Cercetări Privind Realizarea cu Laser a Unor Proteze Medicale 3d Personalizate, din Biomateriale

Cercetări privind realizarea cu laser a unor proteze medicale 3D personalizate, din biomateriale

Cuprins

3. Tipuri de palpatoare

4. Principalele caracteristici ale software-ului

5. Formate de fisiere grafice de import

6. Modelarea asistată de calculator a implanturilor osoase

6.1. Modelarea implanturilor pentru șold

6.2. Modelarea implantului pentru genunchi

6.3. Modelarea implantului pentru femur

6.4. Modelarea implantului pentru picior

6.5. Modelarea implantului osos pentru coloana vertebrală

6.6. Modelarea implantului osos facial

6.7. Modelarea implantelor dentale

6.8. Modelarea altor tipuri de implanturi osoase

7. Rezultate experimentale obținute la ……………………..

7.1. Testarea ……………….. la …………………………….

7.1.1 …………………………………………………………………………

7.1.2 Testarea funcțională a unui model de ……………..

Bibliografie

3. Tipuri de palpatoare

Pe plan tehnic, majoritatea instrumentele de digitizare a formelor folosesc principii elementare de trigonometrie, triangulație pentru determinarea coordonatelor unui punct în spațiu. Astăzi, pentru achiziționarea punctelor de pe o suprafață, există mai multe tipuri de palpatori de digitizare.

Palpatorii se împart în două categorii:

palpatori cu contact;

palpatori fără contact.

4 Principalele caracteristici ale software-ului

Principalele caracteristici ale software-ului sunt:

gama extinsa a tipurilor de fisiere grafice pentru import de date;

spațiul de lucru ecran este configurabil permițând vederi 2D – 3D multiple;

unelte software eficiente pentru segmentarea imaginii;

pastrarea gradului de curbura al imaginilor *;

generare de elemente de suprafața tip mesh – STL pentru ansambluri*;

algoritmi de decimare a meshurilor;

interfața operator intuitivă asigură o operare ușoară și o învațare rapidă;

vizualizarea structurilor complexe de date și a modelelor;

modelul STL nu trebuie ajustat manual – se garantează că, modelul STL este de înaltă calitate si compact;

modelul STL poate fi generat pentru ansambluri de corpuri;

tesselarea cu grad redus de distorsionare determină un grad de meshare ușor de folosit în programe externe.

5 Formate de fișiere grafice de import

Formate de fisiere grafice de import:

Formate 3D – DICOM versiunea 3.0 (incluzând diversele tipuri de codări JPEG, RLE), versiunile 1 și 2 ale formatului ACR-NEMA, Interfile, Analyze, Meta-Image, date raw image data. Stive de imagini 2D – 2D DICOM, BMP, GIF, IFF, JPEG, PCX, PNG, PNM, TIFF, XPM.

5.1 Interfața utilizator

Interfața utilizator a programului ScanIP este constituită dintr-un set de ferestre definite de utilizator (fig. 5.6).

Fig.5.1 Set de ferestre definite de utilizator

În acest mod pot fi prelucrate multiple proiecte sau seturi de date 3D în același timp.

Exista posibilitatea execuției de comenzi multiple “undo” și “redo”.

5.2 Modulul ScanCAD

Folosit in conexiune cu ScanIP, modulul ScanCAD (fig. 8.8) asigură o gamă de unelte pentru integrarea modelelor CAD în imaginea 3D.

Fig.8.8

Modulul poate fi folosit, de exemplu, pentru a obține configurații preoperatorii pentru pacient prin poziționarea modelelor CAD ale diferitelor implanturi peste o imagine prescanată.

Se pot obține și teste de performanță postoperative prin simularea modelelor combinate (os pacient si proteza) și scenarii multiple (ex. influența câmpului de sarcini asupra alinierii implantului, folosirea a diverse unelte de reaming, etc.)

6. Tipuri de proteze 3D care se pretează a fi executate cu laser prin SLS-3D

Principiul de protezare constă în folosirea de părți artificiale (proteze) pentru îmbunătățirea funcției vitale și a modului de viață a persoanelor cu deficiențe motorii și nu numai.

