Anatomia picioului [306864]

Cuprins

Capitolul 1

Anatomia picioului

Operație de calcaneu necesară fracturii de tip 2b (Sanders)

Capitolul 2

Materiale, [anonimizat].

Tipuri de implanturi utilizate în protezarea calcaneului.

Capitolul 3

Soluții software pentru proiectare: Mimics Innovation Suite si Autodesk Inventor

Capitolul 4: Partea practică.

Stabilirea planului operator. Simulări numerice.

Analiza imaginilor

Capitolul 1 Anatomia piciorului. Operație de calcaneu necesară fracturii de tip 2B (Sanders).

Anatomia piciorului.

Scheletul membrului inferior:

[anonimizat], [anonimizat], fibulă, și oasele piciorului (tarsiene, metatarsiene și falange).

Dacă facem o [anonimizat] o caracteristică esentială privind forma și structura lor. [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat] a [anonimizat] a caror actiune se menține poziția verticală si echilibrul în statică și mers. Oasele de centură și pelvisul osos au fost descrise la peretii trunchiului.

Scheletul membrului inferior liber:

Coapsa.

Femurul este osul care formează singur scheletul coapsei. [anonimizat].

Orientare: superior, [anonimizat], suprafața hemisferică a acestuia, [anonimizat] a corpului osului. [anonimizat]-un corp (diafiză) și două extremitați (epifize) prozimială si distală.

Corpul femurului are formă de prismă cu trei fețe și trei margini și prezintă o usoară curburî cu concavitatea posterioară. Fața anterioară este convexa și netedă. [anonimizat], netede. [anonimizat], deoarece este rugoasă si proeminentă. Epifiza proximală are un cap articular numit cap femural reprezentând 2/3 dintr-o sferă. În centrul feței articulare se găseste o depresiune, unde se prinde ligamentul capului femural. Capul femural pătrunde în acetabul și se atriculează din fața lunată formând articulația șoldului.

Gamba

Tibia

Orientare: anterior, marginea cea mai ascutită a corpului, inferior, [anonimizat], apofiza acestei extremițati.

[anonimizat] a gambei, fiind principalul os de sprijin al acesteia și are o directie verticală. Ea are un corp și două epifize.

Corpul tibiei are o [anonimizat], concavă medial; este de formă prismatică cu trei fețe și trei margini. [anonimizat]. Ea are în partea superioară o rugozitate, unde se insera prin intermediul unei formațiuni fibroase. [anonimizat]. Fața posterioară prezintă superior o creastă osoasă oblică. Epifiza proximală a tibiei este voluminoasă, usor curbată posterior, de formă patrulateră cu axul mare orientat transversal. Ea este formată din doi condili, unui medial și altul lateral.

Fibula

Orientare: inferior, extremitatea turtită a osului; medial, suprafata articulară a acestuia, iar posterior, marginea cu un șanț al acestei extrimitați.

Fibula are un corp și două epifize. Corpul fibulei prezită trei fețe de orientare la fel ca și cele ale tibiei. De remarcat că ele sunt evidente numai în ¾ superior al osului, inferior ramanând evidente numai după fețe. Fața laterală prezintă superior un șanț. Fața medială este cea mai îngustă fața a fibulei. Fața posterioară este despartită de fața medială prin cresta medială.

Piciorul

Piciorul este regiunea membrului inferor situată distal de articulația gleznei. Piciorul este împarțit în glezna, metatars si degete. Degetele sunt în numar de cinci, medial find situat degtul mare sau halucele, iar lateral degetul mic. Piciorul prezintă o față superoiară (fața dosrală a piciorului) și o față inferioară. Abducția și adducția degetelor se realizează în raport cu axul lung al degetului II. Spre deosebire de mana, la care policele este orientat la 90 de grade fara de celelalte degete, halucele are orientare indentica cu a celorlalte degete. Piciorul este zona de sprijin a corpului pe sol, in ortostatism. De asemenea asigura propulsia anterioara a corpului, in timpul mersului.

Oasele: La nivelul piciorului sunt trei grupe de oase:

Sapte oase tarsiene, care formeaza structura osoasa a gleznei

Metatarsienele (I-V), care sunt oasele metatarsului

Falangele, care sunt oasele degetelor – fiecare deget are trei falange, cu exceptia halucelui, care are doar doua.

Oasele tarsiene: sunt aranjate intr-un grup proximal si un grup distal, intre aceste doua grupuri fiind un os intermadiar, situate pe partea mediala a piciorului.

Grupul proximal:

Grupul proximal este alcatuit din doua oase mari, talusul (glezna) si calcaneul (calcaiul).

Talusul este osul superior al piciorului, asezat deasupra calcaneului, care il sustine – se articuleaza superior su tibia si fibula, formand articulatia taloclurala (articulatia gleznei), iar anterior se articuleaza cu osul tarsian intermadiar, pe partea mediala a piciorului.

In vedere laterala, talusul, are forma de melc. Prezinta un cap rotunjit, orientat anterior si medial, un col scurt si plat si un corp voluminous, situate posterior. Anterior, capul talusului prezinta o fata articulara convexa, care se articuleaza cu fteta articulara corespunzatoare, concave, de pe fata posteroara a osului navicular. Inferior, fata articulara a capului se continua cu trai fatete articulare, separate de margini netede:

Fatetele articulare anterioara si mijlocie, care se articuleaza cu fatete corespunzatoare de pe calcaneu;

Alta fateta, situata medial fata de fatetele pentru articulatia cu calcaneul, la nivelul careia se insera un ligament – ligamentul calcaneovicular plantar – care uneste calcaneul cu navicularul, pe sub capul talusului.

Colul talusului prezinta un sant adanc (santul talusului) pe fata inferioara, care trece oblic spre anterior pe fata inferioara a talusului, dinspre medial spre lateral. Santul se latest in partea laterala. Posterior fara de santul talusului se afla o fateta articulara mare ( fata calcaneala posterioara pentru articulatia cu calcaneul.

Partea superioara a corpului talusului este proeminenta si patrunde in cavitatea delimitate de epifizele distale ale tibiei si fibulei, formand articulatia talocrurala:

Fata superioara (trofleara) a acestei regiuni proeminente se articuleaza cu epifiza distala a tibiei;

Fata mediala se articuleaza cu maleola mediala a tibiei;

Fata laterala se articuleaza cu maleola laterala a fibulei;

Deoarece maleola laterala este mai mare si coboara mai mult decat maleola medial, suprafata articulara corespunzatore – laterala a talusului este mai mare si prelungita inferior mai mult fata de suprafata medial.

Partea inferioara a fetei laterale a corpului talusului, care sustine partea inferioara a fetei articulare pentru fibula, formeaza o proeminenta osoasa (procesul lateral). Fata inferioara a coepului talusului prezinta o fateta mare, ovala, concave (fata calcaneeana posterioara). Pentru articulatia cu calcaneul.

Partea posterioara a corpului talusului prezinta o proeminenta posterioara si mediala (procesul posterior). Procesul posterior este alcatuit din tubercului lateral si tubercului medial, intre care se afla santul pentru tendonul muschilor flexor lung al halucelui, prin care tendonul trece de la gamba la picior.

Calcaneul:

Calcaneul este situat sub talus, pe care il sustine. Este un os in forma de cutie, alungit, neregulat, cu axul lung orientat de-a lungul liniei mediane a piciorului, dar pe care o depaseste lateral, in partea anterioara.

Calcaneul proemina posterior de articulatia talocrurala si formeaza structura osoasa a calcaiului. Fata posterioara a calcaneului este circular si este impartita in parte superioara, parte mijlocie si parte inferioara. Tendonul calcaneean (tendoul lui Achile) se insera pe partea mijlocie:

Partea superioara este separate de tendonul calcaneean printr-o bursa;

Partea inferioara bombata anterior, acoperita de tesut subcutanat, este regiunea de sprijin a calcaiului si se continua pe fata inferioara a osului ca tuberozitate calcaneeana.

Tuberozitatea calcaneeana se prelungeste anterior, pe fata plantara, formanf procesul medial, mai voluinos si procesul lateral, maimic, intre care se afla o depresiune in forma de V. La extremtatea anterioaraa fetei plantare se afla un tubercul (tuberculul calcaneean) pentru insertia posterioara a ligamentului plantar scurt.

Fata laterala a calcaneului este neteda, cu exceptia a doua mici proeminente osoase. Una dintre proeminente – trohleea fibulara (tuberculul peronier) – este situate anterior de mijlocul acestei fete, pe care mai sunt doua santuri superficiale, situate unul deasupra celuilalt, cu directie oblica.

Pe fata laterala a calcaneului, tendoanele muschilor peronier scurt si peronier lung sunt separate de trohlee. Superior si posterior de trohleea fibulara se afla cealalta proeminenta sau tubercul pentru insertia partii calcaneofibulare a ligamentului colteral lateral al articulatiei talocrurale.

Fata mediala a calcaneului este concave si prezinta o prelungire pe marginea superioara, numita suspentaculum tali, care este un prag osos orientat medial, ce sustine partea posterioara a capului talusului. Inferior fata de suspentaculum tali se afla unsant distinct, orietat postero-anterior, prin care tendonul muschiului flexor lung al halucelui trece spre planta. Fata superioara a lui suspectaculum tali are o fateta (fata articulara talara mijlocie) pentru articularea cu fata corespunzatoare, fata mijlocie de pe capul talusului.

Fatetele talare anterioara si posterioara sunt situate pe fata superioara a calcaneumui:

Fata articulara talara anterioara este mica si se articuleaza cu fateta articlara anterioara a capuui talusului;

Fata articulara talara posterioara estemare si este situate aproximativ la mijlocul fetei superioare a calcaneului;

Intre fara articulara talara posterioara, care se articuleaza cu corpul talusului si celelalte doua fete articulare, care se articuleaza cu capul talusului, se afla un sant adanc (santul calcaneean).

Santul calcaneean, de pe fara superioara a calcaneului, impreuna cu santul talusului de pe fata inferioara a acestuia, formeaza snusul tarsului, un spatiu larg, situate intre extremitatiile anterioare ale calcaneului si talusului, vizibil in vederea laterala a scheletului piciorului.

Osul navicular (tarsian intermadiar).

Osul tarsian intermadiar, situat pe partea mediala a piciorului, este osul nevicular (cu forma de barca). Posterior se articuleaza cu talusul, iar anterior si in partea laterala se articuleaza cu oasele tarsiene din grupul distal.

O caracteristica distincta a osului navicular este o tuberozitate rotunjita, proeminenta, situata in partea mediala a fetei plantare, pe care se insra tendonul muschiului tibial posterior.

