Licenta Stancu Mihail V5 [307497]

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCUREȘTI

FACULTATEA: ȘTIINȚA ȘI INGINERIA MATERIALELOR

SPECIALIZAREA: INGINERIE MEDICALĂ

LUCRARE DE LICENȚĂ

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT

ABSOLVENT: [anonimizat]-Mihail STANCU

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC

Prof. Univ. Dr. Ing. Mihai TÂRCOLEA

BUCUREȘTI

-2017-

Listă figuri

Fig. 2.1. Anatomia umărului

Fig. 2.2. Mușchii umărului

Fig. 3.1. Proteză totală de umăr

Fig. 3.2. Hemiartroplastia de umăr

Fig. 3.3. Implant de resurfatare

Fig. 3.4. Proteza totală inversată de umăr

Fig. 3.5 Radiografie a protezei de umăr implantată

Fig 3.6. Tipuri de fracture

Fig. 3.7. Os lung fracturat cu 4 fragmente

Fig. 4.1. Proteză Gluck din fildeș

Fig. 4.2. Proteză Boron acrilică

Fig. 4.3. Arborele genealogic al protezelor de umăr 1

Fig. 4.4. Arborele genealogic al protezelor de umăr 2

Fig. 4.5. [anonimizat]. 4.6. Tipuri de mișcările efectuate de umăr

Fig. 4.7. Solicitarea componentei glenohumerale

Fig. 4.8. Aspectul formatului STL

Fig. 4.9. Editarea unui model Mimics în 3D pentru a putea prelua doar capul femural

Fig. 5.1. Obiecte 3D calculate din imagini CT

Fig. 5.2. Simularea chirurgicală a inserării unui implant femural

Fig. 5.3. Fractura în ansamblu

Fig. 5.4. Fractură și dislocație în plan anterior

Fig. 5.5. Fractură și dislocație în plan posterior

Fig. 5.6. Fractură izolată ansamblu

Fig. 5.7. Fractură izolată detaliată

Fig. 5.8. Fractură izolată simplificată

Fig. 5.9. Repoziționarea fragmentelor și reducerea dislocației

Fig. 6.1. Vedere de ansamblu în plan anterior după repoziționarea fragmentelor și reducerea dislocației

Fig. 6.2. Vedere de ansamblu în plan posterior

Fig. 6.3. Rezecția humerusului în zona colului chirurgical

Fig. 6.4. Proteză totală de umăr proiectată personalizat

Fig. 6.5. Primul prototip

Fig. 6.6. Al doilea prototip

Fig. 6.7. Al treilea prototip

Fig. 6.8. Al patrulea prototip

Fig. 6.9. Versiunea finală a implantului

Fig. 6.10. Schița 2D a tijei humerale

Fig. 6.11. Extrudarea schiței 2D

Fig. 6.12. Rotunjirea muchiilor

Fig. 6.13. Schiță 2D a componentei de legătură

Fig. 6.14. Extrudarea componentei de legătură

Fig. 6.15. Rotunjirea muchiei mici din partea exterioră

Fig. 6.16. Construcția schiței 2D a capului humeral

Fig. 6.17. Capul humeral

Fig. 6.18. Finisarea protezei totale de umăr

Fig. 6.19. Variantă finală

Fig. 6.20. Schița 2D a insertului

Fig. 6.21. Extrudarea inserului

Fig. 6.22. Încovoierea insertului

Fig. 6.23. Schița 2D a celor patru pini de fixare

Fig. 6.24. Extrudarea pinilor de fixare

Fig. 6.25. Rotunjirea muchiilor

Fig. 6.26. Varianta finală a insertului

Fig. 6.27. [anonimizat]. 7.1. Metoda elementelor finite în ANSYS

Fig. 7.2. Geometria modelului

Fig. 7.3. Rețeaua de elemente

Fig. 7.4. Reazeme fixate

Fig. 7.5. Deplasări pe axele X, Y, Z

Fig. 7.6. Forțe

Fig. 7.7. Presiune

Fig. 7.8. Deformația absolută totală [mm]

Fig. 7.9. Deformația elastică echivalentă (adimensională)

Fig. 7.10. Deformația elastică normală (adimensională)

Fig. 7.11. Intensitatea deformației elastice (adimensională)

Fig. 7.12. Tensiunea de forfecare în planul XY [MPa]

Fig. 7.13. Tensiunea echivalentă (von-Mises)[MPa]

Fig. 7.14. Tensiunea normală [MPa]

Listă tabele

Tabel 1.1. Proprietati fizice și mecanice ale titanului

Tabel 1.2. Proprietăți fizice și mecanice ale titanului

Tabel 1.3. Compoziția aliajului Ti6Al4V

Tabel 1.4 Proprietăți fizice și mecanice extinse ale Ti6Al4V

Tabel 1.5 Compozițiachimică (%gr) a aliajului F90 utilizat în protezare-conform ASTMA

Tabel 1.6 Proprietăți mecanice și fizice ale aliajului F90

Tabel 1.7. Proprietățile polietilenei de înaltă densitate moleculară

Tabel 1.8. Compoziția chimică a oțelurilor inoxidabile

Tabel 1.9. Proprietățile mecanice ale oțelurilor inoxidabile folosite în implanturile chirurgicale

PARTE GENERALĂ

CAPITOLUL I – Anatomia și artroplastia umărului

Introducere

Aparatul locomotor este alcătuit din oase, mușchi, tendoane și ligamente însă eșafodul intern al corpului îl constituie scheletul uman. Oasele individuale, foarte stabile de altfel, sunt unite prin intermediul articulațiilor (ex:articulația umărului). Dintre toate articulațiile corpului, umărul este reperul anatomic care are cea mai mare amplitudine a mișcării. Problemele articulare care apar pot fi determinate în mare măsură de către această amplitudine a mișcării.

Pentru a înțelege modul de funcționare al umărului, modalitățile de producere a leziunilor sau dificultatea recuperării umărului după traumatismele suferite, este necesar, în primul rând, să înțelegem modul în care sunt constituite și interconectate diferitele structuri ale umărului[1].

Cele mai profunde structuri ale umărului includ oasele și articulația, următoarele fiind ligamentele și capsula articulară, iar apoi mușchii și tendoanele.

În practica medicală, cele mai frecvente protezări se efectuează la genunchi și la șold, protezarea umărului fiind mai puțin frecventă însă foarte importantă în ceea ce privește ameliorarea durerii articulare. Prima intervenție de acest gen, adică protezarea umărului, s-a realizat cu scopul tratării unor fracture de umăr severe, în anul 1950.

Ulterior, în ortopedie – traumatologie, protezarea umărului a început să fie practicată în scopul tratării mai multor afecțiuni dureroase ale umărului, printre care o multitudine a formelor de artroză[2].

Anatomia articulației umărului

Anatomia îmbinării umărului permite mai multă mobilitate decât orice altă articulație din corp. Deși este adesea descrisă ca o articulație cu bilă și soclu, capul humeral se articulează împotriva și nu în interiorul cavității glenoide a scapulei. Îmbinarea glenohumerală depinde de stabilizatorii statici și dinamici pentru mișcare și stabilitate, în special manșonul rotator, care nu numai că stabilizează articulația glenohumerală, dar permite și o mare libertate de mișcare, dar în același timp fixează și axa extremității superioare pe care deltoidul poate contracta și ridica humerusul[3].

Extremitatea superioară a humerusului are forma a 2/3 dintr-o sferă și se articulează cu cavitatea glenoidă a omoplatului. Prezintă un cap humeral, un col (gât), 2 proeminențe (tuberculul mare și tuberculul mic) și un șanț intertubercular. De asemenea, la baza capului humeral este șanțul anatomic (prin care trec arterele circumflexe humerale) și șanț chirurgical al cărui denumire se datorează frecvenței crescute a fracturilor la acest nivel[3].

Articulația umărului este o articulație sferoidală (enartroză), articulație care are cele mai multe grade de libertate și care poate fi rotită în orice direcție. Aceasta unește capul humeral și cavitatea glenoidă a scapulei și este formată din trei oase:

humerus;

scapulă (omoplat);

claviculă.

Fig 2.1. Anatomia umărului[4]

Fig. 2.2. Mușchii umărului[4]

Tendoanele sunt fascicule fibroase care conectează mușchiul la os. Acestea sunt constituite din fibre albe, groase și rezistente. Pornind de la faptul că facem câțiva pași și până la ridicarea de greutăți, mișcările corpului au loc ca urmare a faptului că oricare contracție a mușchilor are o tracțiune pe tendoane, care vor produce deplasarea oaselor. Ligamentele sunt constituite din fascicule paralele puternice de colagen și proteină, sunt structuri de legătură, leagă oasele unul de altul și mențin articulațiile fiind alcatuite tot din fibre albe, dar mai subțiri și mai puțin elastice decât tendoanele. Celulele ligamentelor, care sunt între fasciculele de colagen, le delimitează și asigură fasciculele. Ligamentul unește un mușchi în mod sigur și puternic cu osul iar realitatea că atât tendoanele, cât și ligamentele, sunt alcătuite din fibre albe explică faptul că aceste structuri cresc foarte încet și se refac cu greutate[2].