Trebuie de la început să recunoaștem că, până în prezent, cu toate progresele realizate în domeniile industriale, nu s-a ajuns încă până acolo încât să se poată înlocui natura, printr-o creație tehnică oricât de desăvârșită ar fi ea.

Protezele sunt foarte complexe, pot varia în funcție de aplicabilitatea lor [B2] și pot fi clasificate în funcție de criterii foarte diverse, dintre care unele sunt prezentate în Tabelul 2.1:

ortopedie (endoprotezele de umăr, cot, șold, genunchi, gleznă),

oftalmologie (lentilele intraoculare),

stomatologie (implanturile dentare),

chirurgia cardiovasculară (valvele artificiale, pacemaker-urile, graft-uri, stent-uri),

chirurgia reconstructivă (plăcuțele craniene).

6.1 Proteza de sold (Artroplastia totala de sold)

În cazul în care, cartilajul articular de la nivelul articulației șoldului este grav deteriorat datorită artrozei (coxartrozei) sau altor cauze, mișcările obișnuite, precum mersul pe jos sau ridicatul și așezatul pe scaun pot fi dureroase și dificile, șoldul poate fi înțepenit, odată cu avansarea bolii, pacienții simt durere și la repaus.

  Dacă medicația potrivită, modificarea activităților zilnice și utilizarea unor mijloace de sprijin (carje / baston / cadru de mers) nu ajuta la ameliorarea simptomelor, este timpul să luați în considerare o intervenție chirurgicală de protezare a șoldului.

Această intervenție este sigură și eficientă, va asigura dispariția durerii, creșterea mobilității și va ajuta în reluarea activităților zilnice, obișnuite.

Efectuată pentru prima dată în 1960, artroplastia de șold este una dintre cele mai de succes intervenții chirurgicale la nivelul întregii medicini.

De atunci, inovațiile în domeniul materialelor și tehnicilor chirurgicale au contribuit semnificativ la îmbunătățirea performanțelor acestei intervenții.

Anatomie

Șoldul reprezintă una din cele mai mari articulații ale corpului uman.

Acesta este format dintr-o cavitate concavă la nivelul bazinului (acetabul) și partea superioară a osului coapsei (femurul).

Suprafața osoasă a articulației șoldului este acoperită de cartilajul articular (un strat neted și lucios), ce protejează oasele și permite mișcarea.

O membrană subțire denumită membrană sinovială înconjoară articulația șoldului.

Într-un șold sănătos, această membrană secretă o cantitate mică de fluid care lubrifiază cartilajul si elimina aproape integral fricțiunea in timpul mișcării șoldului.

Totul este acoperit de către capsula articulară care, cu ajutorul unor ligamente puternice conferă stabilitate șoldului.

Apariția coxartrozei se caracterizează prin pierderea supleței cartilajului articular, cu îngustarea până la dispariția spațiului articular (oasele vin în contact -„os pe os"), și apariția osteofitelor (ciocuri osoase).

6.1.1 Descrierea procedurii

În cadrul protezării totale a articulației șoldului (artroplastia totală de șold) osul și cartilajul deteriorat sunt îndepărtate și înlocuite cu elementele protezei.

Capul femural (porțiunea superioară a femurului) deteriorat este îndepărtat și înlocuit cu o tijă metalică, care se introduce pe centrul femurului.

Tija femurală poate fi sau nu cimentată în os.

O bilă metalică sau ceramică este fixată la partea superioară a tijei.

Ea înlocuiește capul femural deteriorat care a fost îndepărtat.

Cartilajul articular deteriorat de la nivelul acetabulului este îndepărtat și înlocuit de o emisferă metalică, ce se va potrivi perfect în concavitatea osului coxal.

Ea este fixată uneori cu ajutorul unor șuruburi sau cu ciment.

Un distanțier de plastic, ceramică sau metal este introdus între bilă (noul cap femural) și emisfera metalică pentru a permite o alunecare ușoară.

