Реферат за темою магістерської роботи
Зміст
- Вступ
- 1 Історія розвитку ендопротезування тазостегневого суглоба в світі і Україні
- 2 Проектування 3D-моделі стегнової кістки і підбір вихідних даних
- 3 Проектування 3D-моделі імплантату в залежності від характеру перелому
- 4 Трвнсляція тривимірної моделі в програмну систему КЕА ANSYS і розробка розрахункової моделі
- 5 Розрахунок стегнової кістки на міцність в середовищі ANSYS
- 6 Розробка гнучкого виробничого модуля для обробки металевої пластини (імплантату)
- Висновки
- Перелік посилань
Вступ
Ендопротезування суглобів на сьогоднішній день є найпрогресивнішим методом хірургічного лікування уражень суглобів різної етіології, який швидко розвивається і знаходить все більше застосування в ортопедичній практиці.
Переломи стегна в центральній частині є широко розповсюдженою травмою у літніх людей, частота яких збільшується з віком. Це не тільки проблема хірургів-ортопедів, але також стає наукової та інженерної проблемою. Метою стабілізації переломів у проксимальної частині стегна є забезпечення рухливості кожного літнього пацієнта незабаром після операції [1].
У цій роботі буде розглянута така задача як дослідження напружено-деформованого стану системи "стегнова кістка - імплант". У процесі вирішення цієї задачі будуть розглянуті такі питання як створення 3D моделі стегнової кістки; проектування металевої пластини-імпланту; підбору вихідних даних та коригування 3D моделі стегнової кістки для її прочностного розрахунку; розрахунок на міцність у програмній системі кінцево – елементного аналізу ANSYS; а також розробка технологічного процесу й гнучкого виробничого модуля для обробки металевої пластини.
1 Історія розвитку ендопротезування тазостегневого суглоба в світі і Україні
Історія ендопротезування тазостегнового суглоба налічує більше 70 років. Першими високотехнологічними протезами головки стегна з інтрамедулярної ніжкою, виконаними з виталлиума (кобальт – хром – молібденовий сплав), стали протези F.R. Trompson і A.T.Moore (рис. 1). Впровадження цих однополюсних протезів зробило пластику головки стегна (гемиартропластику) стандартним оперативним втручанням. Зростанню популярності однополюсного протезування сприяли простота методики, висока ефективність і швидкоплинність операції, невеликий об'єм крововтрати і можливість швидкої реабілітації пацієнтів.
Рисунок 1 – Протез THOMPSON HIP - Эксел
Однак протез Мура - ЦІТО мав низку істотних недоліків. Наявність довгої шийки вимагало виконання остеотомії на рівні малого рожна. Вузька довга ніжка одного типорозміру не могла добре вклинюється в широких костномозгових каналах циліндричної форми. Прямокутний перетин ніжки і наявність отворів в її проксимальної частини ускладнювало успішне застосування цементній фіксації. Мале число типорозмірів головок погіршувало точність їх стику по діаметру западини. Нераз’емность протеза обумовила необхідність широкого доступу.
Незважаючи на перераховані недоліки, ендопротез Мура-ЦІТО довгі роки був практично єдиним імплантатом для гемиартропластики, який використовували в нашій країні. Важко переоцінити його значення в розвитку вітчизняного ендопротезування.
Піонером тотальної заміни тазостегнового суглоба по праву вважають J. Chamley. Він зіграв величезну роль у розробці теоретичних основ, так і в практичному впровадженні цієї операції в ортопедичних клініках. Результати використання його протезів з низьким коефіцієнтом тертя досі залишаються неперевершеними. У всіх подальших эндопротезах втілена одна з ідей Charnley. На сьогоднішній день десятки зарубіжних компаній випускають сотні різних варіантів імплантатів цементної і бесцементной фіксації. Первинна стабільність останніх забезпечується або наявністю пористого покриття в проксимальної частини ніжки і чашці для вростання кістки, або шляхом постановки протеза за технологією press fit.
В Україні ендопротез Сивашу протягом 40 років був практично єдиним імплантатом, використовуваним в основному у пацієнтів з важкими коксартрозами. Протези А. Герчева, І. А. Мовшовича, С. В. Вирабова і інших авторів випускалися малими партіями і мали локальне застосування.
З середини 90-х років російські фірми почали випуск знімних головок для своїх безцементних ніжок. Ці модульні системи дозволяють здійснити більш точний індивідуальний підбір компонентів протеза за розмірами і формою стегнового каналу і кульшової западини. Більш коротка шийка зменшує небезпеку вивиху імплантату. Почалося бурхливе впровадження їх продукції в широку клінічну практику. З'явилися перші публікації про тотальне заміщення тазостегневого суглоба у пацієнтів з переломами шийки стегна і їх наслідками.