Grupul distal

Dinspre lateral spre medial grupul distal al oaselor tarsiene este alcatit din:

Osul cuboid care se articuleaza posterior cu calcaneul, medial cu cuneiformul lateral, iar anterior cu bazele ultimelor doua metatarsiene – prezinta pe fata plantara, in partea anterioara, un sant adanc, prin care tendonul muschiului peronier lung trece oblic anterior, dinspre lateral spre medial;

Trei cuneiforme (termenul latinesc pentru “pana de despicat”) – oasele cuneiform lateral, intermediar si medial, care se articuleaza intre ele si in plus, toate se articuleaza posterior cu osul navicular, iar anterior cu bazele primelor trei metatarsiene.

Metatarsienele.

Sunt cinci matatarsiene la picior, numerotate de la I la V, dinspre medial spre lateral. Metatarsianul I corespunzator halucelui, este cel mai scurt si cel mai gros. Metatarsianul II este cel mai lung. Fiecare metatarsian prezinta un cap in partea distala, o diafiza alungita, in partea milocie si o baza, in partea proximala.

Capul fiecarui metatarsian se articuleaza cu falanga proximala a degetului corespunzator, iar baza se articuleaza cu unul sau mai multe oase tarsiene din grupul distal. Fata plantara a capului metatarsianului I se articuleaza si cu doua oase sesamoide. Marginea bazelor matatarsienelor II-V se articuleaza intre ele. Partea laterala a bazei metatarsianului V prezinta o tuberozitate proeminenta, orientata posterior, pe care se insera tendonul muschiului peronier scurt.

Falangele.

Oasele degetelor sunt reprezentate de falange. Fiecare deget are 3 falange (proximala, medie si distala) , cu excepria degetului mare care are doar doua falange (proximala si distala).

Fiecare falanga este alcatuita dintr-o baza, o diafiza si un cap, situate distal:

Baza fiecarei falange proximale se articuleaza cu capul matatarsianului corespunzator;

Capul fiecarei falange distale este nearticulat s turtit, formand o tuberozitate plantara, in forma de semilunar

La nivelul degetelor, lungimea totala a falangelor este mai mica decat lungimea metatarsianului corespunzator.

Interventia chirurgicala:

1. Principii ale țesuturilor moi

Prejudiciul țesutului moale.

Toate fracturile de calcaneu au un spectru de prejudiciu al țesuturilor moi. Odihnă, gheață și suspendarea piciorului va ajuta în rezolvarea prejudiciului țesuturilor moi, și pregatirea piciorului pentru îngrijirea definitiva, indiferent de tipul de fractură și de tipul de tratament. Ne aplicarea greutatii pe picior este esențială până când planul final de tratament a fost executat. Poate aparea sindromul de compartiment( umplerea unui spatiu inextensibil cu un lichid, in cazul nostru, cu lichid de edem. Frecventa si indicatiile tratamentului nu sunt in present foarte clare. In cazul in care sindromul de compatiment nu apare, consolidarea va fi un succes.

Cantitatea de edem este un bun indicator al gradului de prejudiciu al țesutului moale. Pe măsură ce edemul scade, pielea incepe sa se increteasca atat pe partea laterală cat și pe cea medială. Cel mai bun indicator pentru a sti cand se poate incepe interventia chirurgicala este increțirea pielii. De obicei, trebuie să se astepte între 8-14 zile înainte ca intervenția chirurgicală sa poata fi efectuată fără consecințe grave. Valoarea maximă cat se poate întârzia este de aproximativ 3 săptămâni. După 3 săptămâni, fractura devine din ce în ce mai dificilă din cauza inceperii vindecării.

Fracturi deschise

Aceste leziuni sunt urgențe chirurgicale care necesită debridare de urgență și reducerea fragmentelor osoase. Vătămarea țesutului moale pentru rana deschisă este, de obicei, pe partea mediană. De multe ori, sutura nu foarte stransa a plagii chirurgicale, sutura per secundam, temporara, foloseste la pastrarea reducerii pana cand tesutul moale este pregatit pentru consolidarea definitiva a osului .Această imagine prezintă o rană severă a țesutului moale medial, care ar putea fi închisă dupa 3 zile.

2. Prezentarea cazului.

Acest caz prezinta un barbat de 65 de ani cu o fractura de calcaneu de tip 2b, conform clasificarii Sanders, fractură de tip limbă, care este deplasată, nu are contraindicații pentru intervenția chirurgicală.

In planul sagital se observa cum traiectul de fractura incepe pe fata inferioara a calcaneului si se imparte in Y pe masura ce iese medial si lateral in afara calcaneului, separand osul in 3 bucati si un fragment accesoriu.

Reducere

In desenul de mai jos sunt demonstrate pozițiile tipice ale celor cinci fragmente standard, care au nevoie de reducere. Tactica chirurgicală utilizata identifică un proces pas cu pas pentru manevra de reducere. In general, se începe prin identificarea fragmentului "constant", adică fragmentul sustentacular (4), care rămâne atașat la talus și nu se deplasează. Reconstrucția osului se bazeaza pe acest fragment stabil și, prin urmare, reconstrucția se incepe anterior și medial cu acest fragment și funcționează simultan pe posterior (2) și pe fragmentele articulare laterale (3). Pentru a realiza acest lucru, este adesea necesar să se aplice o forta de tracțiune pe fragementul 2, care ajută la restaurarea formei tridimensionale a osului. Odată ce acestea sunt la locul lor, se închide peretele lateral ca o ușă, aceasta fiind etapa finală a reconstrucției. Fragmentele sunt menținute temporar cu fire K. Pasul final este fixarea.

3. Abordare

Fractura este abordată standard prin partea laterală extinsă .De obicei, există un mic fragment de perete lateral, care ar trebui să fie conservat.

4. Reducere

Plasarea joystick-ului

Odată abordarea laterală extinsă este finalizată, iar hematomul este îndepărtat, liniile de fractura sunt vizualizate și identificate. Apoi, un șurub Schanz este inserat în fragmentul posterior (2) din partea laterala spre mediala, trecând prin ambele cortexuri. Acesta va servi ca un joystick pentru a ajuta la reducere.

Reducerea fragmentului tuberoz

Următorul pas este de reducerea fragmentului tuberoz (2) la cel "constant" medial fragmentului sustentacular (4). Odată ce fragmentul este redus, este ținut în poziție cu 2 fire K, care sunt introduse într-o direcție anterior superioară din partea inferior posterioara aspectului fragmentului tuberoz. Ele sunt îndreptate superior și anterior în fragmentul medial "constant" (4).

Ridicarea suprafeței articulare laterale

Cu tuberozitatea (2) redusa la piesa "constantă" (4), se reduce acum piesa de articulare laterală (3). Ea trebuie să fie ridicată, în scopul de a reconstrui cu succes suprafeța articulara.

Fixarea preliminară

O dată redus, este susținut cu fire K, care sunt introduse din partea laterală în fragmentul median "constant". În introducerea firelor K, ar trebui sa se tina cont de faptul că acestea nu ar trebui să ocupe locul judecat pentru introducerea șurubului fix subcondral, care va stabiliza suprafeța articulara. În timpul procesului de reducere și de fixare, trebuie tinut cont la fiecare pas ca piciorul sa rămâna în poziția neutră, sau în ușoară pozitie valg, în vizualizarea axială. Varus-ul piciorului trebuie să fie evitată.

5. Valgus fiziologic.

Cu pacientul în poziție laterală și pe partea de lucru laterală, există o tendință a piciorului de a se lasa in pozitie varus. De-a lungul intregii interventii chirurgicale, medicul trebuie să verifice în mod continuu ca piciorul sa rămâna în pozitie valgus. Prin verificarea continuă și utilizarea firelor K ca instrumente de reducere și fixare temporară, valgus-ul fiziologic se menține până când se obține reducerea finală și fixarea piciorului.

6. Fixarea.

Suruburi fixe subcondrale:

Odată ce se realizează reducerea suprafeței articulare, este menținută cu un șurub subcondral, care patrunde din partea laterală anterior-mediala în fragmentul "constant" subcondral .Astfel, atunci când gaura de foraj pentru șurub este realizata, trebuie să fie îndreptata cu atenție în aceste trei direcții:

a) lateral la medial

b) posterior la anterioar

c) cranial la caudal

În acest fel, porțiunile filetate ale șurubului vor fi dirijate în osul cortical sustentacular medial .Chirurgul trebuie să fie foarte atent în timp ce introduce șurubul sau suruburile.

Pe partea medială este mănunchiul neurovascular, care se termină în mod frecvent la vârful șurubului subcondral. În cazul în care se sapa prea mult, sau șurubul este inrodus prea mult prea mult medial, se poate deteriora pachetul neurovascular sau pe tendonul FHL.

Deficiența osoasă.

Suprafața de articulare a osului este impactata de osul talus in sustinerea tesutului spongios al calcaneului. Odată ce fragmentele articulare sunt despartite și ridicate, si asezate in pozitia initiala.

Studiile arată că grefa osoasă nu este necesară, dar unii chirurgi acopera golul cu materiale de substituție osoasă, precum și alți chirurgi aleg să ignore golul și utilizeaza placuta de fixare pentru a menține reducerea.

Alegerea placutei.

Alegerea plăcii depinde de severitatea fracturii calcaneului și calitatea acestuia. Modelele de fractură destul de simple a unui os bun necesită placare laterală simplă în timp ce modelele complexe de fractură cu piese mărunțite pot necesita plăci flexibile sau plăci de blocare.

Această imagine prezintă o fractură simplă redusă cu multiple fire K și șurub, sub articulația subcondrala. O placa tubulara cu 3 gauri poate fi necesara pentru o fractura simpla a unui calcaneu sanatos.

Inlocuitorul de os.

Aceste imagini postoperatorii realizate cu raze X arata înlocuitorul de os care umple golul creat, fiind un lucru obișnuit după reducerea fracturii. Acest gol este de aproximativ 8-10 centimetri cubi iar înlocuitorul de os va fi bioabsorbat în timp.

În timp de 0-2 săptămâni, inlocuitorul de os poate acționa pentru a sprijini anatomia osoasa inainte ca osul calcaneu sa inceapa sa se vindece si sa umple golul respectiv.

Plasarea plăcutei laterale.

Placuta laterala se pozitioneaza În colțul distal al inciziei țesutului moale pentru o abordare extinsă a calcaneului si pentru ca este destul de vulnerabilă la ruperea rănilor. Cele mai multe placi de calcaneu au cel puțin unul dintre punctele lor de fixare pe suprafata acestei rani.

