SPECIALIZAREA: INGINERIE MEDICALĂ LUCRARE DE LICENȚĂ PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT ABSOLVENT Dragoș -Mihail STANCU COORDONATOR… [621956]

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCUREȘTI
FACULTATEA: ȘTIINȚA ȘI INGI NERIA MATERIALELOR
SPECIALIZAREA: INGINERIE MEDICALĂ

LUCRARE DE LICENȚĂ

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ
PERSONALIZAT

ABSOLVENT: [anonimizat]2017 –

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
3
CUPRINS
CAPITOLUL I – Anatomia și artroplastia umărului ………………………….. ……………………… 7
1. Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………….. 7
2. Anatomia articulației umărului ………………………….. ………………………….. …………………… 7
3. Probleme medicale la nivelul umărului ce necesită artroplastia umărului ……………….. 10
3.1. Atrita ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 10
3.1.1. Tipuri de artroplastie ………………………….. ………………………….. ………………………. 11
Proteză totală de umăr (Artroplastia de umăr) ………………………….. ……………….. 11
Hemiartroplastia de umăr ………………………….. ………………………….. ……………….. 12
Hemiartroplastia de resurfatare ………………………….. ………………………….. ……….. 13
Proteza totală inversată de umăr ………………………….. ………………………….. ……… 14
3.1.2. Cauzele artritei la umăr ………………………….. ………………………….. …………………… 15
3.1.3. Metode de diagnosticare ………………………….. ………………………….. …………………. 16
CAPITOLUL II – Ortopedia umărului – tipuri de fracturi, istoria implanturilor și
cinematica articulației ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 17
1. Fracturi ale um ărului ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 17
2. Istoric implanturi ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 18
2.1. Prima generație de implanturi pentru umăr ………………………….. ………………………. 19
2.2. A doua generație de implanturi pentru umăr ………………………….. …………………….. 20
2.3. A treia generație de implanturi pentru umăr ………………………….. ……………………… 20
3. Evoluția implanturilor de umăr ………………………….. ………………………….. …………………. 21
4. Studiul mișcării articulației umărului ………………………….. ………………………….. ………… 23
5. Designul protezelor ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 26
CAPITOLUL III – Materiale ………………………….. ………………………….. ………………………….. 29
1. Materiale ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 29
1.1. Titanul ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… 29
1.2. Hidroxiapatita ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 30
1.3. Aliajul Ti6Al4V ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 30
1.4. Aliajul Co -Cr ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 31
1.5. Polietilena de înaltă densitate ………………………….. ………………………….. …………….. 32
1.6. Oțeluri inoxidabile ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 32
CAPITOLUL IV – Aplicații și parte practică ………………………….. ………………………….. …… 37
1. MIMICS ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 37

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
4

Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 37
Scurt istoric ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 37
De la imagine la model ………………………….. ………………………….. ………………………… 37
Formatul STL ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 38
Segmentarea ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 38
Aplicații Mimics ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 39
2. Autodesk Inventor ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 42
3. ANSYS Workbench ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 43
4. Partea experimenta lă ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 44
Proiectarea protezei totale de um ăr ………………………….. ………………………….. ………… 50
Proiectarea insertului ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 58
Aspect post -operator ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 62
Analiza datelor prin metoda elementelor finite ………………………….. …………………….. 63
REZUMAT ȘI CONCLUZII ………………………….. ………………………….. ………………… 72
DIRECȚII DE CERCETARE/PROIECTARE VIITOARE ………………………….. …… 73
BIBLIOGRAFIE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… 74

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
5
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 tota lă inversată de umăr
Fig. 3.5 Radiografie a protezei de um ăr
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 . Planul Frontal, Sagital și Transver al
Fig. 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. F ractură izolată detaliată
Fig. 5.8. Fractură izolată simpli ficată
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 ans amblu 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. Construc ția 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. Aspect post -operator
Fig. 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 mo leculară
Tabel 1.8. Compoziția chimică a oțelurilor inoxidabile
Tabel 1.9. Propriet ățile mecanice ale oțelurilor inoxidabile folosite în implanturile chirurgicale