Un mușchi de schelet constă dintr-o mulțime de fascicule cu mai multe nuclee de fibre împreună, care pornesc dintr-o manta de țesut conjunctiv și sunt prevăzute cu căi sanguine și nervi. Mușchii rotatori se găsesc lângă articulația umărului. Acești mușchi ajută la rotirea umărului în multe directii, la ridicarea brațului și sunt implicați în multe activități zilnice. Mușchii rotatori și tendoanele ajută la menținerea stabilității articulației umărului prin menținerea capului humeral în cavitatea glenoidă a scapulei[3].  O combinație de mușchi si tendoane ține humerusul atașat de trunchi și centrat în cavitatea glenoidă (scobitura omoplatului). Acești mușchi poartă numele de coafa rotatorie. Marele mușchi deltoid reprezintă stratul exterior al articulației umărului.

Probleme medicale la nivelul umărului ce necesită artroplastia umărului

În zilele noastre, tot mai mulți pacienți semnalează afecțiuni inflamatorii și dureri la nivelul articulațiilor, durerea de umăr fiind tot mai des îmtâlnită.

Există 4 mari categorii de afecțiuni ce pot da durere de umar:

Inflamarea tendoanelor (tendinița, bursita) sau ruptura de tendoane;

Instabilitatea;

Artrita;

Fractura la nivelul umărului.

Alte cauze, mult mai puțin frecvente, sunt reprezentate de tumori, infecții si leziuni nervoase.

Afecțiunile mai sus enumerate pot fi cauzate de diverși factori, cel mai întâlnit factor fiind artrita articulației umărului[5].

3.1. Atrita

Artrita este o afecțiune care determină tocirea oaselor între ele, afecțiune prin care cartilajul se deteriorează provocând astfel durere și inflamare în zona respectivă.

Odată cu înaintarea în vârstă sau ca urmare a unui accident, începe uzarea cartilajului unei articulații. Acest lucru poate să apară și la persoanele tinere care practică un anumit sport.

Exisă mai multe feluri de artrită, cea mai frecventă fiind osteoartrita. Simptome care apar sunt durerea, inflamația, rigiditatea. Osteoartrita are o dezvoltare lentă, iar durerea provocată de afecțiune se agravează în timp. Afecțiunea poate fi declanșată de mișcările făcute în timpul activităților sportive, accidente de muncă, sau leziuni cronice la nivelul umărului.

Deteriorarea în timp a cartilajului este cauză de deplasarea constantă la care articulația este supusă unui efort.

În urma acestui proces, osul de dedesubt începe să se îngroașe și să se deformeze și astfel nu mai permite o flexibilitate normală în articulația respectivă[5].

3.1.1. Tipuri de artroplastie

Protezarea umărului este o procedură chirurgicală complexă care se realizează doar de către echipe chirurgicale experimentate pe astfel de intervenții. Există mai multe tipuri de endoprotezări de umăr, însă specialistul va evalua cu atenție situația pacientului înainte de a lua o decizie, în urma discuțiilor cu pacientul.

În speță, procedura de protezare presupune înlocuirea unui segment de humerus proximal sau a unor suprafețe cartilaginoase alterate cu diverse componente metalice. Înlocuirea suprafeței articulare humeral degradate se face cu o componentă metalică, pe când cea a glenei se poate realiza cu o componentă din plastic care are un indice de frecare foarte mic. Componenta metalică se poate fixa în humerusul proximal, dacă osul în care se introduce este moale, utilizând un ciment special (cimentul crește gradul de soliditate al montajului) sau fără ciment, prin pressfit (înțepenire), în cazul în care calitatea osului este corespunzătoare. Componenta de plastic a glenei se fixează în general prin cimentare. În practică, se impun mai multe opțiuni de protezare, în funcție de severitatea leziunilor și de diagnosticul de afecțiune[6]:

Proteză totală de umăr (Artroplastia de umăr)

Specific, acest tip de proteză necesită înlocuirea suprafețelor articulare artrozice cu o minge de metal alipită unei tije și unei bucșe din material plastic. Componentele vin în diferite dimensiuni. și pot fi cimentate sau necimentate (pressfit) în os. În situația în care osul este corespunzător calitativ, chirurgul poate alege să utilizeze componenta de bază non-cimentată humerală. În cazul în care osul este moale, componenta humerală poate fi implantată cu ciment osos. În practică, frecvent, componenta glenoidiană din plastic este implantată cu ciment osos.

Nu este recomandabilă implantarea unei componente glenoidiane în situația în care:

• cavitatea glenoidă are cartilaj bun;

• tendoanele rotatorilor sunt lezate iremediabil.

Pacienții care se prezintă cu osteoartroză și tendoanele rotatorilor intacte sunt aceia la care se impune efectuarea protezării totale convenționale de umăr.

Fig. 3.1. Proteză totală de umăr[7]

Hemiartroplastia de umăr

Având în vedere starea umărului, specialistul poate înlocui numai capul humeral. Procedura este numită hemiartroplastie și presupune pe lângă îndepărtarea suprafeței articulare humerale degradate și introducerea unei tije metalice în canalul medular humeral. Aceasta este prevăzută proximal cu o suprafață sferică care se va articula cu glena[6]. Poate fi cimentată sau necimentată în funcție de stocul osos al pacientului. Situațiile în care este indicată procedura sunt:

fracturi severe ale capului humeral, dar care au păstrat intactă suprafața articulară a glenei (în aceste cazuri fragmentele osoase pe care se prind tendoanele musculare se vor atașa de tija protezei, aceasta fiind prevăzută cu găuri speciale destinate acestui scop, ceea ce permite refacerea anatomiei locale);

rupturi mari ale coafei rotatorilor asociate cu artroză de umăr;

pacienți care prezintă stoc osos glenoidian slab;

artroze limitate doar la suprafața articulară a capului humeral.

În practica actuală specialiștii recomandă hemiartroplastia atunci când capul humeral este grav fracturat. Alte indicații pentru o hemiartroplastie includ:

• Os sever afectat în glenă;

• Tendoanele rotatorilor grav lezați;

• Artroza care implică doar capul humeral, cu o cavitate glenoidiană care are o suprafață de cartilaj sănătos și intact.

Fig. 3.2. Hemiartroplastia de umăr[6]

Hemiartroplastia de resurfatare

Este procedura care presupune doar înlocuirea suprafeței cartilaginoase a capului humeral, cu păsrearea unui stoc osos mare din humerusul proximal, care va permite, eventual într-o etapă ulterioră, conversia ei într-o proteză totală.Este cea mai conservativă dintre proceduri și după înlăturarea porțiunii de cartilaj afectat, se atașează în defectul rezultat, o hemisferă metalică care prezintă un pinten de ancorare în osul restant. Este indicată în urmatoarele situații[2]:

în absența unei fracturi recente la nivelul capului humeral;

prezența unei suprafețe cartilaginoase intacte la nivelul glenei;

la pacienții tineri sau foarte activi, în dorința de a conserva un stoc osos cât mai mare la nivelul humerului proximal.

Fig. 3.3. Implant de resurfatare[6]

Prezintă avantaj prin faptul că oferă o alternativă foarte bună la standardul de protezare totală a umărului și poate fi o opțiune în situațiile de mai jos:

Glenoidul încă prezintă o suprafață de cartilaj intact;

Inexistența unei fracturi recente a colului sau a capului humeral.

Proteza totală inversată de umăr

O altă modalitate de protezare a umărului se numește „totală inversată”. Se recomandă în situațiile când mușchii coafei rotatorilor (mușchi care asigură contenția capului humeral în glena și care inițiază ridicarea brațului) sunt deteriorați și nu se mai pot sutura. În acest caz “se inversează” componentele protetice. Porțiunea hemisferică se poziționează la nivelul glenei și cupa la nivelul humerusului. Fundamentul acestei inversări este faptul că mobilizează proteza prin aceea că permite mușchiului deltoid care acoperă umărul să acționeze asupra acesteia. Procedura este utilă pentru următoarele situații de:

• artroză severă;

• protezare anterioară de umăr eșuată.

• coafa rotatorilor complet ruptă, cu slăbiciune severă în braț;

În cazul pacienților aflați în situațiile menționate mai sus, o proteză convențională totală de umăr poate face ca durerea să persiste . De asemenea, apare imposibilitatea de a ridica brațul în sus, trecut de un unghi de 90°. În protezarea total inversată de umăr, soclul și bila sunt inversate. Acest lucru se materializează într-o bilă metalică atașată la scapulă și o bucșă din material plastic atașată la partea superioară a humerusului[6]. Situația creată permite pacientului să utilizeze mușchiul deltoid în loc de rotator pentru a ridica brațul.