Această imagine arată problema tipică prezenta la colțul distal al abordării laterale extinse a calcaneului în cazul în care un șurub și placă sunt chiar sub locul în care rana de obicei se desparte. Această incizie are între 5 și 15% incidență de rupere a rănilor, indiferent de locul unde sunt plasate placuta si suruburile.

Fixarea în fracturile de calcaneu extrem de cominutive.

Aceasta este o intervenție chirurgicală extrem de dificilă. Luarea deciziilor este controversată. Unii chirurgi favorizează fuziunea primară în timp ce altii favorizează tehnica primară ORIF cu reconstrucție ulterioară, dacă este necesar.

CT postoperator.

7. Inchiderea plagiilor.

Inchidere se face standard pe doua nivele cu ajutorul drenajului Hemovac (la inceputul operatiei este plasat un tub prin care sangele in exces se scurge). O cusatura absorbabila este utilizaat pentru prinderea țesutului subcutanat. Inchiderea țesuturilor moi trebuie făcută cu atenție, astfel încât există o sansa ca rana sa avanseze. Nu trebuie să existe nici o tensiune excesivă pe colțul distal al inciziei.

Pentru inchiderea ranii este utilizata o cusatura Allgöwer-Donati foarte aproape de stratul superior al pielii. Pielea trebuie apropiata și nu strangulată.

Capitolul 2. Materiale, forme geometrice, dimensiuni. Tipuri de implanturi utilizate in protezarea calcaneului.

Biomateriale.

Scurt istric:

Nefiind scrisă o redactata completă a biomaterialelor, se poate urmări dezvoltarea multimilenară a lor prin intermediul progreselor realizate în arta și știință.

Realizările în domeniul biomaterialelor au la bază trei domenii științifice: chimia, biologia și fizica, apoi aplicațiile tehnice sau ”punerea în operă“ culminând cu realizările clinice.

Din totdeauna oamenii au fost preocupați de restaurarea unor părți ale corpului, deteriorate sau pierdute datorită unor accidente sau boli. Printre primele griji ale oamenilor a fost restaurarea danturii care, de regulă, se deteriora prima datorită modului de viață și de hrană. Astfel, cele mai vechi exemple de proteze dentare se pare că au fost lucrărilor din aur ale fenicienilor, etruscilor și, mai târziu, ale grecilor și romanilor.

Aurul este considerat unul din cele mai vechi materiale utilizate, fiind folosit în scopuri stomatologice de cel puțin 2500 ani . De asemenea, babilonienii, asirienii și egiptenii (4500 – 4000 îen) prelucrau și utilizau aurul, argintul, cuprul și plumbul. Fenicienii (2700 îen), unul din cel mai mare popor comercial al lumii antice, erau considerați cei mai pricepuți metalurgiști ai antichității au răspândit în bazinul mediteranian cultura prelucrării metaleor precum cea a cositorului (epoca bronzului, 1000 – 3000 îen) sau a fierului (~990 îen). Dinții folosiți de antici erau umani sau ciopliți din dinți de animal, precum cei din fildeș. Hippocrates (născut în 460 îen) utiliza firele din aur și in în imobilizarea fracturilor osoase. Tot Hippocrates a fost inventatorul unui clește de extracție dentară precum și a altor instrumente stomatologice. Se pare, totuși, că în perioada antică materialele utilizate în restaurarea dentară erau simple și în număr redus, iar lucrările erau grosolane.

Realizările în domeniul biomaterialelor în perioada de la începutul erei noastre și până în jurul anului 1500, datorită misticismului și fanatismului religios, sunt total dezamăgitoare. Totuși în anul 659 e.n. s-a turnat primul aliaj dentar utilizat de om în medicina chineză: amalgamul cu compoziția 100 părți Hg, 45 părți Ag și 900 părți Sn. Sfârșitul Evului mediu, marcat de inventarea tiparului (1436) și de descoperirea Americii (1492) constituie practic trezirea popoarelor. S-au înființat numeroase universități cu facultăți tehnice și medicale la Bolognia, Oxford, Paris sau Montpellier. Deși erau cunoscute încă din antichitate utilizarea foliilor de aur pentru obturarea cavităților a reprezentat un salt semnificativ în tehnica de restaurare. O serie de scrieri ale lui Plinius (23 -79), Theophilus (sec.XI) și Cellini (1558) descriu activități desfășurate de pictori, bijutieri, sculptori, metalurgi etc. Niciunul dintre ei nu-și arogă originalitatea practicilor lor, ceea ce demonstrează existența acestor metode. Preotul Theophilus în “Eseu asupra artelor” descrie turnarea unei cupe de argint prin metoda “cerii pierdute“ sau metoda eliminării modelului de ceară. Această metodă s-a aplicat în stomatologie după multe secole. De asemenea, și Plinius și Theophilus și Cellini au descris lipirea aurului prin utilizarea acetatului de cupru, salpetrului (azotat de potasiu) și boraxului.

La sfârșitul secolului al XVI-lea, în Italia, Franța și Germania, dinții din os și fildeș se fixau de cei vecini prin sârme de aur și argint. În 1728 Pierre Fouchard menționează plumbul, cositorul și aurul ca materiale de obturație, iar utilizarea acelor dentare era o practică de rutină. Anul 1789 este anul introducerii porțelanului în uzul dentar, un eveniment deosebit pentru practica utilizării biomaterialelor în stomatologie. Începând cu secolul XVII (1746) încep să apară primele cărți despre stomatologia mecanică și deci și noi biomateriale restaurative. Studiul biomaterialelor a realizat un salt semnificativ după 1900.

Folosirea biomaterialelor nu a fost utilă până la descoperirea tehnicii chirurgicale aseptice, descoperită și studiată de Lister în anii 1860. Intervențiile chirurgicale precedente, fie că biomaterialele erau sau nu folosite, în general eșuau, din cauza infecțiilor ce apăreau. Problemele cauzate de infecții tind să se agraveze în prezența biomaterialelor, deoarece implantul poate fi incompatibil cu celulele care conferă imunitate corpului. În general, implanturile care s-au bucurat de succes, atât cele timpurii, cât și o mare parte a implanturilor moderne, au fost acelea realizate la nivelul sistemului osos. Plăcile osoase au început să fie înlocuite de pe la începutul secolului XX, pentru vindecarea fracturilor. La început, primele placi se rupeau, din cauza modelului mecanic rudimentar : erau prea subțiri, iar centrul de greutate era situat pe colțuri. Totodată, s-a descopeit că materiale precum vanadiul, materiale alese tocmai pentru proprietățile lor mecanice, sufereau procesul de coroziune în interiorul corpului. Modele și materiale mult mai bune au fost ulterior descoperite. Odată cu descoperirea metalelor inoxidabile, și a aliajelor de cobalt și crom în anii 1930, procesul de fixare și de vindecare a fracturilor a cunoscut mult mai mult succes, iar prima intervenție de înlocuire a articulaților a reușit. Cât despre polimeri, s-a descoperit că piloții de avioane de război din timpul celui de-al II-lea Război Mondial care erau răniți cu fragmente din acoperișul din plastic al aparatului de zbor (polimetil metacrilat – PMMA), nu sufereau de reacții adverse cronice din cauza prezenței acelor fragmentate în corp. De atunci, PMMA a început sa fie foarte des folosit în operațiile de înlocuire a corneei sau chiar în înlocuirea unor porțiuni de os cranian afectate. Ulterior, noi descoperiri s-au făcut în ceea ce privește folosirea biomaterialelor, cum ar fi de exemplu înlocuirea vaselor de sînge, tehnică descoperită în anii 1950 ; înlocuirea valvulei cardiace și a articulațiilor în anii 1960. În ultimii ani, multe alte inovații în acest domeniu au fost făcute.

Astăzi, există centre specializate de studiere a biomaterialelor, afiliate sau nu, pe lângă universități de prestigiu, colective interdisciplinare de chimiști, biologi, fizicieni, informaticieni sau ingineri metalurgi. Cercetările sunt focalizate pe materiale metalice, ceramice, polimerice sau de tip compozit.

Introducere in biomateriale.

S-a descoperit, că in tratarea bolilor si rănilor, pot fi utile o multitudine de materii nevii. Exemple comune ar fi suturile și lipirea dinților. Prin biomaterial se intelege un material sintetic folosit pentru a înlocui o parte a unui sistem viu sau pentru a funcționa in strânsa legatură cu un țesut viu. După Catedra de Biomateriale a Universitătii Clemson, in mod formal, biomaterialul este “o substantă inertă din punct de vedere sistematic și farmacologic, creată pentru a fi implantată în sau pentru a convietui alături de sisteme vii.” Dimpotrivă, prin material biologic se înțalege un material cum ar fi structura osoasă sau smalțul dinților, produs de un sistem biologic. Materiale artificiale care pur și simplu intră in contact cu pielea, cum ar fi aparatele auditive sau protezele pentru brațe, nu sunt biomateriale de vreme ce pielea joacă rol de barieră față de mediul extern. Biomaterialele sunt folosite, așa cum indică și Tabelul 1-1, pentru a înlocui o parte a corpului care și-a pierdut funcțiile din cauza unei boli, ca sprijin in procesul vindecării, pentru a ameliora funcții și pentru a corecta anomalii. Importanța biomaterialelor a crescut și datorită inovațiilor aduse în multe ramuri ale medicinei. De exemplu, o dată cu descoperirea antibioticelor, bolile infecțioase nu mai reprezintă o așa mare amenințare cum fuseseră în trecut, așa încât bolile degenerative capătă o mai mare importanță. Ba mai mult, inovațiile în tehnicile de chirurgie au făcut posibilă folosirea materialelor în domenii în care până atunci nici nu fusese posibilă utilizarea lor.

Clasificarea biomaterialelor

Calitatea unui material utilizat la construcția unui implant trebuie să respecte următoarele două criterii : criteriul biochimic și criteriul biomecanic. Conform criteriului biochimic, aplicabilitatea unui material este determinată de biocompatibilitatea sa, iar din punct de vedere biomecanic de rezistența la oboseală, cel mai important parametru dar nu singurul.

O clasificare uzuală a biomaterialelor, /V.Bulancea, St.Lacatusu, I.Alexandru (2006)/, este realizată pe criterii structurale, în patru clase mari de biomateriale, Tabelul 2-4, metalice, ceramice, polimerice și compozite.

Cele mai uzuale și cunoscute sunt biomaterialele metalice. Majoritatea materialelor metalice, Fe, Cr, Co, Ni, Ti, Ta, Mo și W, utilizate pentru majoritatea implantelor, sunt tolerate de țesuturile vii în cantități foarte mici, deși unele elemente metalice sunt esențiale pentru funcțiile celulare. Se menționează o categorie specială de aliaje cu « memoria formei », după deformare plastică ele revin, prin încălzire, la forma inițială. [Aplicații medicale: pentru anevrisme intracraniene, filtre pentru vena cavă, implanturi ortopedice etc.].