Коли поставлені показання до заміщення тазостегнового суглоба, перед ним постає завдання вибору типу імплантату й способу ендопротезування. Запропоновано безліч алогоритмов її рішення, які враховують різні параметри і дані кожного конкретного випадку. На наш погляд, найбільш оптимальною і універсальної є система, вироблена в клініці Lahey (США). Вона може бути інтерпретована в залежності від технічного оснащення лікарні і досвіду роботи хірурга.
Переломи стегна в центральній частині є широко розповсюдженою травмою у літніх людей. Це не тільки проблема хірургів-ортопедів, але також стає інженерної та науковою проблемою. Метою стабілізації переломів у проксимальної частині стегна є забезпечення рухливості кожного літнього пацієнта незабаром після операції.
У табл. 1 наведено країни із загальною чисельністю населення і кількості виконаних операцій в рік. У розвинених країнах ці операції широко поширені, а ось у Росії та Україні ендопротезування тільки починає розвиватися.
Таблиця 1 - Ендопротезування тазостегневого суглоба в різних країнах
| Назва країни | Чисельність населення | Кількість виконаних операцій в рік, тис. | Кількість виконаних операцій в рік, % |
| США | 280 млн. | 450 тис. | 0,16 |
| Німеччина | 80 млн. | 180 тис. | 0,225 |
| Англія | 50 млн. | 115 тис. | 0,23 |
| Росія | 148 млн. | 10-15 тис. | 0,01 |
| Україна | 48 млн. | 5 тис. | 0,01 |
У світі кількість щорічно виконуваних операцій ендопротезування тазостегневого суглоба становить близько 0,5 млн, в Україні - близько 5 тис. [7]. Їх кількість постійно зростає, що пов'язане з удосконалюванням методики операції, відкриттями в області матеріалознавства, поліпшенням якості інструментарію для операції; отриманням хороших результатів, які призводять до відновлення втраченої функції на тривалий період; поліпшенням якості життя пацієнтів.
Перед нами була поставлена комплексне завдання: дослідження напружено-деформованого стану системи "стегнова кістка – імплантат" при переломах в різних частинах проксимальної ділянки стегнової кістки, а також автоматичний підбір оптимальних розмірів імплантату для кожного конкретного випадку.
Для ефективного вирішення такої задачі вона була розбита на кілька етапів:
1) Проектування 3D-моделі стегнової кістки також підбір вихідних даних для наступного етапу дослідження.
2) Проектування 3D-моделі імпланту, вибір його матеріалу, а також розгляд можливих конфігурацій пластини.
3) Трансляція тривимірної моделі стегнової кістки у програмну систему звичайно-елементного аналізу ANSYS і розробка розрахункової моделі.
4) Розрахунок міцності і аналіз різних варіантів перелому стегнової кістки.
5) Аналіз резервів і вдосконалення конструкції імпланта.
6) Розробка технологічного процесу в Power Mill та гнучкого виробничого модуля для обробки металевої пластини.
2 Проектування 3D-моделі стегнової кістки і підбір вихідних даних
На першому етапі метою роботи є проектування 3D-моделі (рис. 2) тазостегнової кістки і імплантату (металевої пластини), а також підбір вихідних даних для наступного етапу дослідження.
Стегнова кістка має складну конфігурацію і для отримання її 3D-моделі використовувалася координатно-вимірювальна рука, яка встановлена у Запорізькому Національному Технічному Університеті. Координатно-вимірювальна машина синхронізована з пакетом моделювання PowerSHAPE фірми DELCAM. При цьому траєкторія руху щупа перетворюється в просторові криві, які використовуються для моделювання поверхонь.
Потім в PowerSHAPE була допрацьована модель - остаточно змодельована кістка. Остаточно отримана модель має деякі геометричні відмінності від реального прототипу, але це ніяк не вплине на результати розрахунку на міцність, адже основним завданням є універсалізація розрахунків, тобто створення автоматизованого індивідуального підходу до кожного пацієнта.
Рисунок 2 – 3D-модель тазостегнової кістки
3 Проектування 3D-моделі імплантату в залежності від характеру перелому
При свіжих переломах стегна треба брати до уваги три основних фактори: 1) характер перелому; 2) загальний стан хворих; 3) стан кровопостачання сломанной головки [2].
Характер перелому може бути різним. Його варіанти представлені на рис.3.
Рисунок 3 – Варіанти переломів стегнової кістки
При першому варіанті перелому відбувається повна заміна тазостегнового суглоба штучним.
Ми розглядаємо другий і третій випадки (рис. 3), коли перелом знаходиться на проксимальній ділянці [7]. В даному випадку доцільніше не заміняти повністю суглоб, а використовувати імплант у вигляді металевої пластини, яка має ряд переваг: порівняно низька трудомісткість операції, а також її висока ефективність і швидкоплинність.
Залежно від місця перелому і конфігурації кістки форма пластини може змінюється. Виходячи з області застосування даної пластини, її матеріал повинен бути біологічно інертним. В якості такого матеріалу була обрана "медична" сталь марки 12Х18Н10, одна з переваг якої відносно невисока вартість.
