Nové přístupy k vývoji umělých kloubních náhrad

Pokud je funkce kloubů nějakým způsobem narušena, např. vlivem zranění, věkem nebo chorobou, může zejména v případě vleklých potíží trpět kvalita našeho života. Jsou-li vyčerpány možnosti konzervativní léčby potíží s klouby, následují operativní metody, při kterých jsou pro obnovu pohyblivosti kloubů používány umělé kloubní náhrady.

Současný operační postup

Chirurgický postup, při kterém je obnovy funkce lidského kloubu dosaženo pomocí implantování umělé kloubní náhrady, se nazývá artroplastika. Pokud se dále budeme zabývat kolenním kloubem, používají se v současnosti kolenní náhrady několika standardizovaných tvarů a velikostí [2, 3, 4]. V průběhu operace je kolenní kloub pacienta seřezán do tvaru, který odpovídá tvaru a velikosti kolenní náhrady [7]. Přesné řezy kolenním kloubem jsou umožněny díky použití resekčních šablon [4]. Při resekci dochází k poměrně velkému úběru kostní tkáně, který je kompenzován tloušťkou implantované náhrady a kostním cementem. Totální náhrada kolenního kloubu a tvar náhrady jsou zachyceny na obr. 1. Další informace týkající se biomechaniky lidských kloubů lze nalézt např. v [6].

Obr. 1. Standardní náhrada kolenního kloubu a tvar femorální komponenty

V současnosti používané náhrady kolenních kloubů jsou kompromisem mezi jejich anatomicko-fyziologickou funkcí a technickými možnostmi výrobců [6]. Cílem výzkumu prováděného na Ústavu strojírenské technologie FSI VUT v Brně bylo ověřit, zda je možné vyrobit náhradu kolenního kloubu, jejíž vnější tvar by byl založen na tvarech v současnosti používaných náhrad, s vnitřní stranou respektující přirozený tvar pacientova kolene. Náhrada by tedy byla navržena přesně pro konkrétního pacienta. Tvarování vnitřních ploch náhrady by mělo zajistit menší zátěž pacienta a zachování kostní hmoty pro případné revizní operace.

Přibližme si nyní počáteční fázi návrhu individuální kolenní náhrady, která byla primárně zaměřena na zpracování CT dat, otisk femorální části kolenního kloubu do stávajícího typu kolenní náhrady a výrobu fyzického modelu pomocí rapid prototypingu.

Vstupní data a metody jejich zpracování

Pacientem, jehož levý kolenní kloub byl použit jako objekt výzkumu, byl muž, ročník 1969, 180 cm vysoký, hmotnost 85 kg. Modifikovaná náhrada kolenního kloubu byla vytvořena pomocí reverzního inženýrství, zpracování dat v CAx aplikaci Catia V5 R17 a rapid prototypingu (Fused Deposition Modeling).

Jako zdroj pro tvorbu 3D modelu pacientova kolene byla použita výstupní CT data ve formátu STL, viz obr. 2. Femorální část kolenní náhrady byla nasnímána optickým skenerem Atos. Použit byl levostranný implantát o velikosti 5 (A = 76 mm, B = 68 mm [2]), viz obr. 3.

Obr. 3. STL model femorální části kolenní náhrady

Zpracování naskenovaných dat pacientova kolene

Naskenovaná data kolenního kloubu v STL formátu byla oříznuta tak, aby byla zachována pouze požadovaná oblast zájmu - distální část femuru levého kolenního kloubu, viz obdélníková oblast na obr. 2.

Obr. 2. STL model pacientova kolene (pohled zepředu).

Nekvalitní hranice vzniklá automatickým oříznutím byla upravena opětovným oříznutím pomocí připravené roviny, otvor ve femuru byl automaticky uzavřen. V dalším kroku byly vytvořeny plochy pokrývající polygonovou síť modelu kolenního kloubu. Přesnost vytvořené plochy je závislá na přesnosti skenování a na nastavení parametrů při tvorbě plochy. V uvedeném případě činila maximální odchylka mezi polygonovou sítí a vytvořenou plochou přibližně +0,2 mm, což je pro dané účely převodu STL modelu na model objemový dostatečná hodnota. Nakonec byl z plošného modelu kolenního kloubu vytvořen model objemový. Na obr. 4 je zjednodušené schéma tvorby objemového modelu kolenního kloubu na základě STL dat.

Obr. 4. STL model kolenního kloubu - plochy na STL modelu - uzavřený plošný model - objemový model

Zpracování naskenovaných dat kolenní náhrady

Podobně jako u modelu kolene byly prováděny úpravy i na STL modelu kolenní náhrady. Polygony na vnitřní straně náhrady byly odstraněny a nově vzniklá hranice byla opět oříznuta připravenou plochou. Upravený STL model (mrak bodů) bez vnitřních ploch a s oříznutou hranicí je na obr. 5.

Obr. 5. Oříznutý STL model implantátu - mrak bodů

Dále bylo nutné pokrýt upravenou trojúhelníkovou síť plochami. Tato operace byla provedena najednou - 99 % bodů modelu implantátu se po vytvoření ploch nacházelo v rozsahu nastavené tolerance (0,1 mm pro vzdálenost plocha - polygonová síť a 0,08 mm mezi volnými hranami plochy a polygonové sítě).

Obr. 6. Odchylky mezi STL modelem implantátu a vytvořenými plochami

Následně byl kolem okraje modelu vytvořen lem zastávající dvě funkce - zarovnával okraj plošného modelu implantátu a vytvářel základ pro dostatečnou tloušťku objemového modelu implantátu. Vnitřní strana implantátu byla poté překryta další plochou, takže vznikl uzavřený plošný model, který byl následně konvertován na model objemový (obr. 7).