Biomaterialele ceramice sunt compuși policristalini, de obicei anorganici: oxizi metalici (alumina), carburi, hidride refractare, sulfide, selenide. [Principalele biomateriale ceramice sunt utilizate, în special, în stomatologie: coroane dentare, pentru aspectul estetic deosebit, rezistenței mari la compresiune și lipsei de reacție cu lichidele corpului uman].

Biomaterialele compozite se formează din două sau mai multe faze distincte cu proprietăți diferite de materialul omogen. Materialul de adaos dintr-un compozit poate avea formă de particule, fibre sau benzi. Materialele compozite fibroase sau sub formă de benzi laminate sunt compozite anizotrope, iar cele cu incluziuni sub formă de particule distribuite uniform în matrice sunt compozite izotrope. Compozitele anizotrope au rezistență mai mare decât cele izotrope. Compozitele anizotrope pot fi folosite doar dacă se cunoaște direcția de aplicare a tensiunii. De asemenea, este necesar ca fiecare constituent al compozitului să fie biocompatibil ceea ce înseamnă ca interfața dintre constituenți să nu fie degradată de mediul corpului.

O clasificare completă este propusă de Muster (1999) care introduce un nou criteriu privind originea biomaterialelor.

După acest criteriu clasificarea biomaterialelor poate fi:

1. Biomateriale care nu sunt de origine vie:

1.1. Biomateriale metalice

• Metale pure – prețioase (Au, Ag, Pt)

– neprețioase (Ti, Ta, W, Nb)

• Aliaje metalice – oțeluri inoxidabile austenitice

– de titan (TiAl6V4, TiAl5Fe2,5)

– tip cobalt – crom (cu sau fără W, Mo, Ni)

• Compuși intermetalici – amalgame dentare

– compuși sau aliaje cu memoria formei

1.2. Biomateriale ceramice

• Bioinerte – pe bază de oxizi (Al2O3, ZrO2)

– pe bază de carburi și nitruri (Si, Ti)

• Bioactive – pe bază de fosfat de calciu (hidroxiapatită – HA, fosfat tricalcic – TCP)

– pe bază de alte săruri ale calciului (carbonați, sulfați, aluminați)

1.3. Biomateriale pe bază de polimeri de sinteză

• Elastomeri: siliconi, poliuretani;

• Materiale plastice – termodurificabile (rățini epoxi, triazine etc.)

– termoplastice (PMMA, PHEMA, PVA, polietilena, PTFE, polisulfon, PEEK etc.)

– bioresorbabile: acid poliglicolic – PGA, acid polilactic – PLA)

1.4. Biomateriale composite de sinteză

• De tip organo – organice

• De tip mineralo – minerale

• De tip organo – minerale

2. Biomateriale de origine biologică

3. Biomateriale composite mixte

Totuși din gama de biomateriale descrise puține sunt cele utilizate, și aceasta datorită biocompatibilității reduse a unei părți din ele. Ca tehnică de vârf, se fac cercetări privind elaborarea unor biomateriale spongioase dar în același timp și cu rezistență mecanică mare. Din această categorie pot face parte spumele poliuretanice sau aliajele metalice tip spumă în care pot fi cultivate celule vii pentru realizarea unor țesuturi vii deci cu biocompatibilitate foarte ridicată.

Pentru selecția biomaterialelor, în scopul realizării unui implant, este necesară luarea în considerație a unei multitudini de factori ca: economic, mecanic, electric, mediu (chimic), siguranță (biologic), termic, suprafață, estetic, porformanță și cercetare.

OȚELURILE INOXIDABILE

Au proprietatea de a se acoperi cu un strat pasiv alcătuit în principal din oxizi de Cr, strat care este aderent, dens, impermeabil, puțin solubil (ceea ce-i conferă rezistență în medii agresive) și stabil, oferind oțelurilor inoxidabile o rezistență crescută la coroziune.

Capacitatea de a forma straturi protectoare se numește pasivizare, iar starea de rezistență ridicată la coroziune se definește ca pasivitate.

Oțelurile inoxidabile utilizate la executarea implantelor și protezelor chirurgicale trebuie să îndeplinească următoarele condiții:

Rezistență la coroziune și oxidare;

Proprietăți mecanice și fizice bune;

proprietăți tehnologice de interes pentru prelucrarea la cald și respectiv la rece;

sudabilitate bună, care să nu afecteze proprietățile mecanice și de coroziune.

Clasificarea otelurilor inoxidabile în funcție de matricea structurală este următoarea:

oțeluri inoxidabile martensitice

oțeluri inoxidabile ferito-martensice

oțeluri inoxidabile feritice

oțeluri inoxidabile ferito-austenitice

oțeluri inoxidabile austenitice.

În compoziția chimică a oțelurilor inoxidabile, pe lângă elementele de bază Fe, C, Cr, Ni, apar în proporții variabile și alte elemente de aliere care au ca scop principal mărirea rezistenței la coroziune și îmbunătățirea proprietăților mecanice și fizice.

Referitor la caracterul elementelor din compoziția chimică a oțelurilor inoxidabile, se disting două categorii:

elemente alfagene: Cr, Mo, Si, Ti, Nb, care măresc domeniul de existență al soluției solide ()

elemente gamagene: C, Ni, Mn, N, care măresc domeniul de existență al soluției ().

Proprietățile de bază ale oțelurilor inoxidabile se pot grupa pe anumite categorii:

proprietăți mecanice (rezistența mecanică, rezistența la uzură)

rezistența la coroziune

proprietăți tehnologice (deformabilitatea la cald și la rece, așchiabilitatea, sudabilitatea)

proprietăți economice (costul materiilor prime, costuri legate de procesare.

Oțelurile inoxidabile austenitice se caracterizează printr-un conținut scăzut de carbon (C<0,1%), un conținut de 1225% Cr și 830% Ni, având o anumită proporție de echivalent între elemente alfagene și gamagene și o stabilitate a austenitei până la temperaturi foarte scăzute.

Aceste oțeluri au caracteristici mecanice deosebite, rezistență bună la coroziune, se prelucrează ușor prin deformare plastică și o comportare bună la sudare.

Compoziția chimică a unor oțelurile inoxidabile austenitice utilizate ca biomateriale

Proprietăți mecanice ale oțelurilor inoxidabile

TITANUL SI ALIAJELE DE TITAN:

Prezentare generala. Titanul este unul din cele mai răspândite metale în natură; concentrația titanului în scoarța terestră, exprimată în procente masice, este 0.63%, ocupând locul 7, după Al (8.8%), Fe (5.1%), Ca (3.6%), Na (2.64%), K (2.6%) și Mg (2.1%).Titanul intră în compoziția a aproximativ 100 de minerale. Cele mai importante minerale ale titanului sunt:

• rutilul, TiO2,

• ilmenitul, FeTiO3 sau FeO.TiO2,

• titanomagnetitul, Fe3TiO6 sau Fe3O4.TiO2,

• perovskitul, CaTiO3 sau CaO.TiO2,

• titanitul (sfenul), CaTiSiO5 sau CaO.TiO2.SiO2

Mineralul principal de titan a fost și este ilmenitul, în care conținutul de titan este mare și se poate descompune ușor. Rutilul, care este mineralul de titan cel mai bogat, până în prezent n-a avut o importanță atât de mare ca ilmenitul, fapt explicabil prin greutatea cu care se descompune. Totuși în ultimul timp s-a elaborat o metodă prin care rutilul este transformat într-un produs intermediar lichid foarte pur. Tehnologia elaborării titanului este scumpă pentru că:

• titanul este puternic legat chimic în compușii existenți ca minerale (minereuri de titan);

• titanul reacționează puternic cu multe elemente chimice;

• titanul absoarbe gaze;

• elementele magneziu și sodiu utilizate la reducerea metalotermică a TiCl4sunt scumpe;

• purificarea TiCl 4este scumpă;

• obținerea titanului de înaltă puritate prin electroliză sau prin metoda iodurii este scumpă.

Deși prețul titanului în comparație cu al altor metale este mare, (vezi tabelul), avantajele utilizării lui sunt considerabile.

Există mai multe mărci de titan nealiat, prezentate în tabel, diferențiate prin conținutul de impurități. În general, elementele de aliere sunt introduse într-un element (metal) de bază pentru a obține o structură fazică și o microstructură care să poată fi modificate prin anumite transformări structurale (mai ales transformări de fază), realizate prin diferite tratamente, astfel încât să se obțină anumite proprietăți cerute de utilizarea rațională și eficientă a aliajelor în construcția unor piese, dispozitive, mașini sau instalații.

În titan, principalele elemente de aliere sunt: Al, Mo, V, Mn, Sn, Cr, Zr, Cu, W, Ta, Fe, Si. Pentru că prin aliere să se obțină rezultatele scontate, metalul de bază trebuie supus în prealabil unor operații de purificare, de micșorare a concentrațiilor elementelor impurificatoare, și să se obțină astfel anumite proprietăți cerute de utilizarea rațională și eficientă a aliajelor în construcția unor piese, dispozitive, mașini sau instalații.

Proprietati fizice ale Ti:

Datorită densității mici, asociată cu proprietăți mecanice bune, Ti și aliajele sale sunt superioare celorlalte materiale metalice, având rezistență mecanică bună raportată la densitate înaltă. Cele mai uzuale aliaje de Ti folosite în medicina umană sunt: TiAlNb, TiMoAlSn, precum și materialele clasice oțelurile inox și aliajele cobaltului. S-a tras concluzia că acolo unde este necesară o rezistența înaltă la oboseală sub sarcină, este indicată utilizarea aliajelor deTi.

CARACTERISTICI MECANICE ALE ALIAJELOR DE TI FOLOSITE ÎN MEDICINĂ.

Primul aliaj de Ti care îmbină proprietațile de biocompatibilitate specifice Ti cu caracteristicele mecanice cel puțin la fel de bune cu cele ale materialelor clasice este aliajul TiAl6V4, fiind foarte bine cunoscut și în industria spațială și cea aeronautică. Utilizarea acestui aliaj în implantologie implică riscuri de reacții toxice datorită prezenței în compoziție a vanadiului.

Un alt aspect care este în favoarea utilizării aliajelor de Ti pentru implanturi este că acestea nu sunt sensibile la fenomenul de coroziune sub sarcină cum este cazul oțelurilor inoxidabile.