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
6

PARTE GENERALĂ

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
7
CAPITOLUL I – Anatomia și artroplastia umărului

1. Introducere
Aparatul locomotor este alc ătuit din oase, mușchi, tendoane și ligamente însă eșafodul
intern al corpului îl constituie scheletul uman. Oasele individuale, foarte stabile de altfel, sun t
unite prin intermediul articu lațiilor (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 a l umărului, modalitățile de producere a
leziunilor sau dificultatea recuperării umărului după traum atismele suferite, este necesar , în
primul rând, să înțelegem modul în care sunt constituite și interconectate di feritele structuri ale
umărulu i[1].
Cele mai profunde structuri ale umărului includ oasele și articulația, următoarele fiind
ligamentele și capsula articulară, ia r 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 fractu re 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 multit udine a formelor
de artroză [2].
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 depi nde 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 super ioare pe care deltoidul poat e contracta și
ridica humerusul [3].
Extremitatea superioar ă 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 crescu te a fracturilor la acest nivel [3].

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
8
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]

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
9

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 articula țiile 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

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
10
puternic cu osul iar realitatea că atât tendoanele, cât și ligamentele, sunt alcătuite din fibre albe
explică faptul că aceste structuri cresc foart e 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. Mușchi i rotatori se găsesc lângă articulația umărului. Acești mușchi ajută la rotirea
umărului în multe directii, la ridicarea brațului și sunt impli cați 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 trunch i și centrat în cavitatea glenoidă (scobitura
omoplatului). Acești mușchi poartă numele de coafa rotatorie. Marele mușchi deltoid reprezintă
stratul ext erior al articulației umărului.
3. Probleme medicale la nivelul umărului ce necesită artroplastia umărului
În zilele noastre, tot mai mulți pacienți semnal ează afecțiuni inflamatorii și dureri la
nivelul articulațiilor , durerea de umăr fiind tot mai des îmtâlnită.
Exist ă 4 mari categorii de afec țiuni ce pot da durere de umar:
▪ Inflamarea tendoanelor (tendiniț a, bursita) sau ruptura de tendoane ;
▪ Instabilitatea ;
▪ Artrita ;
▪ Fractura la nivelul umă rului .
Alte cauze, mult mai pu țin frecvente, sunt reprezentate de tumori, infec ții si leziuni
nervoase.
Afecțiuni le mai sus enumerate pot fi cauzat e de diverși factori, cel mai î ntâlnit 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 practic ă un anumit sport.
Exisă mai multe feluri de artrită, cea mai frecventă fii nd 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, ac cidente de muncă, sau leziuni cronice la nivelul umărului.

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
11
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 nor mală 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 interve nții. 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 humeru s
proximal s au 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 indic e de frecare foarte
mic. Componenta metalică se p oate 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 ș i 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 cimenta te 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 ire mediabil.
Pacienții care se prezintă cu osteoartroză și tendoanele rotatorilor intacte sunt aceia la
care se impune efectuarea protezării totale convenționale de umăr.

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
12

Fig. 3.1. Proteză totală de umăr [7]
➢ Hemiartroplastia de umăr
Având în vedere starea umărului, specialistul poate înlocui numai capul humeral.
Procedur a 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. Situații le 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 p rotezei, 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 glenoidi ană care are o
suprafață de cartilaj sănătos și intact .

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
13

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, c are 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 c are 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 cartilagi noase intacte la nivelul glenei;
• la pacienții tineri sau foarte activi, în dorința de a conserva un stoc osos cât mai
mare la nivelul humerului pro ximal.

Fig. 3.3. Implant de resurfatare [6]

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
14
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 d eteriorați și nu se mai pot sutura. În acest caz “se
inversează” componentele protetice. Porțiunea hemisferică se poziționează la nivelul glenei și
cupa la nivelul hum erusului. Fundamentul acestei inversă ri este faptul că mobilizează proteza
prin aceea că permite mușchiului deltoid care acoperă umărul să acționeze asupra acesteia.
Procedur a 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]

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
15
3.1.2. Cauzele artritei la umăr
Având drept scop stabilirea unui tratament adecvat al afecțiunii , este primordial a se
identific a cauze le 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 ca re
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 l imitarea
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 arti cular.
• Eșecul altor artroplastii de umăr ce necesită reluarea intervenției [3].