Fig. 3.4. Proteză totală inversată de umăr[6]

3.1.2. Cauzele artritei la umăr

Având drept scop stabilirea unui tratament adecvat al afecțiunii, este primordial a se identifica cauzele principale ale inflamației. Afecțiunea poate să apară ca urmare a mai multor motive sau ca rezultat al altor boli[2].

Cele mai frecvente cauze ale artritei pot fi grupate astfel :

Artroza articulației umărului care apare progresiv după vârsta de 50-60 de ani și care constă în degradarea cartilajului articular, duce la durere și limitarea severă a mobilității articulare.

Fracturile de extremitate proximală humerală extrem de cominutive la care reconstrucția prin osteosinteză a capul humeral este tehnic imposibilă.

Artritele inflamatorii, mai ales în poliartrita reumatoidă în care se produce o îngroșare, o inflamare a sinoviei articulare, ce duce în timp la distrugerea cartilajului articular și la deformarea articulației cu durere și limitarea mișcăriilor umărului.

Necroza avasculară de cap humeral, situație în care este afectată rețeaua vasculară ce asigură nutriția capului humeral. Această afectare duce în timp la moartea segmentului osos respectiv, cu resorbție osoasă și deformare articulară însoțită de durere și limitarea mișcării în articulație. Una dintre cele mai frecvente cauze pentru apariția acestei afecțiuni este administrarea de corticoizii în doze mari.

Rupturile masive de coafă rotatorie. Coafa sau manșeta rotatorie reprezintă un ansamblu de patru mușchi care asigură fixarea capului humeral în articulație și rotația acestuia (superioară, internă și externă). În rupturile masive, ireparabile, nu se mai poate asigura forța necesară ridicării brațului și nu mai este asigurată stabilitatea articulară, mușchii antagonici contribuind la apariția unor mișcări anormale în articulație ce duc la distrugerea cartilajului articular și implicit la instalarea artrozei.

Artrozele post traumatice care apar în urma unor traumatisme și conduc la leziuni ale cartilajului articular.

Eșecul altor artroplastii de umăr ce necesită reluarea intervenției[3].

3.1.3. Metode de diagnosticare

În scopul diagnosticării artritei este necesară efectuarea mai multor teste:

Examen clinic medical: anamneza, examen fizic;

Artroscopia;

Serie de analize de sânge dintre care apar modificate: viteza de sedimentare a hematiilor (VSH) și numărul de leucocite și hemocultura (prezența de bacterii în sânge);

Examene imagistice, incluzând radiografii și/sau RMN ce permite vizualizarea micilor calcificări în tendoanele umărului și a leziunilor.

Fig. 3.5. Radiografie a protezei de umăr implantată[8]

CAPITOLUL II – Ortopedia umărului – tipuri de fracturi, istoria implanturilor și cinematica articulației

Fracturi ale umărului

După fractura de șold și fractura distală de radius, fractura de humerus proximal este, ca frecvență, a doua fractură a extremității superioare și a treia cea mai comună fractură raportată pentru subiecții de peste 65 de ani. Dacă acum unul-două decenii, tratamentul chirurgical se impunea pentru o cincime din cazuri, actualmente indicațiile chirurgicale se impun din ce în ce mai mult.

80% dintre aceste fracturi sunt fără deplasare (tratate ortopedic).

20% sunt cu deplasare, aceasta însemnand peste 1 cm din poziția anatomică, sau peste 45 grade, angulație[9].

Fig. 3.6. Tipuri de fracturi[3]

În situația în care capul humerusului este grav deteriorat, poate fi foarte dificilă chiar pentru un specialist rearanjarea bucăților de os înapoi la locul lor și implicit, la fel de dificilă, efectuarea osteosintezei.

Mai mult de atât, alimentarea cu sânge a pieselor osoase poate fi perturbată și apare necroza avasculară. În situația dată, un chirurg ortoped poate recomanda din start artroplastia umărului.

Cei mai expuși riscului de fracturi de umăr severe sunt pacienții mai în vârstă, cu osteoporoză.

Clasificarea lui Neer este cea mai utilizată în prezent, bazându-se pe numărul de fragmente de fractură și distanța între ele. Criteriile sunt angulația peste 45° sau peste 1 cm distanță între fragmente [10].

Dacă nu sunt îndeplinite aceste criterii, fracturile sunt considerate “cu minimă deplasare”.

Fractură cu 2 fragmente înseamnă că un singur fragment este deplasat și cel mai frecvent este fractura colului chirurgical, dar poate fi și fractura izolată a trohiterului. Mult mai rar se produce fractura trohinului.

Fractura cu 3 fragmente înseamnă deplasarea diafizei humerale, capului humeral și trohiterului sau trohinului (mai rar).

Fractura cu 4 fragmente înseamnă izolarea segmentului articular de diafiză și cele două tuberozități, producându-se luxația capului humeral cu pierderea vascularizației[3].

Fig. 3.7. Os lung fracturat cu 4 fragmente[3]

Istoric implanturi

Prima intervenție chirurgicală pentru fixarea fracturii humerusului proximal a fost descrisă concomitent de Lambotte în Belgia și Lane în Marea Britanie. Ulterior, mulți chirurgi au descris diferite tehnici chirurgicale de fixare a fracturilor humerale proximale care includ folosirea de capse, plăci, șuruburi, tije, fixare externă și cu bandă de tensiune[6].

Prima generație de implanturi pentru umăr

La jumătatea secolului trecut, în anul 1953, Neer a pus bazele tehnicii chirurgicale și, în același timp a inițiat reabilitarea și rezultatele obținute în urma operațiilor de înlocuire a humerusului afectat cu o endoproteză. Krueger a fost cel care a efectuat în anul 1950, prima înlocuire a articulației humerale cu o proteză de umăr cu formă anatomică. În anii următori, în urma cercetărilor și descoperirilor în domeniu, s-au adus numeroase îmbunătățiri: proteza bipolară sau înlocuirea materialului din cadrul fiecărei componente a protezei de umăr. O parte considerabilă dintre ele nu a prezentat însă rezultatele scontate.

Exemple de implanturi:

Gluck – primele implanturi pentru umăr cimentate, acesta fiind realizat în anul 1890;

Gluck – prima proteză din fildeș în anul 1891;

Pean – designul primei proteze metalice a fost realizat la începutul anului 1893, iar pe data de 11 martie al aceluiași an, a fost implantată unui pacient la Spitalul International din Paris;

Fig. 4.1. Proteză Gluck din fildeș[6]

A doua generație de implanturi pentru umăr

În urma constatării unei rate mari de eșec la prima generație de implanturi, cercetătorii au dezvoltat o a doua generație care cuprinde următoarele implanturi:

Implantul J. Porter Michaels a fost primul implant din generația a doua de implanturi pentru umăr, fiind folosit în anul 1891. Designul implantului de umăr este mult îmbunătățit, acesta fiind alcătuit din două componente: tija fiind reprezentată de un cilindru de platină, iar bila din cauciuc fiartă pentru 24 h în parafină, conținând două caneluri cu două bucle metalice;

Frederic Krueger a realizat în anul 1950 primul implant realizat din aliaj de 60% cobalt, 20% crom și 5% molibden datorită rezistenței bune la coroziune;

Boron și Sevin au creat prima proteză acrilică realizată în anul 1951.

Fig. 4.2. Proteză Boron acrilică

Monteleone – proteza este îmbunătățită în anul 1969 și este realizată din metal precum titanul.[6]

A treia generație de implanturi pentru umăr

La începutul anului 1953, dr. Charles S. Neer a realizat proteze mult îmbunătățite datorită orificiilor aplicate în partea superioară a tijei pentru o mai bună fixare între humerus și tijă care acoperă cu succes bolile precum artroplastia[5].

Evoluția implanturilor de umăr

Fig. 4.3. Arborele genealogic al protezelor de umăr 1[11]

Fig. 4.4. Arborele genealogic al protezelor de umăr 2[11]

Studiul mișcării articulației umărului

În conceperea și proiectarea unui implant pentru umăr este necesară studierea anatomiei articulației prin prisma unghiurilor și gradelor de libertate efectuate de aceasta.

Fiziologic vorbind, funcționarea umărului presupune mișcări armonioase și sincrone la 5 nivele diferite: scapulo-humeral, scapulo-toracic, subacromial, acromio-clavicular și sterno-clavicular. Spațiul subacromial, deși nu prezintă toate caracteristicile morfologice unei articulații, faptul că este locația celor mai frecvente “dereglări” precum și modul său de funcționare, au făcut ca acesta să fie considerat de majoritatea autorilor europeni drept a doua articulație a umărului.