Compoziția chimică a aliajului TiAl6V4 este: Azot 0.05%; Carbon 0.08%; Hidrogen 0.0125; Fier 0,25%; Oxigen 0.13; Titan restul. Principalul element de aliere este Al (5,5 – 6,5%) și vanadiul (3,5 – 4,5%).

Titanul este un element alotropic ce cristalizează în sistemul hexagonal compact (alfa- Ti) la temperaturi mai mari de 8800C și în sistemul CVC (beta- Ti) la temperaturi inferioare acestei valori.

Proprietațile fizice ale aliajelor de titan prezintă puține variații în comparație cu alte aliaje de titan, care are densitatea de 4,51 g/cm2 și este comparabilă cu cea a aliajului TiAl6V4 cu densitatea de 4,45 g/cm2 , iar coeficientul de dilatare este de 9,3* 10-6K-1, fiind și el comparabil.

În tabelul următor sunt prezentate proprietatile fizice ale titanului:

Proprietatile fizice ale titanului

Pe lângă proprietățile fizico-mecanice superioare, titanul se caracterizează printr-o bună rezistență la coroziune în multe medii, datorită formării unei pelicule superficiale, fine, de TiO2cu rol protector. Stratul de protecție conține și alți oxizi sau hidruri de titan, în funcție de natura mediilor corosive.

În tabelul urmator sunt prezentate principalele proprietăți mecanice ale aliajelor de titan.

Proprietățile mecanice ale aliajelor de titan

În ceea ce privește deformabilitatea titanului, se impune precizarea următoarelor aspecte:

titanul este un metal plastic, deformabil atât la temperaturi scăzute cât și la temperaturi ridicate.

la Tord., titanul de înaltă puritate poate suporta un grad de deformare ε = 90%.

impurificarea cu oxigen reduce puternic deformabilitatea Ti la Tord.;

alte impurități (C, N și H) reduc plasticitatea titanului;

creșterea temperaturii ușurează deformarea plastică a titanului.

Principalul element de aliere în aliajele industriale de titan este aluminiul, el fiind prezent în aproape toate aliajele de titan (cu deosebire, în aliajele sudabile) pentru că este ușor accesibil și economic. Alte elemente de aliere în titan sunt: V, Mo, Cr, Mn, Fe, Cu, Sn, Zr, W; rareori se utilizează Nb și Ta; și mai rar se folosesc Ga, Sb, Bi. Pentru creșterea rezistenței la coroziune a titanului se adaugă paladiu sau platină. Siliciul se introduce în titan pentru creșterea refractarității, iar borul este în aliajele de titan, ca și în oțeluri, un element de microaliere cu efect de modificator. Elementele nemetalice interstițiale C, O, N, H sunt, de regulă, impurități dăunătoare în titan și ca urmare, concentrațiile lor trebuie să fie minime. Totuși, în unele aliaje, oxigenul este utilizat și ca element de aliere pentru creșterea rezistenței mecanice. Dintre avantajele deosebite ale utilizarii titanului menționăm:

rezerve mari de titan (0.63%) în scoarța terestră;

densitatea titanului (4.5 g/cm3) este de aproximativ 2 ori mai mică decât densitatea fierului (7.87 g/cm3) și a cuprului (8.9 g/cm3);

rezistență mecanică mare, Rm = 241 MPa (cca. 24.1 daN/mm2) pentru (Ti= 99.175 %); Rm = 550 Mpa (55 daN/mm2) pentru (Ti= 98.63%);

rezistență mecanică specifică (Rm/densitate) mai mare decât a Fe, Al, Mg; aliajele de Ti – (Al, Cr, V, Mo, Sn) pot atinge Rm = 120-150 daN/mm2 și Rm/densitate = 27.33, în timp ce oțelurile aliate au, pentru aceeași valoare a lui Rm, rezistențe specifice de 15-19;

refractaritate (rezistența mecanică la temperaturi ridicate) mare;

temperatură de topire ridicată (16680C), mai mare decât temperatura de topire a fierului (15380C); titanul este un metal greu fuzibil;

rezistență mare la coroziune în medii agresive;

prelucrabilitate mecanică (prin deformare plastică, prin așchiere) bună;

Experiența clinică demonstrează că țesutul adiacent implantului din titan pur este foarte bine vascularizat, fără tendințe de formare spre capsule. Aceste condiții favorabile pot ajuta la reducerea răspândirii bacteriilor și la creșterea rezistenței la infecție.

În afară de aliajul Ti6Al4V, se mai folosesc la fabricarea implanturilor chirurgicale și alte aliaje, cum ar fi: Ti-Nb, Ti-Ta, Ti-Zr-Nb, Ti-Sn-Nb, dar care, datorită costului ridicat, se folosesc mai puțin, sau Ti5Al2.5Fe, studiat îndeosebi în Europa și care are avantajul de a elimina elementele scumpe (V,Nb,etc.),dar are proprietăți mai scăzute decât celelalte aliaje de titan. Aliajele de titan biocompatibile (de exemplu: Ti6Al7Nb, Ti6Al4V) sunt apreciate de grupul ASTM ca fiind materiale ce vor fi folosite cu precădere la fabricarea implanturilor chirurgicale.

METODE DE ELABORARE A ALIAJELOR DE TITAN ÎN MEDICINĂ.

Este știut că reactivitatea ridicată a Ti nu permite realizarea procesului de topire în aer deoarece el recționează puternic cu oxigenul și azotul. Pentru topirea Ti și aliajelor de Ti se folosesc cu precădere cuptoarele cu arc, cele cu vid sau de topire cu flux de electroni , în creuzete din cupru răcite cu apă. Orice flux tehnologic de obținere a aliajelor pe baza de Ti include în mod necesar următoarele operații:

1) pregătirea șarjei;

2) presarea în porții a electrozilor (consumabili);

3) prima topire;

4) prelucrarea mecanică a lingourilor obținute la prima topire;

5) retopirea lingourilor prelucrate (topirea a II-a);

6) controlul defectoscopic nedistructiv;

7) analiza chimică;

8) caracterizarea fizico-mecanică a lingourilor.

CONSIDERAȚII PRIVIND UTILIZAREA ALIAJELOR DE TITAN ÎN MEDICINĂ.

Aliajele de titan sunt numeroase, însă în domeniul biomedical sunt utilizate numai cele din sistemele: Ti-Al-V, Ti-Al-Mo, Ti-Al-Cr, Ti-Al-Cr-Mo, acestea având o biocompatibilitate deosebită, adică întrunesc în cel mai înalt grad cerințele de utilizare în contactul direct cu țesuturile vii. Titanul nealiat de gradul 4 este utilizat în confecționarea mai multor tipuri de implante utilizate în ortopedie și este standardizat în ISO 5832/II. Gradul 4 indică un material cu conținut de oxigen și fier ridicat. Aceste elemente se află în soluție în aliajul de titan, iar principalul lor efect este acela de a îmbunatății proprietațile mecanice. Duritatea crescută se obține printr-un tratament la cald și prelucrare la rece. Există trei motive importante care ne determină să consideram Ti ideal pentru implanturi:

1) Titanul este un material reactiv. Aceasta înseamnă că în aer, apă sau în contact cu orice electrolit se acoperă spontan cu un strat de oxid. Acest oxid este unul dintre cele mai dure cunoscute, formând o peliculă densă, ce protejează metalul de atacul chimic incluzând și atacul agresiv al lichidelor si organismelor. Titanul este inert în țesuturi. Stratul dens de oxid, în contact cu țesuturile este practic insolubil; în mod particular nu se eliberează ioni ce ar putea reacționa cu moleculele organice.

2) Titanul posedă bune proprietați mecanice. Duritate sa este foarte apropiată de cea a oțelului inoxidabil, folosit pentru implanturile chirurgicale purtătoare de sarcini. Titanul este de multe ori mai dur decât osul cortical sau dentina, permitând realizarea implanturilor

dentare de formă subțire, care sunt capabile să suporte sarcini mari. Foarte important este faptul că metalul este rezistent și maleabil, ceea ce îl face insensibil la o solicitare de șoc.

Titanul nu se comportă pasiv în țesuturi și în os, osul crește pe suprafața rugoasă și se leagă de metal. O experiența “in vivo” despre coroziune, poate fi urmată de o examinare tisulară. Reacția tisulară observată poate fi apoi comparată cu cantitatea produsului coroziv nedorit, care a fost măsurat în experiența electrochimică. Caracteristicile tipurilor reacțiilor tisulare au fost observate în mod separat; este suficient să facem deosebirea între toxicitate (picnoza, abces steril) izolare si inerție. Reacția toxică la Co, Cu, Ni și V este corelată cu o rată mare de coroziune. De asemenea, metalele inerte nu declanșează un răspuns tisular și anume Pt, Ta, Nb, Zr și Ti sunt foarte rezistente la coroziune. Astfel este identificat un model sigur ce pare să fie o corelație estimativă între compatibilitatea chimică și biologică. O reacție izolată este observată între cele două extreme ale toxicității și toleranței. Corpul străin este încapsulat ceea ce reprezintă o formă slabă de respingere. Acest tip de reacție tisulară este observată atât pentru materialele rezistente la coroziune: oțeluri inoxidabile (Fe, Cr, Mo, Ni) , aliaje Co-Cr-Mo și pentru metale puternic corozive Fe, Mo și Al. Trebuie presupus că produsul coroziv nedorit este un factor determinant. Fe, Mo si Al ca metale netoxice, nu declanșează o reacție tisulară extremă în ciuda ratei mari de coroziune (aproximativ 300 de ani mai mare decât a oțelului inoxidabil). Pe de alta parte, coroziunea oțelului inoxidabil și a aliajelor Cr-Co compatibilă cu cea a Ti, Nb, Zr, eliberează suficiente cantități de elemente foarte toxice: Ni, Co, pentru a declanșa o reacție tisulară remarcabilă. Trebuie menționat din acest punct de vedere, că nu este admisă o concentrație limită pentru o reacție alergică. Aurul și argintul se afla de asemenea, în acest grup, pentru că aceste metale nobile pot să corodeze în țesutul viu.

TITANUL FOLOSIT CA MATERIAL PENTRU IMPLANTURI.

Prin experiențe chimice s-a comparat titanul cu ceramicele oxid de aluminium și așa numitele materiale bioactive, cum ar fi Broglass si Hidroxiapatita sinterizată. Comportamentul chimic al titanului este determinat doar de oxid sau suprafață. Datele fiziologice disponibile trebuiesc interpretate în lumina acestui fapt. Omul ingera cantitați considerabile de titan pe zi sub multe forme chimice. Aproximativ 40% din cantitate totală ingerata sau de aproximativ 30g pe zi sunt metabolizate. Chiar dacă această exemplificare nu este destul de fidelă, este clar că această cantitate este mult mai mare (de aproximativ 1000 de ori) decât cea “livrată” de un implant de titan. De aceea prezenta unui implant de titan este irelevantă fața de cantitatea totală din organism, iar reacțiile sistemice (alergii) sau depunerile în organe nu se manifestă. In plus, timpul de înjumătățire biologic (320 zile) este mult prea scurt ca titanul să se acumuleze în organism.