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
16
3.1.3. Metode de diagnosticare
În scopul diagnosti cării artritei este necesar ă 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 ș i hemocultura ( prezența de
bacterii în sânge) ;
✓ Examene imagistice, incluzând radiografii și/sau RMN ce permite
vizualizarea micilor calcifică ri în tend oanele umărului și a leziunilor.

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

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
17
CAPITOLUL II – Ortopedia umărului – tipuri de fracturi, istoria implanturilor și
cinematica articula ției

1. Fracturi ale umărului
După fractura de șold și fractura distală de radius, fractura de humerus proximal este,
ca frecven ță, 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 difici lă chiar
pentru un specialist rearanjarea bucățil or de os înapoi la locul lor și implicit, la fel de dificilă,
efectua rea osteosintez ei.

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
18
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 ma i 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 pest e 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]

2. 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].

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
19
2.1. Prima gene rație 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. Krue ger a fost cel care a efectuat în anul 1950, prima
înlocuire a articulației humerale cu o proteză de umăr cu formă anatomică. În anii următ ori, în
urma cercetărilor și descoperirilor în domeniu, s -au adus numeroase îmbunătățiri : proteza
bipolară sau înlocuirea materialului din cadrul fiec ărei componente a protezei de umăr . O parte
considerabilă dintre ele nu a prezentat însă rezultatele sco ntate.
Exemple de implanturi:
➢ Gluck – primele implanturi pentru umăr c imentate, 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]

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
20
2.2. A doua generație de implanturi pentru umăr
În urma constatării unei rate mari de eșec la prim a generați e de implanturi , cercetătorii
au dezvoltat o a doua generație care cuprinde următoarele implanturi:
➢ Implantul J. Porter Michaels a fost primul implant din generația a dou a 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]

2.3. A treia generație de implanturi pentru umăr
La începutul anul ui 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 su cces bolile precum artroplastia [5].

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
21
3. Evoluția implanturilor de umăr

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

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
22

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

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
23
4. 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 examin area 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
chirurg ical 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 efec tuează 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 deoa rece în această poziție
ligamentele sunt în relaxare maximă, și vor fi minime c ând brațul este ridicat, poziție în care
ligamentele și capsula sunt torsionate.

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
24

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 î n plan transversal, capul humeral rămâne centrat pe cavitate a
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.
Predomi nanța mișcărilor de rotație face ca centrii rotaționali instantanei să
rămână relativ constan ți în centrul capului humeral, în comparație cu acele situații patologice
în care acești centri deviază considerabil de la centrul capului humeral.
Mușchiul delto id 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 sublu xeze superior capul
humeral [12].

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
25

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 d e 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 eg ală
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) an trenează o alunecare dinapoi
spre înainte a capului humeral [12].

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
26
5. 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 ț esuturilor 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 d e
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 măsură ri 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 pri n cimentare, decât
prin presare [13]. De aceea, pe baza acestor determinări, Sanchez -Sotelo a raportat că din 72 de
proteze Ne er 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 com ponentei humerale
este rar întâlnită, indiferen t 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 r educe solicitările pe suprafață [16]. Mai multe
studii au arătat că translația însoțește mișcarea glenohumerală de rotaț ie 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
radio transparențe cu nepotriviri între diametrele capului glenoid și a le 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

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
27
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 humerusul ui permite o translație normală în timpul rotației fără
prezența solicitărilor pe mariginile suprafeței sau ris cului 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 aces t 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
îmnbunătăț ită 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 în că 10% între cele medii și mari [18].
Oamen ii 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 un ei manșete rotatoar e deficiente [18].

Fig. 4.7. Solicitarea componentei gleno humerale [16]

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
28
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.