На даному етапі була спроектована 3D-модель стегнової кістки і імплантату (металевої пластини), а також був здійснений підбір вихідних даних для розрахунку з'єднання на міцність.
4 Трвнсляція тривимірної моделі в програмну систему КЕА ANSYS і розробка розрахункової моделі
Для здійснення прочностного розрахунку необхідна 3D-модель стегнової кістки у середовищі програмного комплексу ANSYS. За допомогою можливостей експорту файлів DELCAM PowerSHAPE отримуємо 3D-модель в потрібному форматі (рис. 4). Для створення розрахункової моделі в процесі її трансляції з DELCAM PowerSHAPE в ANSYS в деяких місцях кістки її конфігурація була кілька "усереднена", тобто більше наближена до геометрично правильних об'єктів (сфера, циліндр) [4].
Рисунок 4 – 3D-модель тазостегнової кістки в середовищі ANSYS
(анімація: 5 кадрів, 7 циклів повторення, 100 кілобайт)
5 Розрахунок стегнової кістки на міцність в середовищі ANSYS
Наступним етапом є розрахунок на міцність стегнової кістки. Для чого використовуємо програмну систему кінцево-елементного аналізу ANSYS [5].
Після того як була отримана розрахункова модель, безпосередньо приступимо до розподілення моделі на кінцеві елементи (рис. 5).
Рисунок 5 – Модель стегнової кістки з розбивкою на кінцеві елементи
Матеріал стегнової кістки для спрощення розрахунку приймемо однорідним. При прикладенні навантажень жорстко закріпимо кінець циліндричної частини кістки і докладемо рівномірно розподілене навантаження на сферичну частину. Величина розподіленого навантаження дорівнює 6 000 Н з урахуванням дії динамічного фактора.
Провівши структурний аналіз моделі, отримані наступні результати:
- максимальні і мінімальні напруги (рис. 6)
Рисунок 6 – Розподіл напруги на стегновій кістки при прикладенні навантаження на її сферичну частина
- пружні деформації (рис. 7)
Рисунок 7 – Пружні деформації стегнової кістки при прикладенні навантаження на її сферичну частину
Провівши розрахунок на міцність ми визначили максимальні і мінімальні напруження, які рівні 9,5 МПа і 0,8 МПа відповідно. А пружна деформація не перевищує 47*10-7 м.
6 Розробка гнучкого виробничого модуля для обробки металевої пластини (імплантату)
В даному випадку необхідно звернути увагу на конструктивні особливості деталі. Як заготовки використовуємо листовий метал товщиною 5 мм. На даному етапі розвитку металообробного устаткування існує раціональний і економічний спосіб обробки листового металу - це лазерне різання. Особливістю даної технології є наявність винятково термічного впливу на оброблюваний матеріал, що обумовлює відсутність механічного впливу, в слідстві чого відсутні деформації матеріалу. Крім того, одним з головних достоїнств установки для лазерного різання LS 1530 є його можливість без переналагодження здійснювати обробку деталей довільного контуру, що дає можливість істотно розширити номенклатуру оброблюваних виробів [6].
Для подачі заготовки в робочу зону використовуємо роликовий стіл, з якого вона переходить для обробки на лазерний верстат. У нашому випадку деталь складної конфігурації, плоска (шириною 5 мм), щодо легка (0,1 кг) і поверхня листа досить гладка, тому при переміщенні деталі від позиції до позиції буде доцільно використовувати маніпулятор із захопленням у вигляді присоски. Цей маніпулятор передає заготовку на згинальний верстат, де застосовується виштовхувач, який буде переміщати готову деталь в бункер-накопичувач. Основні параметри ГПМ представлена на рис.8. Час обробки імпланту на даному ГПМ становить 1,5 хв.
Рисунок 8 – Схема гнучкого виробничого модуля
Висновок
В ході виконання цієї роботи були розглянуті наступні завдання:
1) проектування 3D-моделі стегнової кістки також підбір вихідних даних для наступного етапу дослідження.
2) проектування 3D-моделі імпланту, вибір його матеріалу, а також розгляд можливих конфігурацій пластини.
3) трансляція тривимірної моделі стегнової кістки у програмну систему кінцево-елементного аналізу ANSYS і розробка розрахункової моделі.
4) розрахунок на міцность і аналіз різних варіантів перелому стегнової кістки.
5) аналіз резервів і вдосконалення конструкції імплантату.
6) розробка технологічного процесу і гнучкого виробничого модуля для обробки металевої пластини.
Надалі застосування існуючих програмних комплексів дозволити не тільки провести міцнісний розрахунок системи "стегнова кістка - імплантат" для переломів різного характеру, але і автоматизувати процес вибору і проектування імплантату для кожного конкретного пацієнта.
Примітка
При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2012 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.
Перелік посилань
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.