоснабжения сломанной головки[2].

Характер перелома может быть разным. Его варианты представлены на рис.3

Рисунок 3 – Варианты переломов бедренной кости

При первом варианте перелома происходит полная замена тазобедренного сустава искусственным.

Мы рассматриваем второй и третий случаи (рис.3), когда перелом находится на проксимальном участке [7]. В данном случае целесообразнее не заменять полностью сустав, а использовать имплант в виде металлической пластины, которая имеет ряд преимуществ: сравнительно низкая трудоемкость операции, а также ее высокая эффективность и скоротечность.

В зависимости от места перелома и конфигурации кости форма пластины может меняется. Исходя из области применения данной пластины, ее материал должен быть биологически инертным. В качестве такого материала была выбрана «медицинская» сталь марки 12Х18Н10, одно из достоинств которой относительно невысокая стоимость.

На данном этапе была спроектирована 3D-модель бедренной кости и импланта (металлической пластины), а также была осуществлена подбор исходных данных для прочностного расчета соединения [3].

4. Трансляция трехмерной модели в программную систему КЭА ANSYS и разработка расчетной модели

Для осуществления прочностного расчета необходима 3D-модель бедренной кости в среде программного комплекса ANSYS. С помощью возможностей экспорта файлов DELCAM PowerSHAPE получаем 3D-модель в нужном формате (рис.4).Для создания расчетной модели в процессе ее трансляции из DELCAM PowerSHAPE в ANSYS в некоторых местах кости ее конфигурация была несколько «усреднена», т. е более приближена к геометрически правильным объектам (сфера, цилиндр) [4].

Анимация 1 – 3D-модель бедренной кости в среде ANSYS
(анимация: 5 кадров, 7 циклов повторения, 100 килобайт)

5. Расчет бедренной кости на прочность в среде ANSYS

Следующим этапом является прочностной расчет бедренной кости. Для чего используем программную систему конечно-элементного анализа ANSYS [5].

После того как была получена расчетная модель, приступим к непосредственно к разбиению модели на конечные элементы (рис. 5).

Рисунок 5 – Модель бедренной кости с разбивкой на конечные элементы

Материал бедренной кости для упрощения расчета примем однородным. При приложении нагрузок жестко закрепим конец цилиндрической части кости и приложим равномерно распределенную нагрузку на сферическую часть. Величина распределенной нагрузки равняется 6 000 Н с учетом действия динамического фактора.

Проведя структурный анализ модели получены следующие результаты:

- максимальные и минимальные напряжения (рис.6)

Рисунок 6 – Распределение напряжений на бедренной кости при приложении нагрузки на ее сферическую часть

-упругие деформации (рис. 7)

Рисунок 7 – Упругие деформации бедренной кости при приложении нагрузки на ее сферическую часть

Проведя прочностной расчет мы определили максимальное и минимальное напряжение, которые равны 9,5 МПа и 0,8 МПа соответственно. А упругая деформация не превышает 47*10-7 м.

6. Разработка ГПМ и технологического процесса обработки металлической пластины (имплантата) в среде Power Mill

В данном случае необходимо обратить внимание на конструктивные особенности детали. В качестве заготовки используем листовой металл толщиной 5 мм. На данном этапе развития металлообрабатывающего оборудования существует рациональный и экономичный способ обработки листового металла - это лазерная резка. Особенностью данной технологии является наличие исключительно термического воздействия на обрабатываемый материал, что обуславливает отсутствие механического воздействия, в следствии чего отсутствуют деформации материала. Кроме того, одним из главных достоинств установки для лазерной резки LS 1530 является его возможность без переналадки осуществлять обработку деталей произвольного контура, что дает возможность существенно расширить номенклатуру обрабатываемых изделий [6].

Для подачи заготовки в рабочую зону используем роликовый стол, с которого она переходит для обработки на лазерный станок. В нашем случае деталь сложной конфигурации, плоская (шириной 5 мм), относительно легкая(0,1 кг) и поверхность листа достаточно гладкая , поэтому при перемещении детали от позиции к позиции будет целесообразно использовать манипулятор с захватом в виде присоски. Этот манипулятор передает заготовку на гибочный станок, где применяется выталкиватель, который будет перемещать готовую деталь в бункер-накопитель. Компоновочная схема ГПМ представлена на рис.8. Время обработки импланта на данном ГПМ составляет 1,5 мин.

Рисунок 8 – Компоновочная схема гибкого производственного модуля

Выводы

В ходе выполнения данной работы были рассмотрены следующие задачи:

1) проектирование 3D-модели бедренной кости также подбор исходных данных для следующего этапа исследования.

2) проектирование 3D-модели импланта, выбор его материала, а также рассмотрение возможных конфигураций пластины.

3) трансляция трехмерной модели бедренной кости в программную систему конечно-элементного анализа ANSYS и разработка расчетной модели.

4) расчет прочности и анализ различных вариантов перелома бедренной кости.

5) анализ резервов и совершенствования конструкции имплантата.

6) разработка технологического процесса и гибкого производственного модуля для обработки металлической пластины.

В дальнейшем применение существующих программных комплексов позволить не только провести прочностной расчет системы «бедренная кость – имплантат» для переломов разного характера, но и автоматизировать процесс выбора и проектирование имплантата для каждого конкретного пациента.

Примечание

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2012 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников


1) Helwig Р. Finite element analysis of a bone-implant system with the proximal femur nail/ Technology and Health Care 14 (2006)-p. 411-419

2) Каплан А.В. Повреждения костей и суставов. 3-е изд. М.: Медицина, 1979.- 568 с.

3) Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. М.: Машиностроение, 2003. - 272с.

4) Басов К.А. ANSYS справочник пользователя. М.:ДМК Пресс, 2005. -640 с.

5) Чигарев А.В., А.С.Кравчук, А.Ф.Смалюк ANSYS для инженеров. Справочное пособие. М.:ДМК Пресс, 2003. -780 с.

6) Станочное оборудование ГПС. Справочное пособие / Е.С. Пуховский, А.Б. Кукарин, И.Л. Вовченко, Г.С. Грачев. – К.: Тэхника, 1990. – 175с.

7) Уотсон-Джонс Р. Переломы костей и повреждение суставов. М.: Медицина, 1972.- 708 с.