Concentrația titanului din țesuturi este identică cu saturația în oxizi, adică nivelul maxim posibil. Mai mulți oxizi pot ajunge în soluție, ceea ce înseamnă că dacă un corp străin de natura implantului de titan este adaugat sistemului, atunci suprafața sa de oxid nu se va dizolva. Metalul, descris în termenii utilizați în protecția radiației, nu este nici “disponibil” nici “transportabil”. Aceasta explică pe baza principiilor chimice, de ce titanul este inert în țesuturile organismului. Au fost observate impregnări inter- si intracelulare. Sursa o constituie fie rezidurile de la tratarea suprafeței implantului, fie produși de frecare mecanică, deoarece implantele sunt în strâns contact cu osul. În ciuda acestei impregnări, funcționarea celulei nu a fost impiedicată. Chiar si particulele fine ale frecării sunt inerte.

Tipuri de implanturi utilizate pentru protezarea calcaneului.

VariAx Foot Locking Plate System

Această tehnică operativă stabilește procedurile recomandate, detaliate folosind dispozitive Stryker de osteosinteza și de instrumentatie. Acestea oferă îndrumare care trebuie urmata, dar, ca și in orice ghid tehnic, fiecare chirurg trebuie să ia în considerare nevoile speciale ale fiecărui pacient și sa faca ajustări în funcție de necesități.

VariAx Foot Locking Plate System prezintă o nouă generație de implanturi tehnologie pentru chirurgia piciorului. Reconstrucția și fixarea oaselor în picior poate fi acum realizată prin intermediul aplicării placutelor cu sistem inteligent de prindere. Această caracteristică permite chirurgului sa aplice suruburile (acestea fiind de doua tipuri si anume fixe si mobile) la dferite unghiuri pentru o fixare cat mai perfecta a intregului sistem de protezare (placuta si suruburi) .Fiecare placă poate fi prinsa cu o combinație de suruburi fixe si mobile care sunt proiectate pentru a avea in vedere satisfacerea cerințelor intraoperatorii a oricarui caz particular.

Blocarea completă și Sistemul de non-blocare

Fiecare placă VariAx pentru picior prinsa cu șurubul brevetat încorporează Tehnologia SmartLock pentru fiecare gaura a acesteia. Suruburile sunt introduce pe gaurile corespunzatoare, iar surubul fiind facut din titan de grad 5 isi formeaza singur filetul pe placuta confectionata din titan de grad 2. Fiecare gaura a placutei accepta ambele tipuri de suruburi si cele cu blocare completa si cele fara blocare.

Blocare poliaxiala:

Tehnologia SmartLock merge si mai departe. Fiecare surub putand fi prins pe mai multe axe. Suruburile SmartLock pot fi pozitionate la un unghi de 15 grade in fiecare directie cu un range total de 30 de grade. Fiecare placuta poate fi ajustata in functie de suruburie folosite si de nevoile pacientului. Fiecare caz fiind diferit.

Fiecare placuta VariAx este proiectata pentru a minimiza riscul de infectie si iritarea tesutului (profilul placutei este de 1-1,5 milimetri). Capul surubului este proiectat la fel, chiar si atunci cand sunt introduce la unghiuri de 15 grade capul surubului nu irita tesutul moale.

Suruburile disponibile:

Ambele suruburi sunt proiectate ori cu cap T7 (pentru surubul de 2,7mm) sau cu cap T10 (pentru suruburile de 3,5mm). Acest design faciliteaza forta eficienta transimisa de la surubelnita la lama surubului si reduce riscul deteriorarii capului surubului.

Configurarea gaurilor placutelor.

Fiecare gaura pentru surub intr-o placuta VariAx este de doua dimensiuni cu o deschidere fie de 2,7mm, fie de 3,5mm. Trebuie sa se tina cont ca surubul cu dimensiunea de 2.7mm sa fie folosit in gaura de 2,7mm, si pentru cel de 3,5mm trebuie procedat la fel, pentru ca placuta sa nu fie deteriorata inainte de a fi implantata.

Tipuri de placute de calcaneu:

Placuta folosita in acest caz este cea pentru fracturi complicate deoarece osul cuprinde 3 traiecte de fractura, plus un element accesoriu. Este confectionata din Titan de grad 2, cu o lungime de aproximativ 5,5cm, o inaltime de aproximativ 3,5-4cm si o grosime cuprinsa intre 1 si 1,5mm.

Gaurile placutei sunt toate de dimensiunea de 2,7mm si bineinteles se vor folosii suruburi cu blocare sau non-blocare de 2,7mm. Optional se pot adauga distantatoare intre surub si placuta sau surub si os, pentru a creste suprafata de contact dintre capul surubului si os sau placuta. Bineinteles daca sunt folosite suruburi de 2,7mm, distantatoarele trebuie sa fie si ele de aceeasi dimensiune.

Capitolul 3 Solutii software pentru proiectare: Mimics Innovation Suite si Autodesk Inventor

MIMICS INNOVATION SUITE

Introducere

Mimics (Materialise’s Interactive Medical Image Control System) este un software care proceseaza imaginile medicale și creaza modelele 3D. Mimics folosește imagini medicale 2D, în secțiune transversală, precum cele obținute prin tomografie computerizată (computed tomography – CT) sau rezonanță magnetică nucleară (magnetic resonance imaging – MRI sau RMN) pentru a construi modele 3D, care pot fi legate direct cu rapid prototyping, CAD, simulări chirurgicale și analize inginerești avansate.

Generalități

Despre Materialise

Materialise este o companie internațională, bine cunoscută pentru activitățile sale în domeniul rapid prototyping, prototyping industrial și medical. Și-a început activitatea în 1990 ca o corporație spin off din Universitatea din Leuven, Belgia, având la început un birou pentru servicii de rapid prototyping. De atunci, Materialise s-a dezvoltat într-unul din cei mai mari producători mondiali de prototipuri. Compania are, de asemenea, o reputație mondială de furnizor de soluții software inovatoare. Astfel, Materialise a dobândit poziția de lider de piață pentru tipărirea 3D și software CAD digital, pe lângă cea de jucător major în procesarea imaginilor medicale și dentare și simulările chirurgicale.

Pentru industriile de prototyping rapid și medical, Materialise oferă o gamă de soluții software. Mimics este un instrument procesare a imaginilor medicale pentru crearea modelelor 3D și legarea modelelor de sistemele de rapid prototyping (RP), computer aided engineering (CAE), computer aided design (CAD) și planningul chirurgical. Surgicase CMF este un software de planning chirurgical cranio-maxilo-facial bazat de CT. El permite utilizatorilor să importe datele pacientului, să creeze modele 3D, să planifice etapele chirurgicale și să realizeze prototipuri rapide pentru ghidarea chirurgicală, care pot fi folosite în timpul operației pentru a realiza corect planul chirurgical. Simplant este un software Materialise pentru planningul implantelor dentare. Similar cu Surgicase, el permite planificarea chirurgicală pentru implantarea dentară și pregătește ghidarea chirurgicală pentru sala de operație. Toate pachetele software medicale dezvoltate de Materialise sunt aprobate FDA (Food and Drug Administration, USA). Magics RP este considerat drept un puternic instrument de preprocesare pentru manufactura aditivă (strat după strat). El pregătește fișiere (de tip STL) ce conțin informații despre obiecte 3D pentru manufactura aditivă și care permite de asemenea manipularea rețelelor și a geometriei. 3-matic este un alt software, de tip forward engineering, care permite manipularea avansată și proiectarea în format STL. El permite utilizatorului să efectueze operațiuni CAD ’digitale’ (adică operațiuni tipice CAD într-un fișier STL, în locul fișierelor tradiționale CAD) și realizează fixarea (rezolvarea erorilor) și remesh-area pentru CAE. Materialise asigură că toate pachetele software sunt certificate ISO-9001 și că există o legătură directă între toate aceste pachete.

Istoria Mimics

După începerea activității companiei Materialise în 1990 ca o companie de rapid prototyping, nu a durat mult până la identificarea analogiei între RP și CT (sau MRI); în RP, un model 3D este construit felie cu felie, în timp ce scannerul CT lucrează invers, divizând un model 3D (corpul uman) într-o stivă de imagini. În 1992 Materialise a scris programul care a făcut legătura între informația imagistică și modelele RP. Programul a permis extragerea informației 3D dintr-o stivă de imagini și construcția unui model din acestea, folosind tehnologia RP. Astfel s-a născut Materialise’s Interactive Medical Image Control System (MIMICS).

De la imagine la model

O stivă de imagini poate fi încărcată în software (Mimics), aceasta constând uzual din imagini în planul XY (axial). Apoi, Mimics calculează și creează imagini în planele XZ (coronal) și YZ (sagital). Aceasta permite o percepție 3D mai cuprinzătoare a datelor 2D.

Soluția pentru conversia datelor anatomice din imagini în modele 3D este un proces numit segmentation (segmentare). În timpul segmentării, utilizatorul indică structura (structurile) de interes în datele din imaginile feliate. Această informație este apoi folosită pentru a reconstrui un model 3D din elementele segmentate. Pentru a descrie suprafața exterioară a modelului 3D, Mimics folosește formatul STL, care este formatul comun pentru fișiere în RP. Formatul STL permite descrierea cu acuratețe a celor mai complexe configurații geometrice. Această acuratețe este necesară, deoarece datele anatomice sunt în general foarte complicate. Segmentarea precisă este importantă pentru a putea extrage informații semnificative din imagini.

Explicarea formatului de fișier STL

Un fișier STL reprezintă o rețea de suprafață triangulată. Fila conține câte trei noduri pentru fiecare triunghi și definește direcția normală pe acest triunghi. Formatul acestui tip de filă este ideal pentru geometria anatomică, datorită structurii sale simple și flexibilității de a se adapta oricărui contur dorit. Nu este controlată de restricții parametrice, așa cum se întâmplă în cazul fișierelor CAD sau IGES. În imaginea de mai jos se poate observa un exemplu de triangulație într-o filă STL.