Cu scopul de a reda și de a putea da o înfățișare mișcărilor umărului, se folosesc drept planuri de referință, planurile standard ale corpului: frontal, sagital, transversal, la care se adaugă, după unii autori, planul scapular, iar după alți autori, un plan al elevației maxime situat la 23° anterior de planul scapular.

Mișcările umărului se determină atât activ, cât și pasiv. Mișcările active limitate ale umărului poate fi cauzate de durere, slăbiciune musculară, contractura țesuturilor moi (capsulă, ligamente, mușchi) sau blocurilor osoase. Forța musculară este eliminată din rândul acestor necunoscute prin examinarea pasivă, aceasta fiind asigurată de către examinator.

Pacientul efectuează, în plan frontal, mișcările de adducție și abducție. Se fixează unghiul inferior al scapulei, din spatele pacientului, în timp ce cu cealaltă mână îndepărtăm brațul pacientului de corp. În mod obișnuit, scapula rămâne pe loc până la o abducție de 20°, după care mișcarea din articulația gleno-humerală continuă, împreună cu mișcarea din articulația scapulo-toracică într-un raport de 2:1, până la 120°. În acest moment, colul chirurgical al humerusului se lovește de arcul coraco-acromial. Mișcarea este posibilă și în continuare datorită rotației externe a humerusului care orientează tuberozitățile postero-inferior și oferă suprafață articulară suplimentară.

În plan transversal se efectuează mișcările de flexie și extensie orizontală iar în plan sagital se efectuează mișcări de flexie și extensie.

Elevația este reprezentată de mișcarea de ridicare a brațului în plan scapular.

Cu brațul în adducție, rotațiile umărului vor fi maxime deoarece în această poziție ligamentele sunt în relaxare maximă, și vor fi minime când brațul este ridicat, poziție în care ligamentele și capsula sunt torsionate.

Fig. 4.5. Planul frontal, sagital, transversal[12]

La nivelul articulației scapulo-humerale, mișcările de suprafață sunt: rotație, rulare și translație. În mod normal, la pacienți, atât în plan frontal cât și în plan transversal, mișcarea principală este rotația. Dacă în plan transversal, capul humeral rămâne centrat pe cavitatea glenoidă, iar la extensia orizontală maximă combinată cu rotația externă apare o translație posterioară de 4 mm, în plan frontal apare o translație superioară de 3 mm la primele 30° de elevație , apoi apare translația în sus sau în jos de 1 mm.

Predominanța mișcărilor de rotație face ca centrii rotaționali instantanei să rămână relativ constanți în centrul capului humeral, în comparație cu acele situații patologice în care acești centri deviază considerabil de la centrul capului humeral.

Mușchiul deltoid și cel supraspinos reprezintă principalii mușchi implicați în elevația brațului. Cercetările electromiografice au arătat că acești mușchi sunt activi pe toată perioada elevației, cu un maxim de activitate în jurul poziției de 90°. Acțiunea izolată a deltoidului ar determina subluxația superioară a capului humeral. Tot prin cercetări electromiogarfice s-a arătat faptul că forța mușchilor subscapular, infraspinos și rotund mic se opune forței de forfecare generată de acțiunea deltoidului, ce tinde să subluxeze superior capul humeral[12].

Fig. 4.6. Tipuri de mișcări efectuate de umăr[12]

După primele grade de abducție intră în acțiune mușchii dințat anterior și trapez care efectuează o abducție a scapulei în planul scapular și o translare anterioară a acesteia pe peretele toracic. Clavicula fixată de ligamentele coraco-claviculare suferă o mișcare de rotație în jurul articulației sterno-claviculare în timp ce acronimul se înclină în sus, ceea ce permite 40° de mișcare în orice direcție.

Mișcarea din articulațiile gleno-humerală și scapulo-toracică se desfășoară în mod normal sub raportul de 2:1, din 180° de elevație – 120° revin articulației gleno-humerale și 60° articulației scapulo-toracice.

În articulația acromio-claviculară, datorită ligamentelor coraco-acromiale, mișcările sunt mai reduse (aproximativ de 20°).

Printr-o simplă elevație a brațului la 90° se generează o forță aproximativ egală cu greutatea corpului, iar la adăugarea unei greutăți de 5 kg în această poziție, forța generată este de 2,5 ori greutatea corpului. Rotația externă (supinație) antrenează o alunecare dinapoi spre înainte a capului humeral[12].

Designul protezelor

Cele mai multe dintre sistemele actuale sunt modulare și prezintă diametre variabile ale capului humerusului și diverse lungimi ale colului anatomic pentru a permite o acoperire cât mai precisă a gâtului humeral și pentru a putea îmbunătăți capacitatea de a stabili poziția corectă a liniei de îmbinare. Unele modele permit dimensionarea independentă a grosimii capului și a diametrului capului pentru a ușura echilibrarea țesuturilor moi. Cele mai multe tije sunt fabricate din aliaj Co-Cr, au o înveliș proximal poros și prezintă nervuri proximale pentru stabilitatea mișcării de rotație[13].

În efortul de a îmbina cât mai bine anatomia humerală proximală, mai multe sisteme de implanturi oferă capete humerale concentrice cu o compensare cât mai bună a osului înlocuit. Într-un studiu de disecșie anatomică, Boileau și Walch au descoperit că centrul capului humeral a fost de 2,6 mm posterior și 6,9 mm medial în centrul arborelui humeral, pe când Robertson, utilizând tehnica CT, a notat măsurări similare de 2,2 mm și 7,4 mm[14].

Tijele implanturilor totale de umăr (cozile protezelor) pot fi introduse printr-o tehnică prin presare sau prin cimentare[15]. Într-un studiu efectuat pe un cadavru, s-a constatat că micromoția este semnificativ mai mică atunci când implantul este fixat prin cimentare, decât prin presare[13]. De aceea, pe baza acestor determinări, Sanchez-Sotelo a raportat că din 72 de proteze Neer II necimentate, 40 (55,6%) au fost expuse riscului de slăbire la o urmărire medie de 4 ani și din 43 de proteze cimentate, doar 1 (2%) a fost expusă riscului de a se slăbi la o urmărire de 6 ani. Cu toate acestea, o degradare clinică semnificativă a componentei humerale este rar întâlnită, indiferent de metodele de fixare[15][16].

În ceea ce privește protezarea cavității glenoidale a scapulei, componentele din polietilenă cimentate rămân cele mai frecvent utilizate, dar majoritatea au acum o rază de curbură mărită comparativ cu capul humeral (cu 2 până la 6 mm mai mare) pentru a permite astfel o translație în timpul mișcării și pentru a reduce solicitările pe suprafață[16]. Mai multe studii au arătat că translația însoțește mișcarea glenohumerală de rotație după artroplastia totală de umăr[17]. O astfel de translație într-o articulație perfect congruentă poate avea un potențial de uzură și slăbire localizată (efect de balansier). Totuși, nu s-a raportat o creștere a slăbirii implantului și a polietilenei atunci când razele de curbură a componentei glenoide și a capului humeral sunt egale cu 2 mm. Într-un studiu multicentric cu 319 de artroplastii totale care utilizează același tip de proteză, Walch și echipa cu care a colaborat au remarcat mai puține radiotransparențe cu nepotriviri între diametrele capului glenoid și ale humerusului mai mari de 5 mm[16]. Ei au atras atenția asupra limitei superioare a neconcordanței, și anume că nu a fost determinată definitiv, și prin urmare, neconcordanțele protetice mai mari ar putea duce la o translație crescută a articulațiilor, la uzura accelerată a polietilenei și la fracturi[15]. Opinia curentă pare să sugereze că un glenoid (cavitatea glenoidă) cu o curbură a razelor de 2 până la 4 mm mai mare decât capul humerusului permite o translație normală în timpul rotației fără prezența solicitărilor pe mariginile suprafeței sau riscului de slăbire al implantului[17].

O componentă glenoidă mai mare conduce totuși la creșterea forței pe unitatea de suprafață, ceea ce pare să accelereze riscul de uzură a polietilenilor, dar acest risc nu a fost dovedit clinic. Cu toate acestea, componentele mai mari au fost corelate cu o stabilitate îmbunătățită.[15] Într-un al studiu biomecanic, Tammachote a demonstrat o stabilitate îmnbunătățită odată cu creșterea dimensiunilor componentelor glenoide. În mod specific, stabilitatea planului transversal a fost optimizată cu 17% între componentele de dimensiuni mici și medii și mai apoi îmbunătățită cu încă 10% între cele medii și mari[18].

