Введение 8
1. Разработка конечно-элементных моделей биомеханической системы 10
1.1. Разработка конечно-элементных моделей костей таза 10
1.2. Разработка конечно-элементных моделей эндопротеза 12
1.3. Создание сборки 15
1.4. Физико-механические свойства материалов модели 17
2. Расчет эффективных упругих характеристик композиционного материала 18
3. Проведение модального анализа для верификации модели 20
4. Математическая постановка задачи двухопорного стояния 21
5. Проведение статического расчета в контактной постановке 23
6. Анализ результатов расчета 26
6.1. Анализ напряженно-деформированного состояния винтового
соединения 27
6.2. Анализ напряженно-деформированного состояния при двухопорном
стоянии 30
Заключение 35
Список использованных источников 36
Приложение
За последнее время количество пациентов, страдающих деформирующим артрозом тазобедренного и коленного суставов, растет. В мире у 10-40 человек из 1000 имеется такое заболевание [3]. В работе [10] с помощью материалов государственного статистического учета травматизма и ортопедической заболеваемости взрослого населения Санкт-Петербурга и данных квотного регистра МИАЦ установлено, что за период 2009-2014 гг. время ожидания операции пациентами выросло с 1-5 месяцев до 6-12 месяцев. Количество пациентов, которым по разным причинам не производилось эндопротезирование, постоянно увеличивается.
При первичной установке имплантатов конструкция образована стандартным набором компонентов определенного типоразмера и формы. С увеличением количества первичных оперативных вмешательств и сроков наблюдения растет количество ревизионных операций. Доля ревизионных вмешательств достигает 20% от общего числа операций эндопротезирования тазобедренного сустава. Причиной неудовлетворительных результатов эндопротезирования тазобедренного сустава чаще всего является асептическое расшатывание вертлужного компонента.
В случае повторного эндопротезирования возникает необходимость в проектировании индивидуальных имплантатов. При условии своевременной диагностики до 80% ревизий вертлужной впадины могут быть выполнены с применением многодырчатой гемисферической чашки с дополнительной фиксацией винтами. В последние активно разрабатываются и внедряются различные варианты конструкций эндопротезов при значительных дефектах вертлужной впадины, особенно сопровождающихся нарушением целостности тазового кольца. В частности, в [8] оценивается эффективность использования индивидуальных трехфланцевых вертлужных компонентов (CTAC — Custom Triflange Acetabular Component), с применением аддитивных технологий компьютерного моделирования и 3D-печати.
Возникает вопрос о работоспособности конструкции, разработанной специалистами в области ортопедии, о величине напряжений и деформаций, возникающих в костях, суставах и имплантатах. Однако даже самые современные методы прочностного анализа бесполезны, если медицинские специалисты не смогут извлечь клиническую значимость из проделанных расчетов. Инженер должен сделать свои результаты понятными для врача, не знакомого с численным моделированием. С другой стороны, инженеру необходимо рассматривать с точки зрения врача граничные условия, геометрию и материал [13].
В работе представлено компьютерное моделирование системы «кости таза - имплант» в послеоперационный период (2-3 дня после операции) на основе компьютерных моделей имплантата и костей таза, полученных из ФГБУ «РНИИТО им. Р.Р. Вредена» Минздрава России. В качестве имплантата выступает индивидуальный эндопротез тазобедренного сустава, устанавливаемый пациенту в результате проведения операции по замене стандартного эндопротеза.
В связи с вышесказанным, в данной работе поставлена цель - биомеханическая оценка работоспособности индивидуального эндопротеза тазобедренного сустава.
Для достижения цели поставлены три задачи:
- подготовка модели таза на основе данных компьютерной томографии;
- создание конечно-элементных моделей биомеханической конструкции;
- исследование напряженно-деформированного состояния системы «кости таза - имплант» в случае двухопорного стояния и анализ полученных результатов.
В рамках производственной практики (научно-исследовательской работы) выполнена первая задача. В данной работе подробнее остановимся на второй и третьей задаче.
В рамках проекта проведены следующие основные этапы: создание конечно¬элементной модели системы «скелет - эндопротез тазобедренного сустава», проверка сборки с помощью модального анализа и исследование напряженно-деформированного состояния в результате статического прочностного расчета при затяжке винтов и в случае двухопорного стояния. В процессе работы разработаны и освоены методы цифрового проектирования с использованием современного программного обеспечения.
Выявлено, что в спонгиозной ткани нижней части тазовой кости уже на этапе затяжки винтов может начаться разрушение узкого участка кости вблизи 8 винта. В качестве рекомендаций для снижения НДС предлагается проведение следующих действий:
- оптимизация расположения и количества используемых винтов с целью создания более равномерного распределения напряжений;
- уменьшение диаметра 8 винта для сохранения объема костной ткани;
- уменьшение силы затяжки 8 винта;
- уменьшение длины 7 винта, так как он выходит за пределы кости и создает концентратор напряжений.
Результаты, представляющие разработку математических моделей и оценку напряженного состояния системы «кость-эндопротез», внедрены в медицинскую практику ФГБУ "РНИИТО им. Р.Р. Вредена" Минздрава России. Работа выполнена в содружестве с Центром НТИ «Новые производственные технологии» на базе Института передовых производственных технологий СПбПУ.
