Автор: В.В. Гусев, Ю.О. Новикова
Источник: Прогрессивные направления развития машино–приборостроительных отраслей и транспорта: материалы Междунар. научн.–техн. конф. Студентов, аспирантов и молодых ученых, Севастополь, 17–19 апреля 2012 г. /Мин–во образования и науки, молодежи и спорта Украины, Севастоп. нац. техн. ун–т; науч. ред. В.В. Севриков — Севастополь: СевНТУ, 2012. с.113–115.
В.В. Гусев, Ю.О. Новикова. Разработка, проектирование и изготовление тазобедренного имплантата в CAD/CAM системе DELCAM. Детально рассмотрено проектирование 3D модели бедренной кости в системе PowerSHAPE. Представлен расчет 3D модели бедренной кости в среде ANSYS
Эндопротезирование суставов в настоящее время 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, инженерной и социальной проблемой [1].
В мире количество ежегодно выполняемых операций эндопротезирования постоянно растет, что связано с совершенствованием методики операции, открытиями в области материаловедения, улучшением качества инструментария для операции; также получением хороших результатов, приводящих к восстановлению утраченной функции на длительный период; улучшением качества жизни пациентов.
Переломы могут возникать в разных частях бедренной кости. В некоторых случаях целесообразнее не применять тотальные эндопротезы, а использовать имплантат в виде металлической пластины, которая имеет ряд преимуществ: сравнительно низкая трудоемкость операции, а также ее высокая эффективность и скоротечность.
Перед нами была поставлена комплексная задача: исследование напряженно-деформированного состояния системы «бедренная кость – имплантат» при переломах в разных частях проксимального участка бедренной кости, подбор оптимальных размеров имплантата для каждого конкретного случая, а так же его изготовление. Нашей главной целью является полная автоматизация данного процесса при помощи таких программных комплексов как PowerSHAPE , ANSYS, PowerMill.
Перед нами была поставлена комплексная задача: исследование напряженно-деформированного состояния системы «бедренная кость – имплантат» при переломах в разных частях проксимального участка бедренной кости, подбор оптимальных размеров имплантата для каждого конкретного случая, а так же его изготовление. Нашей главной целью является полная автоматизация данного процесса при помощи таких программных комплексов как PowerSHAPE , ANSYS, PowerMill.
Для возможности проведения каких- либо расчетов первоочередной задачей стало получение 3D модели бедренной кости. Она имеет сложную конфигурацию и для получения ее 3D модели использовалась координатно-измерительная рука, которая применяется с пакетом моделирования PowerSHAPE. Модель бедренной кости показана на рисунке 1.
Рисунок 1 – Рисунок 1-Модель бедренной кости в среде PowerSHAPE
Следующим этапом являлось трансляция полученной 3D модели в среду ANSYS [2] для ее расчета. 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 прочностной расчет мы определили максимальное и минимальное напряжение (рис. 2), которые составили 9,5 МПа и 0,8 МПа соответственно. А упругая деформация не превышала 47*10-7 м.
Рисунок 2 – Распределение напряжений на бедренной кости при приложении нагрузки на ее сферическую часть
На упрощенной 3D модель в ANSYS (рис. 3) моделировали повреждение кости и подбирали форму и размеры, изменяя толщину металлической пластины эндопротеза исследуя напряженно-деформированное состояние системы.
Рисунок 3-Модель бедренной кости в среде ANSYS
Полученные данные о пластине транслируем в программу PowerMill, где происходит выбор заготовки из базы металлических пластин близкой к требуемой и происходит автоматическое написание управляющей программы для окончательной обработки внутренней поверхности имплантата.
1. P. Helwig. Finite element analysis of a bone-implant system with the proximal femur nail/ Technology and Health Care 14 (2006)-p. 411-419
2. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. М.: Машиностроение, 2003. - 272с.