Oamenii de știință au concluzionat, totuși, că protezele fixate au fost mai bune pentru osul normal, în timp ce componentele “cuielate” ce conferă un anumit grad de libertate, au fost mai bune pentru oasele pacienților cu reumatism[17]. Murphy împreună cu echipa sa a sugerat că un implant de cupă glenoidă, anterior planului central al componentei, conduce la scăderea tensiunilor de întindere și compresiune pe mantaua de ciment și poate ajuta la compensarea efectelor unei manșete rotatoare deficiente[18].

Fig. 4.7. Solicitarea componentei glenohumerale[16]

A – Când razele de curbură ale componentei glenoide și a capului humeral sunt conforme, translația are ca rezultat încărcarea marginilor componentei glenoide.

B – Creșterea ușoară a diametrului curburii componentei glenoide față de cea a capului humerusului permite o anumită translație (un anumit grad de libertate) înainte de apariția solicitărilor pe marginea implantului.

CAPITOLUL III – Materiale

Materiale

De-a lungul timpului, pentru realizarea implanturilor de umăr, au fost identificate și utilizate diferite tipuri de materiale care au făcut dovada biocompatibilității cu corpul uman.

Pentru confecționarea unui implant de umăr clasic se utilizează următoarele materiale:

Tija humerală – Titan acoperit cu un strat de hidroxiapatită;

Cap humeral – Co-Cr;

Componentă de legatură – Ti6Al4V;

Insert – Polietilenă de înaltă densitate.

Titanul

Titanul, din punct de vedere chimic, este un element activ, care ar trebui să se corodeze puternic în condițiile mediului ambiant. Realitatea este că acest fenomen nu se produce datorită formării unei pelicule protectoare de TiO2 pe suprafața sa. Pelicula formată duce la obținerea unei rezistențe înalte la coroziune, uneori superioară oțelurilor, rezistență ce poate fi ridicată prin aliere cu crom, molibden, paladiu, reniu, tantal, mangan, etc. Este un metal plastic, deformabil, atât la temperaturi scăzute, cât și la temperaturi ridicate și unul dintre materialele utilizate cu mare succes în realizarea implanturilor de umăr[19].

Deși este unul din cele mai răspândite în scoarța terestră, foarte mult timp oamenii de știință nu au dat importanță acestui material. Doar 5% din producția anuală este folosită pentru obținerea titanului sub formă de metal sub considerenrul că este un metal dur și casant și că nu poate fi utilizat în tehnica decât în calitatea de oxidant. Conținutul de oxigen (și alte elemente interstițiale precum C și N), ale elementului principal influențează în mod semnificativ randamentul, întinderea și rezistența la oboseală.

A fost descoperit sub formă de bioxid (1791) și până când s-a extras sub forma unei pulberi impurificate cu nitrură au mai trecut aproape 35 de ani. Până la obținerea unui metal de puritate corespunzătoare,maleabil, a mai trecut un secol (1825).

Literatura de specialitate a început să se preocupe mai mult de acest metal- titan si de aliajele sale abia în anul 1940, când sunt publicate rezultatele obținute în urma cercetărilor la prelucrarea titanului maleabil, extras prin descompunerea iodurii[20].

După această perioadă, metoda reducerii magneziotermice a tetraclorurii în atmosferă neutral sau în vid a fost distribuită la scară industrială. Aplicând această metodă, a fost elaborat buretele de titan care aliat cu alte metale obținute în cuptoare cu vid, cu electrozi consumabili, a dat posibilitatea realizării aliajelor acestui metal.

Tabel 1.1. Proprietăți fizice și mecanice ale titanului

Hidroxiapatita

Hidroxiapatita (HA) este o formă minerală a cărei unitate a cristalului cuprinde 2 entități, considerat cel mai cunoscut material ceramic bioactiv folosit in medicină. Constituentul anorganic al osului este format din apatită biologică, care conferă duritate ridicată și se comportă ca rezervor de Ca, fosfor, sodiu și Mg[19].

Așadar, tija humerală va fi constituită prin depunerea pe substratul din titan (50%), a unui strat biocompatibil de HA (50%), prin metoda pulverizării termice în jet de plasmă[21].

Tabel 1.2. Proprietăți fizice și chimice ale hidroxiapatitei

Cu scopul de a obține o valoare ridicată a adereței depunerilor, s-a realizat folosind jetul de plasmă, o ușoară încălzire a probelor.

Aliajul Ti6Al4V

Având caracteristici mecanice ridicate și prezentând o rezistență deosebită la coroziune, titanul și aliajele sale au beneficiat de dezvoltare și aplicare la scară largă și în mod rapid. De obicei, în medii corozive se utilizează titan metalic pur. Industrial, în medii corozive se utilizează și aliajele pe bază de titan însă într-o gamă destul de redusă.

Cel mai comun, și în același timp cel mai utilizat aliaj de titan α+β, este aliajul Ti6A14V. Este turnabil si este utilizat la piese turnate. Ca material forjat este folosit în medicină și prezintă și alte aplicații care necesită greutate relativ ușoară, rezistență mare la sarcină (solicitare) și proprietăți favorabile la coroziune[22].

Tabel 1.3. Compoziția aliajului Ti6Al4V

Tabel 1.4. Proprietăți fizice și mecanice extinse ale Ti6Al4V

Aliajul Co-Cr

De-a lungul anilor acest aliaj a fost cel mai utilizat în confecționarea totală a implanturilor de umăr, și mai apoi, după studierea altor biomateriale ce prezintă o biocompatibilitate mai ridicată, utilizat doar în scopul confecționării capului humeral, datorită rezistenței superioare la coroziune și rezistenței mecanice. A fost luat în considerare ca exemplu aliajul Co20Cr15W10Ni – F90[22].

Tabel 1.5. Compoziția chimică (%gr) a aliajului F90 utilizat în protezare conform ASTMA

Tabel 1.6. Proprietăți mecanice și fizice ale aliajului F90

Polietilena de înaltă densitate

Cupa acetabulară (insert-ul) este realizată din polietilenă de înaltă densitate moleculară. Acest lucru implică un grad ridicat de rezistență la uzură și la degradare în timpul fricțiunii. Proprietățile identificate se datorează modalității de prelucrare a polietilenei prin procedeul de iradiere chimică în scopul realizării crosslink-ului, cu surse de radiație gamma sau fascicole de electroni (accelerator de particule e-beam)[23].

Tabel 1.7. Proprietățile polietilenei de înaltă densitate moleculară

Oțeluri inoxidabile

Primul oțel inoxidabil folosit ca material pentru realizarea unui implant a fost 18-8 (302 AISI), care are o rezistență mai mare decât vanadiul și mult mai rezistent la coroziune. Oțelul pe bază de vanadiu nu mai este folosit în implanturi deoarece în prezent rezistența la coroziune este inadecvată. Ulterior a început să fie utilizat oțelul inoxidabil Mo 18-8, care conține molibden pentru a îmbunătăți rezistența la coroziune în apă salină. Aliajul astfel a început să fie cunoscut ca tipul 316 de oțel inoxidabil (AISI). În anii 1950, cantitatea de carbon din tipul 316 a fost redusă de la 0,08% la 0,03% pentru o mai mare rezistență la coroziune în cloruri; acest nou tip de aliaj a fost cunoscut ca oțel inoxidabil 316L (L-low carbon).

Oțelurile inoxidabile austenitice, mai ales tipurile 316 și 316L, sunt cel mai des folosite în implanturi. Acestea nu se durifică prin tratament termic, ci prin precipitare la răcire. Acest grup de oțeluri inoxidabile este nonmagnetic, acesta fiind un factor important în ceea ce privește rezistența la coroziune mult mai mare decât alte metale sau aliaje pe care îl prezintă. Incluzând molibdenul în această categorie, cresc șansele rezistenței la coroziune în apă sărată. ASTM (American Society of Testing Materials – Societatea americană de testare a materialelor) recomandă tipul 316L, și nu 316 în realizarea implanturilor.

Tabel 1.8. Compoziția chimică a oțelurilor inoxidabile

Proprietățile oțelurilor inoxidabile de tipul 316 și 316L (AISI) sunt prezentate în Tabelul 1.9. Așa cum se poate observa, o mare varietate de proprietăți pot fi obținute în funcție de procesul de încălzire (pentru a obține materiale moi) sau de răcire (pentru o rezistență mai mare și duritate). Proiectantul trebuie să fie foarte atent la alegerea materialului de acest tip. Chiar și tipul 316L poate intra în coroziune în corpul uman în anumite circumstanțe precum o zonă cu presiune foarte mare și lipsită de oxigen. Cu toate acestea, este indicată folosirea lor în implanturi temporare precum tije, șuruburi, articulațiile șoldului ș.a.

Tabel 1.9. Proprietățile mecanice ale oțelurilor inoxidabile folosite în implanturile chirurgicale

Oțelurile inoxidabile austenitice se durifică foarte rapid în urma prelucrării mecanice (așchiere, deformare), care nu pot fi prelucrate la rece decât în urma unei tratări la cald. Cu toate acestea, prelucrările la cald nu ar trebui să inducă formarea carburii de crom (CCr4) care ar putea cauza coroziune. Din același motiv, implanturile din oțeluri inoxidabile austenitice nu sunt bine legate.