Obr. 7. Oříznutý STL model implantátu - Plochy z STL modelu - Uzavřený plošný model - Objemový model

Po zapolohování obou modelů v prostředí sestavy aplikace CATIA byl pomocí booleovské operace model kolene odečten od modelu implantátu. Konečný tvar individuální kolenní náhrady s vnitřními plochami odpovídajícími povrchu kolene je na obr. 8.

Aby byl tvar vnitřní strany implantátu dobře patrný, nejsou na něm vymodelovány upevňovací elementy (typicky čepy, viz pravá strana obr. 1). Dalšího zvýšení stability implantátu na koleni je možné dosáhnout pomocí orámování vnitřní strany implantátu, které vymezuje oblast aplikace kostního cementu (cementovaná náhrada), nebo je možné použít implantát s pórovitou vnitřní stranou umožňující vrůstání kostní tkáně přímo do implantátu (necementovaná náhrada).

Obr. 8. Konečný model kolenní náhrady

První prototyp implantátu z plastu

K výrobě prototypu upraveného implantátu byla využita metoda Fused Deposition Modeling na 3D tiskárně Dimension. Použitým materiálem byl plast ABSplus. Pro prvotní náhled na daný fyzický model je použití plastu zcela dostačující. Vytištěný model s přebroušeným povrchem je na obr. 9.

Obr. 9. Fyzický prototyp individuální kolenní náhrady

Poznatky pro budoucí výzkum

Použitý postup vedoucí k vytvoření kolenní náhrady se ukázal jako vhodný. STL data kolenního kloubu, stejně jako STL data v současnosti běžně používaných náhrad, poskytovala dostatek informací pro vytvoření upraveného implantátu. Rovněž tisk fyzického modelu z termoplastu ABSplus prokázal, že kolenní náhradu je možné metodami rapid prototypingu vyrobit. Zde se tedy otevírá cesta k využití titanové slitiny TiAl6V4, která je vhodná pro chirurgické implantáty.

V případě úpravy kolenní náhrady způsobem popisovaným v předcházejících odstavcích (otisk kolene do implantátu) bylo zjištěno, že může být obtížné nalézt vhodnou dvojici „koleno/standardní kolenní náhrada". Důvodem je, že otisk kolene do náhrady musí být rovnoměrný a dostatečný hluboký, ale bez přílišného odstranění materiálu náhrady. Jakmile bude otisk nerovnoměrný, tloušťka implantátu může být příliš malá, nebo naopak příliš velká v oblastech s nedostatečnou hloubkou otisku. Je to způsobeno faktem, že implantáty jsou v současnosti vyráběny pouze v několika rozměrech podobného tvaru (typicky 6 pravých/levých rozměrů [2]), zatímco femorální části kolenních kloubů mohou mít různé tvary i velikosti. Aby se zamezilo nerovnoměrnému otisku kolene do náhrady, je nutné připravit implantát, jehož vnitřní strana bude respektovat tvar kolene po odstranění poškozené chrupavky a kostní tkáně a geometrie vnější strany se bude lišit od v současnosti používaných implantátů.

Využití nejen u kolenního kloubu

Použití uvedeného postupu, resp. jeho upravené varianty respektující poznatky získané při tvorbě implantátu s obtiskem kolene se nabízí i pro jiné kloubní náhrady, např. náhrady kyčelních kloubů. Zajímavá může být i oblast veterinární medicíny, ve které se zkouší využití kloubních náhrad u psů trpících osteoartrózou [1, 5].

Popisovaná individuální kolenní náhrada je v současnosti předmětem pokračujícího výzkumu zaměřeného na úpravu a vylepšení geometrie náhrady, snížení její hmotnosti, 3D tisk a virtuální i experimentální testování jejich mechanických a materiálových vlastností.

Literatura

[1] ALLEN, M. J., et al. Cemented Total Knee Replacement in 24 Dogs: Surgical Technique, Clinical Results, and Complications. Veterinary Surgery, 2009, vol. 38, s. 555-567.

[2] Beznoska s.r.o. Totální náhrada kolenního kloubu [on-line]. [cit. 2009-05-20]. Dostupné z WWW: .

[3] Biomet, Inc. The Vanguard® Complete Knee System [on-line]. [cit. 2009-08-05]. Dostupné z WWW: .

[4] DePuy Orthopaedics, Inc. LCS Complete operační technika a produktové informace [on-line]. [cit. 2009-08-05]. Dostupné z WWW: .

[5] LISKA, W. D., DOYLE, N. D. Canine Total Knee Replacement: Surgical Technique and One-Year Outcome. Veterinary Surgery, 2009, vol. 38, s. 568-582.

[6] NEDOMA, J. et al. Biomedicínská informatika II. : Biomechanika lidského skeletu a umělých náhrad jeho částí. Praha: Univerzita Karlova v Praze, Nakladatelství Karolinum, 2006. ISBN 80-246-1227-5.

[7] Stryker Corporation. The Surgical Procedure for Total Knee Replacement [on-line]. [cit. 2009-08-06]. Dostupné z WWW: .

Martin Madaj, Josef Sedlák, Ondřej Charvát, Miroslav Píška

Ústav strojírenské technologie, Fakulta strojního inženýrství, VUT v Brně

madaj@fme.vutbr.cz

PODĚKOVÁNÍ

Tento příspěvek vznikl v rámci projektu Specifického výzkumu "Technologie výroby složitých částí se specifickými požadavky na tvarové a funkční vlastnosti", reg. č. FSI-J-10-73, ident. č. 404, financovaného FSI VUT v Brně.