Pentru obținerea unui model tridimensional în cazul unui implant de șold se urmărește, în general, achiziționarea unor radiografii ale articulației pacientului, sau al unui set de imagini CT.

Fiecare dintre ele prezintă avantaje și dezavantaje specifice (criterii ce țin de cost, erori de geometrie și contrast, cantitatea de radiații primite de organism, etc) [60].

Cel mai important aspect în construirea unei proteze pentru șold este dimensionarea exactă astfel încât suprafața de contact cu femurul să nu producă deplasări nedorite.

Metoda bazată pe scanări succesive ale încheieturii pacientului constă în obținerea modelului 3D din imagini CT.

Aceste imagini sunt avantajoase pentru că, pozițiile structurilor anatomice relativ la corpul uman sunt corecte, iar rezoluția imaginilor este foarte bună, dar prezintă și dezavantajul că pot exista erori geometrice sau de constrast, și sunt destul de greu de obtinut.

În schimb, radiografiile sunt ușor de realizat, dar au erori mult mai mari decât cele găsite în imaginile CT.

Pornind de la acest set de imagini, se poate obține un model 3D al implantului astfel: pe baza imaginilor, se delimitează conturul implantului, dar în mod manual.

Apoi se folosește un soft precum AUTOCAD pentru a obține modelul 3D.

Pentru a reduce erorile, măsurătorile trebuie reluate de mai multe ori, rezultând într-un proces îndelungat și repetat de-a lungul a mai multe zile.

Modul în care a fost construit implantul este același, atât pentru imaginile CT, cât și pentru radiografii, iar modelele implantului sunt foarte asemănătoare.

Fig 6.1. Planificarea inserarii unei proteze cu ajutorul aplicatiei VIRTOPS [61].

6.2. Modelarea implantului pentru genunchi

O metodă pentru personalizarea asistată de calculator a implanturilor pentru genunchi se poate baza, în general, pe un design construit din imaginile obținute în urma unei scanări tomografice a încheieturii genunchiului pacientului [68].

Această abordare personalizează atât suprafața articulată a implantului cât și interfața os-implant pentru a adresa problemele întâlnite în crearea implantelor osoase. În metodele studiate anterior se folosea un model generic, iar capetele de contact cu osul erau modelate prin tăieturi planare.

Pentru personalizarea implantului, este sugerată următoarea secvență de pași.

Primul pas este identificarea țesutului osos din scanări.

Pentru obținerea unui model precis se efectuează mai întâi ajustarea contrastului imaginilor și extragerea liniilor de contur ale încheieturii.

În acest pas, s-a folosit o varietate de grade de threshold, precum și diverse tehnici de editare (de exemplu, interiorul osului este obținut inițial cu spații goale, ceea ce evident nu este posibil, deci trebuie introdusă o măsură corectivă).

Informațiile astfel obținute au fost stocate sub forma unei suprafețe formate din triunghiuri: numărul inițial este foarte mare și dimensiunile variază sensibil, dar după aplicarea unor algoritmi de remodelare se ajunge la un număr mai redus de triunghiuri de aceleași dimensiuni.

Fig 6.2. Planificarea 3D a operatiei in cazul implantului de genunchi, folosind TKR [69].

“Total knee replacement” (TKR) [69] este o aplicație software ce urmărește abordarea aceleiași probleme. Scopul ei este îmbunătățirea mobilității pacienților afectați de dizabilități grave ale genunchiului pentru că, aceștia să ducă o existență normală în continuare.

Metoda clasică de înlocuire a articulației presupunea folosirea unui ghid mecanic, care forțează poziționarea protezei în decursul inserării acesteia.

6.3 Implant femur

Proteza picior

Figura 5.1 – Proiectarea de suprafete dupa schite

Figura 5.2 – Forma “bruta” a protezei

6.3 Proteza de cot

6.4 Modelarea implantului osos pentru coloana vertebrală

Deși accentul este pus pe implantul de șold, în general, se folosesc și alte tipuri de tipuri de implanturi osoase pentru care modelarea asistată de calculator a devenit necesară: pentru coloană, încheietura umărului, genunchi, pentru toate fiind nevoie de aproximativ aceeași pași [71].