Distorsiunea componentelor în urma prelucrării la cald poate avea loc, dar această problemă poate fi rezolvată cu ușurință tinând sub control temperatura constantă. Un alt efect nedorit al prelucrării la cald este formarea la suprafață a unor straturi de oxizi, care trebuie să fie îndepărtate fie chimic (cu acizi) fie mecanic (prin sablare). După îndepărtarea straturilor, suprafața compusului este finisată până ce devine ca o oglindă sau mată. Ulterior, suprafața este curățată, degresată, și pasivizată cu acid azotic (Standard ASTM F86). Compusul este spălat și curățat din nou înaintea împachetării și sterilizării. Pe plan mondial, utilizarea oțelurilor inoxidabile austenitice este limitată datorită eliberării produșilor de coroziune sub forma de ioni metalici Ni2+, Cr3+, Cr6+ care produc efecte locale în organism și care distrug implantul[24].

PARTE EXPERIMENTALĂ

CAPITOLUL IV – Aplicații și parte practică

MIMICS

Introducere

Materialise’s Interactive Medical Image Control System (MIMICS) este un software pentru procesarea imaginilor medicale și crearea modelelor 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.

Scurt istoric

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 să construiască un model din acestea, folosind tehnologia RP. Astfel s-a născut programul 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 segmentare (segmentation). 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.

Formatul STL

STL reprezintă 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. Se poate observa un exemplu de triangulație într-o filă STL.

Fig. 4.8. Aspectul formatului STL[25]

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) a 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 delimitare (thresholding) 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 o sculă de editare 3D unică; o segmentare inițială poate fi optimizată într-o pre-vizualizare 3D (Figura 4.9). Aceasta face editarea foarte ușoară, câtă vreme permite editarea în 3D, care este mai ușor de înțeles decât editarea 2D.

Fig. 4.9. Editarea unui model Mimics în 3D pentru a putea prelua doar capul femural[25]

Folosind instrumentul de segmentare și informația cunoscută asupra mărimii pixelului și a distanței dintre feliile de imagini, Mimics poate calcula un model 3D (Figura 5.1). Acuratețea într-un model Mimics adaptează acuratețea unui obiect capturat din scanare.

Fig. 5.1. Obiecte 3D calculate din imagini CT[25]

Aplicații Mimics

Deși Mimics a fost inițial proiectat pentru a realiza o legătură intre imaginile medicale și rapid prototyping, categoric sunt multe aplicații posibile folosind modelul 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. Sau pot fi importate în programul Magics pentru generarea suportului sau pentru optimizarea construcției.

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 harți 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. Figura 4 prezintă diferența dintre o filă STL pregătită pentru STL și una pregătită pentru CAE. Astfel, Mimics poate optimiza forma triunghiurilor înainte de a face exportul către analiza CAE. De asemenea, pentru a reduce timpul de calcul în programul CAE, numărul de triunghiuri în rețea trebuie să fie micșorat; aceasta reduce numărul de elemente și noduri pe care programele de analiză trebuie să le calculeze. Procesul complet de optimizare a formei triunghiurilor și de reducere a numărului acestora se numește remeshing (reconstrucția rețelei).

CAD

Pentru inginerii proiectanți de echipamente, cum ar fi implantele și dispozitivele medicale, Mimics a oferit 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 (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 fi capabil să proiecteze 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.

Utilizatorul poate începe apoi să analizeze poziționarea implantului/dispozitivului importat. Acest lucru ajută inginerii ce proiectează implanturi, cât și chirurgii care pun implanturile, să înțeleagă modul de adaptare și funcționare, așa cum se vede în Figura 5.2.

Fig. 5.2. Simularea chirurgicală a inserării unui implant femural[25]

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, același tip măsurători poate fi achiziționate de la diferiți pacienți pentru a servi ulterior unor cercetări. Mimics poate, de asemenea, 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[25].

Autodesk Inventor

Autodesk Inventor este un program 3D CAD de modelare utilizat pentru proiectarea, vizualizarea și testarea ideilor de produse. Inventor permite creerea prototipurilor de produse care simuleaza cu precizie greutatea, tensiunea, frecarea și multe alte produse și componente ale acestora într-un mediu 3D simulat.

De la modelele de bază pana la modelele detaliate de inginerie mecanică pot fi create și testate cu ajutorul unor instrumente integrate de simulare, mișcare și de analiză a tensiunii de asamblare pe care Inventor le încorporeaza.

Inventator este bine cunoscut pentru caracteristicile sale exacte de modelare 3D care ajută la creerea și vizualizarea produselor. Inventator include, de asemenea, instrumente integrate de simulare CAD, care nu numai că sporesc productivitatea CAD dar și ajuta pentru reducerea erorilor.

Autodesk Inventor este un software de mecanică 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 să fie construite[26].

ANSYS Workbench

ANSYS este un software de uz general, folosit pentru a simula interacțiunile dintre toate domeniile fizicii, structurii, vibrațiilor, dinamicii fluidelor, transferului de căldură și domeniile electromagnetice pentru ingineri. Prin urmare, ANSYS, care permite simularea testelor sau condițiilor de lucru, permite testarea în mediul virtual înainte de fabricarea prototipurilor de produse. În plus, determinarea și îmbunătățirea punctelor slabe, calcularea duratei de viață și anticiparea problemelor probabil sunt posibile prin simulări 3D în acest mediu virtual.

Compania a fost fondată în anul 1970 de John A. Swanson sub numele de Swanson Analysis Systems Incorporated (SASI). Scopul său principal a fost de a dezvolta și comercializa un program de analiză a elementelor finite pentru fizica structurală, care ar putea simula probleme statice (staționare), dinamice (în mișcare) și termice (transfer termic).

Software-ul ANSYS, prin structura sa modulară, oferă posibilitatea de a lua doar caracteristicile necesare utilizatorului. ANSYS poate funcționa integrat cu alte aplicații software de inginerie folosite pe computer-ul personal prin adăugarea modulelor de conectare CAD și FEA. De pe altă parte, ANSYS poate importa date CAD și permite, de asemenea, contruirea unei geometrii cu abilitățile sale de “preprocesare”. În mod similar, cu ajutorul acestui modul de preprocesare, este generat modelul de element finit care este necesar pentru efectuarea calcului numeric. După definirea încercărilor și efectuarea analizelor, rezultatele pot fi vizualizate numeric și grafic.

Ansys poate efectua rapid, sigur și practic analize avansate de inginerie prin varietatea de algoritmi de contact, caracteristici de încărcare bazate pe timp și modele de materiale neliniare.

Astfel, ANSYS Workbench este o platformă care integrează tehnologii de simulare și sisteme CAD parametrice cu automatizări și performanțe unice.

Modulele ANSYS:

Analiză strucurală;

Dinamica fluidelor;

Electronică[27].

Partea experimentală

Soluționarea situațiilor medicale cauzate de fracturarea capului humerusului, se poate realiza cu ajutorul unui implant pentru umăr. Primul aspect care trebuie analizat în etapa de proiectare a oricărei proteze de umăr îl reprezintă geometria articulației naturale a umărului. În mod indispensabil trebuie să se păstreze raza de curbură a humerusului astfel încât mișcarea efectuată de implant să reproducă mișcarea naturală.

Pentru studiului de față am folosit ca sursă, o serie de tomografii computerizate aparținând pacientului în vârstă de 52 de ani, sex masculin, care a suferit un traumatism la nivelul umărului. Cu ajutorul programului Mimics, CT-urile pacientului au fost prelucrate pentru a se realiza modelul 3D pre-operator al fracturii de humerus proximal ce prezintă și o dislocație a acestuia.

Fig. 5.3. Fractura în ansamblu

Fig. 5.4. Fractură și dislocație în plan anterior

Fig. 5.5. Fractură și dislocație în plan posterior

Fig. 5.6. Fractură izolată ansamblu

Fig. 5.7. Fractură izolată detaliată

După izolarea cât mai bună a humerusului, am editat masca de culoare galbenă din Figura 5.7 pentru a aduce modelul 3D într-o formă cât mai simplificată și mai ușor de prelucrat, editare efectuată cu ajutorul comenzii „Boolean”, scăzând masca magenta din cea galbenă.

Fig. 5.8. Fractură izolată simplificată

Următorul pas a fost de a corecta masca de culoare magenta în vederea repoziționării fragmentelor osoase ale fracturii proximale de humerus. La acest pas a fost utilizată comanda „Edit Mask”.