Segmentarea

Imaginile medicale provenind de la scannerele CT sau MRI constau în informații în tonuri de gri. Mimics permite utilizatorului să creeze modele bazate pe valorile de gri (unități Hounsfield în imaginile CT) din aceste imagini. O valoare de gri este un număr asociat cu un pixel din imagine, ce definește umbra (alb, gri sau negru) pixelului. Există o asociere directă între densitatea materialului obiectului scanat și valoarea de gri atribuită fiecărui pixel din datele din imagine. Din acest motiv, Mimics are flexibilitatea de a crea modele din orice geometrie posibil de identificat din datele obținute prin scanare. Prin gruparea împreună a valorilor de gri similare, datele din imagini pot fi segmentate și sunt create modelele. Acest tip de segmentare este denumită thresholding (delimitare) și conduce la obținerea unor modele precise.

Multe din instrumentele de segmentare din Mimics sunt comune procesării de imagini și pot fi aplicate în oricare din vederi (XY, XZ sau YZ), dar Mimics are un instrument de editare 3D unic; o segmentare inițială poate fi optimizată într-o pre-vizualizare 3D(Figura 1) . Aceasta face editarea foarte ușoară, câtă vreme permite editarea în 3D, care este mai ușor de înțeles decât editarea 2D.

Figura 1. Editarea unui model Mimics în 3D pentru a putea prelua doar capul femural.

Folosind instrumentul de segmentare și informația cunoscută asupra mărimii pixelului și a distanței dintre feliile de imagini, Mimics poate calcula un model 3D. Acuratețea într-un model Mimics depinde de acuratețea obiectului capturat din scanare.

Aplicațiile Mimics

Deși Mimics a fost inițial proiectat pentru a realiza o legătură intre imaginile medicale și rapid prototyping, categoric sunt multe alte aplicații posibile de utilizare a modelului 3D care este calculat după segmentare. De-a lungul anilor Mimics a evoluat către „Golden Standard” în realizarea legăturii dintre imaginile medicale și diverse aplicații. Dezvoltarea continuă și includerea unor noi instrumente continuă să lărgească baza aplicației. Aplicațiile care vor fi discutate aici în detaliu sunt:

Rapid Prototyping (RP)

Computer Aided Engineering (CAE)

Computer Aided Design (CAD)

Simularea Chirurgicală (Surgical Simulation)

Toate aceste aplicații necesită procesări întrucâtva diferite înainte ca acestea să poată fi folosite. Dezvoltarea Mimics tinde continuu să optimizeze această „pre-procesare” pentru a asigura un flux de lucru cursiv de la imagine la aplicație.

RP

Obiectul 3D creat cu Mimics se află într-o filă STL. STL este limbajul comun pentru mașinile de rapid prototyping și imprimantele 3D și poate descrie geometrii foarte complexe (așa cum sunt geometriile medicale). Obiectele 3D pot fi exportate direct către rapid prototyping, fie în formatul STL, fie în formatul feliat; în ultimul din acestea se permite și generarea suportului. De asemenea, pot fi importate în programul Magics pentru generarea suportului sau pentru optimizarea construcției. Figura 2 arată cum modelele exportate din Mimics sunt pregătite în Magics pentru a genera suporturile și a reproduce obiectul pentru a putea tipări mai multe modele deodată.

Figura 2. Modele Mimics imprimate pe o mașină RP cu generarea suportului.

Prototipurile rapide realizate din Mimics au multe aplicații în domeniul medical. Considerând faptul că creierul uman este optimizat pentru a lucra cu ceva real, palpabil, utilizarea unui model fizic este întotdeauna mai convenabilă decât a unui model 3D pe ecranul calculatorului, indiferent cât de bună este grafica 3D.

Întrucât modelele se adaptează cu acuratețe datelor pacientului, modelele sunt utile pentru comunicare și pregătirea chirurgicală în munca clinică. Prototipurile rapide medicale sunt foarte mult utilizate de către producătorii și inginerii care proiectează dispozitive medicale. Modelele RP permit inginerilor să testeze forma, adaptabilitatea, funcționalitatea și validarea proiectării pe datele pacientului, înainte de a le verifica direct pe pacient. RP permite, de asemenea, utilizatorilor să testeze și să valideze proiectarea pe modele fizice.

CAE

Evoluția sistemelor Computer Aided Engineering (CAE) a oferit inginerilor posibilitatea de a testa proiectele înainte chiar de a realiza un model fizic. Analizele precum analiza cu elemente finite (FEA), dinamica fluidelor asistată de calculator (computational fluid dynamics – CFD) și analiza cinematică permit cercetătorilor și inginerilor să utilizeze datele pacientului pentru testare fără inconvenientele testării fizice. În FEA, de exemplu, o forță poate fi aplicată unei anumite componente anatomice și software-ul CAE calculează apoi tensiunile și deformațiile rezultate. Pentru a face asta, programul CAE divizează modelului în elemente fine discrete și calculează variabilele pentru fiecare element. Mărimea variabilei este vizualizată uzual prin hărți de culori.

La începuturile CAE, se folosea proiectarea în CAD ca punct de pornire pentru introducerea datelor geometrice. Pentru analizarea podurilor sau clădirilor acest lucru este de înțeles, dar în cazul datelor anatomice complexe este imposibil să se proiecteze într-un pachet software CAD. Pornind de la informația de tip imagine se asigură geometria precisă, stocată în format STL.

Întrucât STL folosește, de asemenea, elemente mici (triunghiuri) pentru a descrie modelul 3D, legătura cu această aplicație este evidentă. Totuși, pentru RP forma triunghiurilor nu este importantă, însă pentru CAE este: triunghiurile foarte alungite nu sunt potrivite pentru analiză, pentru că tensiunea într-unul din capetele triunghiului poate fi semnificativ diferită de cea de la un alt capăt al acestuia. Ca urmare, pentru o analiză precisă, programele CAE necesită fișiere STL care folosesc triunghiuri echilaterale pentru a descrie forma 3D.

Remeshing

Mimics a fost proiectat să reconstruiască rețeaua (remesh) obiectelor 3D (fișierele STL) din formatul lor original RP-ready într-un format CAE-ready. Pentru a optimiza rețeaua și a crea triunghiuri echilaterale, Mimics va analiza calitatea formei fiecărui triunghi. După ce este înțeleasă calitatea fiecărui triunghi dintr-o rețea, Mimics poate efectua automat procesele de remeshing descrise în secțiunea anterioară. Astfel sunt pregătite rapid modelele anatomice pentru analizele CAE. În cazul unor analize foarte exacte și pentru a asigura mai mult control și posibilități de definire utilizatorului, Mimics are opțiunea de a efectua remeshing manual. Această opțiune permite utilizatorului să editeze manual triunghiurile și să controleye reducerea numărului și dimensiunii triunghiurilor.

Procesul de remeshing în Mimics permite de asemenea să se analizeze un ansamblu anatomic. Atât cercetătorii cât și inginerii vor putea folosi Mimics pentru a pregăti studiul multiplelor modele anatomice ce interacționează unele cu altele sau analize ale interacțiunilor dintre datele anatomice și dispozitivele medicale proiectate. La rularea unei analize cu elemente finite pe un ansamblu este important ca două suprafețe conjugate să aibă adaptare nod-cu-nod. Mimics va crea această adaptare din două file STL separate, așa cum se prezintă în figurile 3 și 4.

Figura 3. Rețeaua originală a două suprafețe fără adaptarea nod-cu-nod.

Figura 4. Două componente cu rețea optimizată și adaptare nod-cu-nod.

Volume Mesh (Rețeaua volumetrică)

STL este o reprezentare prin suprafețe. Pentru a face o analiză însă, este necesară o descriere volumetrică completă. Generarea unei rețele (mesh) volumetrice pornind de la o rețea de suprafață este următorul pas. Pornind de la o rețea de suprafață formată din triunghiuri, poate fi generată o rețea volumetrică tetraedrică. Cu Mimics, ca de altfel și cu alte pachete software pentru generarea rețelelor volumetrice, se pot crea rețele tetraedrice și hexaedrice. Această flexibilitate în generarea rețelelor volumetrice permite utilizatorului să determine care parametri și reglări sunt cele mai importante, în funcție de aplicație și preferințe.

Proprietățile materialului

Cele mai multe programe CAE permit utilizatorului să atribuie proprietăți de material constante pentru obiectele individuale.

Structurile anatomice, cum este osul, au proprietăți de material variabile în structurile lor. În imaginile în tonuri de gri obținute prin scanare CT există mai multe informații decât doar forma geometrică a unei anumite componente anatomice. Așa cum s-a descris în secțiunea privind segmentarea, valorile de gri reprezintă densitatea materialului. Această informație este folosită în Mimics pentru a atribui cu precizie proprietăți de material elementelor rețelei volumetrice(Figura 5).

Figura 5. Atribuirea proprietăților de material distribuite, pentru o analiză FEA, bazată pe valorile de gri dintr-o scanare CT. Vizualizarea în culori a proprietăților materialului în diferitele sale elemente, în secțiunea unui femur: osul trabecular mai moale este albastru/verde, în timp ce osul cortical mai dens este portocaliu/roșu.

CAD

Pentru inginerii proiectanți de echipamente cum ar fi implantele și dispozitivele medicale, Mimics oferă o posibilitate de a prelua direct datele pacientului către platforma CAD 3D pentru studiile de proiectare, verificare și dimensionare. Legătura CAD din Mimics permite utilizatorului să creeze curbe și suprafețe IGES din suprafețele anatomice și să le importe apoi în orice software CAD.

Pentru adevăratele aplicații CAD, suprafața trebuie să fie descrisă matematic în standard-ul NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines). Acest proces de reverse engineering este anost și consumator de timp și conduce la o simplificare a suprafeței. Pentru a putea proiecta implanturi precise, cea mai bună soluție este să se lucreze la nivelul STL. Tot aici, 3-matic (produs de Materialise) completează o necesitate: el permite modificări ale proiectului (design) direct în STL.

Simularea chirurgicală

Mimics ajută la realizarea unei punți de legătură între clinicieni și ingineri. Cu funcțiile de simulare chirurgicală ale Mimics, chirurgia poate fi efectuată virtual înainte de a intra în sala de operație (operating room – OR). Procedurile OR tipice pot fi de asemenea efectuate în Mimics (adică tăiere, mutare, repoziționare, redimensionare). Mimics poate importa obiecte precum ghidajele chirurgicale, dispozitivele și implantele și le poate poziționa precum în faza operatorie reală.

Utilizatorul poate începe apoi să analizeze poziționarea implantului/dispozitivului importat. Acest lucru ajută atât inginerii (ce proiectează implanturile) cât și chirurgii (care pun implanturile), să înțeleagă modul de adaptare și funcționare.