În cazul modelării unui disc artificial ce urmează a fi implantat în regiunea lombară a coloanei, primul pas este reconstruirea coloanei vertebrale pe baza imaginilor CT și a unui sistem CAD.

Un prototip de disc, format din 3 elemente este propus.

Pentru a asigura o distribuție a presiunii cât mai apropiată de cea întâlnită la o vertebră naturală, se folosește o modelare bazată pe FEM.

Ultimul model de implant propus de autori se aplică pentru încheietura umărului pacientului. Acesta este obținut prin aceeași secvență de pași.

O alta metodă care abordează problema modelării unui implant artificial pentru coloană este descrisă în [72].

Autorii prezintă problema obținerii unui implant personalizat pentru inserarea în partea afectată a coloanei vertebrale, astfel încât modelul obținut să respecte proprietățile mecanice ale unei vertebre.

Ca și în metodele prezentate până acum, se pornește de la un set de imagini CT ale pacientului, care sunt apoi analizate pentru a obține modelul 3D a vertebrelor adiacente celei deteriorate.

Obținerea implantului se realizează pe baza parametrilor măsurați din imaginile CT, urmând ca, pasul final să fie obținerea modelului 3D, care apoi a fost analizat folosind FEA și asamblat cu celelalte modele ale vertebrelor pentru a fi simulata interactiunea dintre ele.

În final, autorii semnalează problema obținerii unui model viabil pe baza imaginiilor CT.

6.4 Modelarea implantului osos facial

Procesul de modelare și fabricare a implantelor osoase faciale sunt asemănătoare cu cele prezentate până acum. Mai întâi se efectuează o scanare tomografică, iar datele sunt importate în MIMICS (Materialise Interactive Medical Image Control System) pentru a obține un model 3D al anatomiei craniului pacientului.

Pentru crearea modelului implantului, se face o oglindire a părții neafectate a modelului 3D și apoi o mai bună rafinare a modelului pentru a trece la pasul de construcție a acestuia. Deși rezultatele obținute de autori sunt favorabile, pe tot parcursul procesului, este necesară și implicarea utilizatorului, precum și folosire a mai multe aplicații software (procesul nu este integrat într-o singură aplicație). Un alt tip de implant osos facial este cel pentru bărbie. În construcția unui astfel de trebuie luate în calcul pe langă considerentele de natura strict medicală și cele de ordin estetic. Astfel a apărut ideea realizarii unui cadru de lucru care să permită obținerea unor rezultate superioare în urma unei operații chirurgicale [74]. În cadrul preoperator, prin intermediul unor scanări detaliate se poate obține un model al mandibulei. Pe baza acestui model, se poate construi suprafața interioară a protezei astfel încât aceasta să se potrivească exact. Forma exterioară se bazează pe un model deja existent (o mandibula intreaga), iar in final se conectează cele două regiuni pentru a realiza modelul complet al elementului prostetic. Aplicând această metoda se pot obține rezultate superioare celor clasice, în principal datorită racordării exacte între mandibulă și proteză. Din acest motiv și timpul de operație a fost redus. De asemenea din punct de vedere estetic rezultatele au fost excelente și nu au existat complicații postoperatorii, care să necesite operații suplimentare sau înlocuirea / îndepărtarea protezei.

6.5 Modelarea implantelor dentale

De asemenenea, modelarea asistată de calculator este folosită și în cazul implantului dental [75]. Astfel, se încearcă combinarea datelor obținute din scanarea tomografică cu cele obținute prin scanarea optică, încercându-se atât obținerea și planificarea modelului prin intermediul unei singure aplicații software.

Totuși procesul nu este automat: pe baza datelor obținute din scanări se generează modelul 3D al danturii, urmând ca utilizatorul (medicul) sa aleagă dintr-un set predefinit de implanturi pe cel potrivit și să planifice manual poziția acestuia.