Fig. 5.9. Repoziționarea fragmentelor și reducerea dislocației

Fig. 6.1. Vedere de ansamblu în plan anterior după repoziționarea fragmentelor și reducerea dislocației

Fig. 6.2. Vedere de ansamblu în plan posterior

S-a constat împreună cu chirurgul ortoped că după repoziționare, fragmentele osoase și îndeosebi capul humerusului nu mai poate fi salvat și astfel s-a optat pentru rezecția humerusului în zona colului chirurgical (pentru detalii vezi Figura 2.1. Anatomia Umărului).

Fig. 6.3. Rezecția humerusului în zona colului chirurgical

Ultimul pas a constat în implantarea protezei totale de umăr proiectată personalizat cu ajutorul programului Autodesk Inventor 2017.

Fig. 6.4. Proteză totală de umăr proiectată personalizat

Proiectarea protezei totale de umăr

În prima etapă a proiectării s-au efectuat măsurările asupra dimensiunilor anatomice ale humerusului cu ajutorul comenzilor “Measure Distance”, “Measure Angle” și “Measure Diameter” din meniul “Measurements”. În cea de-a doua etapă s-a utilizat software-ul Autodesk Inventor Professional 2017 pentru proiectarea propriu-zisă a protezei totale de umăr.

Prototipuri:

Fig. 6.5. Primul prototip – cap humeral mult prea mic comparativ cu cel anatomic

Fig. 6.6. Al doilea prototip – mult prea subțire astfel încât necesita o cimentare a acestuia, concentrator de tensiuni

Fig. 6.7. Al treilea prototip – capul humeral de dimensiune optimă însă marginile reprezintă un concentrator de tensiuni mult prea mare

Fig. 6.8. Al patrulea prototip – dimensiuni ideale, excepție făcând componenta ce unește tija humerală de capul humeral, la solicitări complexe ale articulației aceasta poate ceda

Versiune finală a protezei totale de umăr:

Fig. 6.9. Versiunea finală a implantului și cea aleasă pentru implantare

Etapele proiectării protezei totale de umăr:

Proiectarea schiței 2D a tijei humerale – comanda “Start 2D Sketch”.

Fig. 6.10. Schița 2D a tijei humerale

Extrudarea schiței 2D a tijei humerale – comanda “Extrude”.

Fig. 6.11. Extrudarea schiței 2D – 10 mm

Rotunjirea muchiilor tijei humerale cu ajutorul uneltei “Fillet”.

Fig. 6.12. Rotunjirea muchiilor – 3 mm

Crearea schiței 2D a componentei de legătură cu ajutorul uneltei “Ellipse”.

Fig. 6.13. Schiță 2D a componentei de legătură

Extrudarea schiței 2D a elipsei construite.

Fig. 6.14. Extrudarea componentei de legătură – Superior 4 mm, Inferior 2,5 mm

Rotunjirea muchiei din partea exterioară a protezei pentru a nu genera tensiuni la implantare și pentru a favoriza o cimentare cât mai adecvată.

Fig. 6.15. Rotunjirea muchiei mici din partea exterioră – 3 mm

Proiectarea schiței 2D a capului humeral – unelte folosite – “Line” și “Arc”

Fig. 6.16. Construcția schiței 2D a capului humeral

Contruirea capului femural tridimensional cu ajutorul comenzii “Revolve”

Fig. 6.17. Capul humeral

Finalizarea protezei totale de umăr prin rotunjirea muchiilor rămase pentru a nu constitui un concentrator de tensiuni. S-a utilizat unealta “Fillet” pentru a se obține un finisaj optim, caracteristic unui astfel de implant.

Fig. 6.18. Finisarea protezei totale de umăr

Varianta finală a protezei totale de umăr.

Fig. 6.19. Variantă finală

Material: Oțel inoxidabil austenitic (316L)

Masă: 0,470 kg

Volum: 58595 mm3

Proiectarea insertului

Proiectarea unei schițe 2D cu ajutorul comenzii “Ellipse”, după ce au fost luate dimensiunile anatomice ale cavității glenohumerale.

Fig. 6.20. Schița 2D a insertului

Extrudarea schiței 2D cu ajutorul uneltei “Extrude”.

F

Fig. 6.21. Extrudarea inserului – 5 mm

Incovoierea spre interior a insertului utilizând funcția “Bend Part”, astfel încât să se poate îmbina perfect cu anatomia pacientului.

Fig. 6.22. Încovoierea insertului

Crearea unui plan de lucru – “Work Plane 4” în care să se construiască schița celor patru pini ce vor favoriza cimentarea și totodată fixarea în cavitatea glenohumerală. În vederea proiectării s-a utilizat comanda “Circle”.

Fig. 6.23. Schița 2D a celor patru pini de fixare – diametrul de 5 mm

Extrudarea pinilor de fixare cu ajutorul uneltei “Extrude”.

Fig. 6.24. Extrudarea pinilor de fixare

Rotunjirea muchiilor din vârfurile pinilor de fixare – “Fillet”.

Fig. 6.25. Rotunjirea muchiilor – 2 mm

Varianta finală a insertului:

Fig. 6.26. Varianta finală a insertului

Material: Polietilenă de înaltă densitate

Masă: 0,006 kg

Volume: 6190 mm3

Aspect post-operator

Fig. 6.27. Aspect post-operator

Analiza datelor prin metoda elementelor finite

Analiza datelor prin metoda elementelor finite (FEA) este realizată utilizând programul ANSYS Workbench (Figura 6.28)

Fig. 7.1. Metoda elementelor finite în ANSYS

Pentru a putea calcula prin metoda elementelor finite zonele de concentrări de forțe, deformația absolută și echivalentă, tensiunea echivalentă (von-Mises), tensiunea de forfecare, intensitatea deformației elastice, mai întâi am introdus datele privind densitatea, modulul lui Young și coeficientul lui Poisson specifice materialelor utilizate pentru humerus și pentru implant.

Modulul lui Young sau modulul de elasticitate reprezintă o măsură a rigidității unui material solid și este o proprietate mecanică a materialelor solide elastice liniare. Acesta definește relația dintre stress (forța pe unitate de suprafață) și deformarea proporțională într-un material.

Coeficientul lui Poisson reprezintă o măsură a efectului Poisson, fenomen prin care un material tinde să se extindă în direcții perpendiculare pe direcția de compresie. Dacă materialul este întins mai degrabă decât comprimat, acesta tinde să se contracte în plan transversal pe direcția de alungire. Coeficientul lui Poisson este raportul dintre modulul de elasticitate longitudinală, al lui Young, (E) și modulul de elasticitate transversală (G) în raport cu direcția de aplicare a forței.

Geometrie

Fig. 7.2. Geometria modelului

Discretizarea modelului (Mesh)

Fig. 7.3. Rețeaua de elemente

În vederea efectuării analizei numerice prin Metoda elementelor finite s-au utilizat următorii parametri de analiză structurală statică:

Date tehnice despre materiale – pentru Proteza totală de umăr au fost utilizate proprietățile mecanice ale oțelului inoxidabil (316L), iar pentru humerus proprietățile mecanice ale unui os cortical;

Reazeme fixate – tija humerală și interiorul humerusului, acolo unde implantul este cimentat de către chirurgul ortoped;

Fig. 7.4. Reazeme fixate

Deplasări: componenta X = 1 mm, componenta Y = 1 mm, componenta Z = 2 mm;

Fig. 7.5. Deplasări pe axele X, Y, Z

Forțe: componenta X = 100 N, componenta Y = 100 N, componenta Z = 100 N;

Fig. 7.6. Forțe

Presiune: aplicată pe capul humeral = 50 MPa;

Fig. 7.7. Presiune

Rezultate

Fig. 7.8. Deformația absolută totală [mm]

S-a observat că la mobilitățile acceptate pe componente de X = 1 mm, Y = 1 mm și Z = 2 mm deformația maximă apărută în os a fost de 3,25 mm, în timp ce în implant de 2,45 mm, la nivelul capului humeral;

reo

Fig. 7.9. Deformația elastică echivalentă (adimensională)

Deformația elastică echivalentă are valorile cele mai mari în partea superioară a humerusului, la îmbinarea cu proteza.

Fig. 7.10. Deformația elastică normală (adimensională)

Deformația elastică normală are valori ridicate în special în tija protezei și pe capul humeral.

Fig. 7.11. Intensitatea deformației elastice (adimensională)

Intensitatea deformației elastice are valorile cele mai mari în partea superioară a humerusului, la contactul dintre os și proteză

Fig. 7.12. Tensiunea de forfecare în planul XY [MPa]

A cincea mărime studiată a fost reprezentată de tensiunea de forfecare, numită și tangențială. Astfel, s-au observat valori ridicate ce apar în special pe capul humeral al protezei.

Fig. 7.13. Tensiunea echivalentă (von-Mises)[MPa]

Valorile ceva mai mari apar în zonele cu schimbare bruscă de diametru, către zona superioară a protezei.