Utilizatorul poate folosi Mimics pentru a studia anatomia și să facă studii de antropometrie pentru analiza și clasificarea datelor. Având abilitatea de a crea studii originale de antropometrie, care pot fi aplicate pe multiple seturi de date, aceleași tipuri de măsurători pot fi achiziționate de la diferiți pacienți pentru a servi ulterior unor cercetări. Mimics poate și să calculeze o reconstrucție pe baza radiografiilor (RX) pornind de la informațiile din imagine. Acest lucru este foarte convenabil pentru clinicienii care interpretează astfel de imagini.

Discuții și Concluzii

Mimics este un instrument puternic pentru procesarea imaginilor și se corelează cu multe aplicații. Baza sa de utilizatori constă în principal din ingineri, dar și clinicieni. Există o discrepanță în cerințele celor două categorii de utilizatori (ingineri și clinicieni) pentru un software cum este Mimics. Inginerii vor o trusă de instrumente (toolbox) deschisă și puternică, în timp ce clinicienii doresc să fie ușor de folosit și rapid. Pentru a realiza o soluție convenabile pentru ambele clase de utilizatori, Mimics este echipat cu interfață grafică de utilizator (GUI) prietenoasă, dar și cu instrumente puternice pentru analiza datelor complexe. Ca urmare, Mimics este un software ușor de folosit, cu o trusă de instrumente puternice, util atât pentru ingineri cât și pentru clinicieni.

Din acest capitol este clar că Mimics furnizează o legătură cu multe aplicații. Aceasta deschide posibilități în multe domenii. Domeniile principale care folosesc Mimics sunt chirurgia ortopedică, cardiovasculară și cranio-maxilo-facială (CMF). Multe instrumente din acest software au fost proiectate pentru a completa necesitățile și cererile acestor domenii (piețe). Alte domenii în care Mimics este de asemenea folosit includ: ingineria, antropologia și proiectarea tehnică/industrială, ca și studiile pulmonare. Întrucât Mimics este folosit pe diverse piețe, este important ca programul să aibă caracteristici care să se potrivească fiecăreia din acestea. Ca urmare, Mimics are o structură modulară, iar utilizatorii pot să acordeze programul cu necesitățile lor, prin extinderea pachetului de bază cu module adiționale. Utilizatorii Mimics , de multe ori identifică instrumente care le vor face cercetarea și munca mai eficientă. Această reacție de la utilizatori este de neprețuit pentru dezvoltarea programului și pentru a crea un instrument complet, cu înaltă eficiență pentru cercetare.

Bine-înțeles, Mimics oferă o legătură directă către alte software produse de Materialise: Magics pentru aplicații RP și 3-matic pentru CAE și proiectare (CAD). Adică 3-matic poate fi folosit pentru proiectarea implanturilor pe baza informațiilor de tip imagine de la Mimics și proiectarea poate fi verificată din nou cu Mimics pe datele imagine de la pacient.

AUTODESK INVENTOR

Ce este Autodesk Inventor?

Autodesk Inventor este un program de modelare 3D CAD utilizat pentru a proiecta, vizualiza și testa idei de produse. Inventor vă permite să creați prototipuri de produse care simuleaza cu precizie greutatea, stresul, frecarea și multe alte produse și componente ale acestora într-un mediu 3D simulat. Totul de la modele de bază pana la modele detaliate de inginerie mecanică pot fi create și testate cu ajutorul unor instrumente integrate de simulare, mișcare și de analiză a stresului de asamblare pe care Inventor le incorporeaza. Inventator este bine cunoscut pentru caracteristicile sale exacte de modelare 3D care vă ajută să creați și să vizualizați produsele. Inventator include, de asemenea, instrumente integrate de simulare CAD, care nu numai că sporește productivitatea CAD dar si ajuta pentru reducerea erorilor.

Autodesk Inventor este un software de mecanica 3D, de proiectare, de modelare a solidelor, dezvoltat de Autodesk pentru a crea prototipuri 3D digitale. Acest software permite utilizatorilor să producă modele 3D exacte pentru a ajuta la proiectarea, vizualizarea și simularea produselor înainte ca acestea sunt construite.

Care sunt avantajele utilizarii acestui program?

Persoanele care în prezent folosesc AutoCAD sau au de gand sa invete AutoCAD vor moșteni multe beneficii din utilizărea Inventor. Inventor oferă un mediu de design familiar și multe comenzi rapide compatibile cu cele din AutoCAD; și cu un adevărat suport pentru fișiere DWG (desen), Inventor permite utilizatorilor AutoCAD să impulsioneze desenele lor 2D existente pentru a construi modele 3D exacte. O utilizare populară a programului Inventator este realizarea de prototipuri digitale. Cu Inventator, prototipurile pot fi realizate cu ușurință prin integrarea desenelor 2D din AutoCAD creand modele digitale 3D, care vor servi drept o reprezentare virtuală a produsului final. Procedând astfel, inginerii sunt capabili să proiecteze mai bine și pot simula produse fără a fi nevoie de a crea prototipuri fizice. Cu o gamă largă de instrumente de proiectare a mecanicii 3D, utilizatorii pot explora rapid concepte si le pot evalua ușor și eficient. Autodesk Inventor oferă multe alte instrumente și caracteristici care pot îmbunătăți productivitatea, cum ar fi managementul integrat al datelor, Design Automation, alegerea materialului.

Cum se utilizează Inventor?

Autodesk Inventor este utilizat de către profesioniștii din multe industrii pentru a ajuta la eliminarea decalajului dintre proiectare, inginerie și fabricație. De exemplu, producatorii de biciclete pot folosi Inventor pentru a crea prototipuri digitale de produse finite pentru a optimiza practic interacțiunile componentelor de suspensie și să se asigure că distanțele și toleranțele sunt corecte. În cazul fabricanților de iahturi, Inventor poate fi folosit pentru a modela cu precizie un prototip la rupere la sol și pot rula teste de stres pentru a identifica și de îmbunătăți performanța barcii. Un alt exemplu este modul în care poate fi utilizat Inventor este în cazul unui producător de mașini miniere. In acest caz, inventator ar putea fi folosit pentru a efectua analize de stres și de a simula mișcarea masinii pentru a identifica coliziuni neașteptate și alte erori care nu ar putea fi altfel manifestate până la producția fizică. In cele din urma, Autodesk Inventor este folosit pentru a reduce costurile de producție în mod drastic prin realizarea de prototipuri digitale și testare virtuală. Acest lucru, la rândul său, ajută la reducerea erorilor, care în cele din urmă accelerează ciclurile de producție și ajută ca produsel finite sa intre ma rapid pe piață.

Aceste instrumente de simulare permit utilizatorilor proiectarea de masini sau piese de automobile, de exemplu, pentru a optimiza puterea și greutatea unui produs, pentru a identifica zonele de mare stres, pentru a identifica și a reduce vibrațiile nedorite, și chiar la motoare de dimensiuni diferte, pentru a reduce consumul lor total de energie.

Analiza cu element finit in Autodesk Inventor facliteaza si permite utilizatorilor să testeze piesele proiectate la anumite greutati si presiuni. Tehnologia de optimizare si studiile parametrice permit utilizatorilor să proiecteze în zonele de stres de asamblare și le permit sa compare opțiunile de proiectare. Apoi, modelul 3D este actualizat pe baza acestor parametri optimizati.

Autodesk Inventor utilizează, de asemenea, formate de fișier special pentru piese, ansambluri și vederi de desen. Fisierele sunt importate sau exportate într-un format DWG (desen). Cu toate acestea, formatul de schimb de date și de revizuire 2D și 3D, pe care Autodesk Inventor il foloseste cel mai frecvent este formatul web design (DWF).

Capitolul 4. Partea practica

Cu ajutorul programului Autodesk Inventor, am proiectat suruburile si placuta necesare simularilor.

Proiectarea suruburilor:

Am inceput prin desenarea unei schite 2d, cu un profil specific unui surub (se observa distanta de 2,7mm, care ne arata grosimea surubului), astfel:

Filetul surubului se obtine cu comanda COIL, astfel:

Dupa ce se obtine filetul, se potitioneaza doua plane pe cele 2 fete ale filetului, pentru a crea profilul pentru capul si varful surubului:

Alegem unul din cele doua plane pentru a crea varful surubului. Varful se obtine prin asezarea unui plan perpendicular pe planul deja existent, desenarea schitei 2d a varfului si cu ajtorul comenzii REVOLVE, obtinem varful.

Ne intoarcem pe planul de sus pentru a crea capul surubului, prin desenarea unei schite 2D iar apoi cu ajutorul comenzilor EXTRUDE, FILET si CHAMFER vom obtine capul, finisat. Capul surubului trebuie schitat in forma de stea (T7).

Varianta finala si finisata a capului surubului fiind:

Dupa ce alegem si materialul, acesta fiind Titanul, surubul va fi finalizat si va arata astfel:

Proiectarea placutei se face pornind dintr-o schita 2d pe care trebuie desenat profilul placutei. Si apoi cu ajutorul comenzii EXTRUDE obtinem grosimea placutei care este cuprinsa intre 1 si 1,5mm. Dimensiunile placutei pot varia. In cazul de fata placuta are o lungime de aproximativ 5,5cm, si o inaltime de aproximativ 3-3,5cm.

Dupa alegerea maerialului – Titan- placuta va fi finalizata si va arata astfel:

MIMICS INNOVATION SUITE

Cu ajutorul programului MIMICS avand CT-urile pacientului in care este prezentata fractura de calcaneu, am creat un model 3D al piciorului si am izolat osul calcaneu de restul oaselor piciorului.

Urmatorul pas este identificarea fracturii pe modelul 3D, pentru a putea trece mai departe la separarea partilor deplasate si aducerea lor in pozitia initiala. In poza urmatoare se observa fractura si partile care nu mai sunt la locul lor.

Cu comanda EDIT MASKS lucrand pe o singura imagine a CT-ului sau “felie” am separat pixel cu pixel partile deplasate de restul calcaneului si le-am readus in pozitia lor fireasca. Astfel, in prima faza am separat partea posterioara, ramanand partea anterioara pe care mai sunt doua bucati ce trebuie separate.

Imaginile de sus reprezinta vederea din lateral a calcaneului, iar cele de jos arata vederea de deasupra si cea de sub dupa ce a fost separată partea posterioara.

Daca privim de deasupra si putin din spate se vede clar ca cele doua bucati sunt deplasate si ridicate. Apoi avand in prim plan partea anterioara, am separat cele doua bucati si le am repozitionat.

Adaugand si repozitionand partea posterioara separata initial, calcaneul prinde forma initiala si este pregatit pentru adaugarea placutei si suruburilor.