Fig. 7.14. Tensiunea normală [MPa]

Tensiunea normală este mai ridicată pe coada și capul humeral al protezei, fără însă să afecteze rezistența acesteia.

REZUMAT ȘI CONCLUZII

Metoda elementelor finite sau analiza cu elemente finite (FEA) are la bază conceptul construirii unor obiecte complexe folosind elemente simple sau al împărțirii unor obiecte complexe în segmente mici, ușor de manipulat. Astfel, orice obiect compus din forme geometrice poate fi reprezentat prin forme geometrice simple, reprezentate de elemente triunghiulare.

Pentru acest studiu am folosit programele Autodesk Inventor Professional 2017, Mimics Innovation Suite 17 și ANSYS Workbench 16.2.

Utilizarea acestor programe ne-a ajutat să efectuăm o serie de comenzi complexe care au făcut posibilă analiza imaginilor obținute din tomografiile computerizate prin realizarea unor modele biomecanice 3D care reproduc fidel humerusul proximal.

Astfel, deformația maximă apărută la mobilități acceptate pe componente de X = 1 mm, Y = 1 mm și Z = 2 mm, a fost de 3,25 mm în os, în timp ce în implant a fost de 2,45 mm la nivelul capului humeral (Figura 7.8).

Deformația elastică echivalentă are valorile cele mai mari în partea superioară a humerusului, la îmbinarea cu proteza; în proteză apar valori mai ridicate la schimbările de secțiune către ciupercă (Figura 7.9).

În Figura 7.11. se poate observa că intensitatea deformației elastice are valorile cele mai mari în partea superioară a humerusului, la contactul dintre os și proteză. În proteza apar valori mai ridicate la schimbările de secțiune către ciupercă.

Utilizând în continuare forțe de 100 N pe componentele X, Y, Z, am constatat că valori ceva mai mari apar în zonele cu schimbare bruscă de diametru, către zona superioară a protezei (Figura 7.13).

În final, tensiunea normală este mai ridicată pe coada și capul humeral al implantului, fără însă să afecteze rezistența acesteia (Figura 7.14).

Aceste teste efectuate cu ajutorul programului de simulare ANSYS ne-au ajutat să descoperim zonele maxime de concentrări de forțe și valorile maxime ale deformației echivalente și totale, tensiunii echivalente (von-Mises), tensiunii de forfecare, intensitatății deformației elastice, astfel putând aplica în practica medicală aceste informații pentru evitarea eșecurilor

Din aceste considerente concluzionăm faptul că tehnicile operatorii necesită modificări pentru a fi utile în tratamentul chirurgical al fracturilor, evitând zonele de concentrări maxime de forțe. Proteza trebuie plasată și fixată prin cimentare optim, astfel încât aceste concentrări, indiferent de vârsta pacientului și de acțiunile acestuia, să fie cât mai scăzute.

DIRECȚII DE CERCETARE/PROIECTARE VIITOARE

În viitor, se urmărește proiectarea altor articulații importante precum: articulația cotului (îndeosebi cercetarea unor proceduri inginerești de refacere a acestei articulații în cazul foștilor jucători de baseball), articulația șoldului și cea mai solicitată articulație, cea a genunchiului.

O primă direcție o constituie utilizarea biomaterialor de actualitate care prezintă proprietăți tribologice mult mai ridicate, care să mimeze articulația fiziologică și care să extindă durata de funcționare a implantului fără a fi nevoie de efectuarea reviziilor periodice, asemenea procedurii din prezent. Aici menționăm cercetarea aliajului Ti-Mo-Zr-Ta, “TMZT” utilizat în marketing și bineințeles a OXINIUM-ului (aliaj metalic ce conține 97,5% Zr și 2,5% Nb, a cărui suprafață este transformată în ceramică astfel încât reduce uzura cu până la 85% pentru proteze de genunchi și 98% pentru protezele de șold).

Altă direcție de cercetare o reprezintă încorporarea de rezervoare de medicamente în dispozitivele implantabile, în special pentru a susține și controla eliberarea acestora.

O ultimă direcție de cercetare în domeniul biomaterialelor este dată de crearea a noi modele arhitecturale implantologice asociate cu tehnicile de depunere ale acestora.

BIBLIOGRAFIE

[1] Dr. Bordei Petru, dr. Ulmeanu Dan, si colaboratori dr. Șapte Elena, dr. Iliescu Dan, dr. Cambrea Marius: Anatomia descriptivă a membrului superior, Constanța, 1996

[2] Alexa O.: Tehnici chirurgicale uzuale în traumatismele osteoarticulare, Iași, 2007.

[3] Antonescu D.M.: Patologia aparatului locomotor, București, 2006.

[4] Frank H. Netter, MD: Atlas de anatomie a Omului, ediția a4-a, Ed. Medicală Callisto 2008

[5] Steven B. Lippitt., Frederick A. Matsen, John A.:  Humeral head prosthetic arthroplasty: Surgically relevant geometric considerations, University of Washington, Seattle, 1993

[6] Gilles Walch, Pascal Boileau: Shoulder Artroplasty, Berlin, Springer, 1999

[7] Arthex: Univers™ II Total Shoulder System Surgical Technique

[8] Nahum Rosenberg, Maruan Haddad and Doron Norman: Glenoid Loosening in Total Shoulder Arthroplasty

[9] Turan A, Karamanlioglu B, Memis D, et al: Analgesic effects of gabapentin after spinal surgery. Anesthesiol; 100(4):935–938.

[10] M.H. Amini, P.J. Evans, E.T. Ricchetti: Management of Periprosthetic Joint Infections (PJIs). Periprosthetic infection in shoulder and elbow joints. Cleveland, 2016

[11] ***The history of total shoulder arthroplasty. In Crosby LA, editor: Total shoulder arthroplasty, Rosemont, IL, 2000, American Academy of Orthopaedic Surgeons.

[12] Tjarco D. Alta, Jeroen H. Bergmann, Dirk Jan Veeger: Kinematic and clinical evaluation of shoulder function after primary and revision reverse shoulder prostheses, Amsterdam, 2010

[13] Hopkins AR, Hansen UN, Amis AA, Emery R: The effects of glenoid component alignment variations on cement mantle stresses in total shoulder arthroplasty, J Shoulder Elbow Surg 13:668, 2004.

[14] Kircher J, Wiedemann M, Magosch P, et al: Improved accuracy of glenoid positioning in total shouler arthroplasty with intraoperative navigation: a prospective-randomized clinical study, J Shoulder Elbow Surg 18:515, 2009.

[15] Levy O, Copeland SA: Cementless surface replacement arthroplasty of the shoulder: 5 to 10-year results with the Copeland Mark 2 prosthesis, J Bone Joint Surg 83B:213, 2001.

[16] Martin SD, Zurakowski D, Thornhill TS: Uncemented glenoid component in total shoulder arthroplasty. Survivorship and outcomes, J Bone Joint Surg Am 87:1284, 2005.

[17] Massimini DF, Li G, Warner JP: Glenohumeral contact kinematics in patients after total shoulder arthroplasty, J Bone Joint Surg Am 92:916, 2010.

[18] Tammachote N, Sperling JW, Berglund LJ, et al: The effect of glenoid component size on the stability of total shoulder arthroplasty, J Shoulder Elbow Surg 16 (3 Suppl):S102, 2007.

[19] S.V. Gohil, S. Suhail, J. Rose,  T. Vella, L.S. Nair: Materials for Bone Disorders. Chapter 8 – Polymers and Composites for Orthopedic Applications.  Storrs, CT, United States, 2016

[20] Warren CJ, Lehmann JF (1975): Training procedures and biofeedback methods to achieve controlled partial weight bearing: an assessment. Arch Phys Med Rehabil; 56(10):449–455.

[21] Ching-Chieh Yang,Chun-Lin Lu,Chun-Hung Wu: Journal of Shoulder and Elbow Surgery. Stress analysis of glenoid component in design of reverse shoulder prosthesis using finite element method, Volume 22, , July 2013, Pages 932–939

[22] Dan Batalu: Ghid de proiectare a implanturilor medicale, Politehnica Press, 2015

[23] Stefan M. Gabriel: UHMWPE Biomaterials Handbook, Oxford, 2016, Pages 154–178

[24] Bulancea V: Materiale Metalice Avansate utilizate în medicină – Biomateriale

[25] Materialise: Mimics Course Book

[26] Helm Clay, Simoes Angela: Autodesk 2014 Design and Creation Suites Give Flexibility to Innovate. San Francisco: Autodesk Inc.

[27] ANSYS Inc: Products Brochures

"Mulțumesc familiei mele, cadrelor didactice și nu în ultimul rând instituției Universitatea Politehnica din București pentru că m-au ajutat să devin astăzi ceva ce puțini reușesc cu adevărat…Om"

Ing. Dragoș-Mihail Stancu