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
29
CAPITOLUL III – Materiale

1. Materiale
De-a lungul timpului , pentru realizarea implanturilor de umăr, au fost identificate și
utilizate diferite tipuri de materiale c are au făcut dovada biocompatibil ității cu corpul uman.
Pentru confecționarea unui implant de umăr clasic se utilizează următoarele materiale:
• Tija humerală – Titan acoperit cu un strat de hidroxiapatită ;
• Cap hu meral – Co-Cr;
• Componentă de legatură – Ti6Al4V ;
• Insert – Polietilenă de înaltă densitate .

1.1. 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 TiO 2 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 temperat uri 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 a cestui 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 el emente
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 1 940, când sunt pu blicate 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 industrial ă. Aplicând această metodă, a fost elaborat

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
30
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 fiz ice și mecanice ale titanului
Proprietăți Modul de
elasticitate
Young, E
[GPa] Densitate,
[g/cm³]
Punct de
topire,
[°C] Duritate
[HV] Coeficientul
de dilatare
termică, α
[1/grd]
112+/ -7 4,54 1730 ~400 –430 8,2/106

1.2. 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
Proprietăți Masa
moleculară Sistem
cristalin Duritate
pe scara
Mohs Densitate
[g/cm3 ] Porozitate
[%] Rezistență la
compresiune
[MPa]
503g/mol hexagonal,
bipiramidal 5 3,156 0,1 – 3,0 350-450

Cu scopul de a obține o valoare ridicată a adereței depunerilor, s -a realizat folosind jetul
de plasmă, o ușoară încălzire a probelor .
1.3. Aliajul Ti6Al4V
Având caracteristici mecanice ridicate și prezentând o rezistență deosebită la coroziune,
titanul și aliajele sale au benefic iat 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 c el mai utilizat aliaj de titan α+β, este aliajul Ti6A1 4V.
Este turnabil si este utilizat la piese turnate. Ca material forjat este folosit în medicină și prezintă

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
31
și alte aplicații care necesită greutate relativ ușoară, rezistență mare la sarcină (solicitare) și
propriet ăți favorabile la coroziune [22].
Tabel 1.3. Compoziția aliajului Ti6Al4V
Al V Fe O2 N2 C H2 Ti
5,5-6,75 3,5-4,5 Max. 0,3 Max 0,2 Max.
0,05 Max.
0,08 Max.
0,015 rest

Tabel 1.4. Proprietăți fizice ș i mecanice extinse ale Ti6Al4V
Densitate
[g/cm3 ] Modului
lui Young
[GPa] Coeficientul
lui Poisson Modul de
forfecare
[GPa] Limita de
curgere
[MPa] Limita
de
rupere
[MPa]
4,43 114 0,34 44 880 950

1.4. 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, d atorită
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
Co Cr Ni Fe C Si Mn P S
W
rest 19-21 9-11 ≤ 3,0 ≤ 0,15 ≤ 1,0 ≤ 2,5 ≤ 0,04 ≤ 0,03
14-16

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
32
Tabel 1.6. Proprietăți mecanice și fizice ale aliajului F90
Material Stare Limita de
curgere
[MPa] Rezistența la
rupere
[MPa] Densitate
[g/cm3] Modulul
lui
Young
[GPa]
Co20Cr15W10Ni Recopt 310 860 9,1
225

1.5. 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.
Proprietăți le identificate se datorează modalității de prelucrare a polietilenei prin procedeul de
iradiere chimică în scopul realiz ării 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
Masa moleculară
[106 g/mol] Modul de
elasticitate
[GPa] Temperatura
de topire [°C] Rezistența la
tracțiune
[MP a] Alungirea [%]
3,5 – 7,5 0,5 – 0,8 132 – 138 21 – 28 350 – 525

1.6. 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 implant uri 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 tipu l 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).

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
33
Oțelur ile 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 imp ortant 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
Element Compoziția chimică a oțelurilor inoxidabile
316 316L 10TiMoNiCr177 2MoNiCr175
Carbon ≤0,08 ≤0,03 ≤0,08 ≤0,03
Mangan ≤2 ≤2 ≤2 ≤2
Fosfor ≤0,03 ≤0,03 ≤0,035 –
Sulf ≤0,03 ≤0,03 ≤0,03 ≤0,0025
Siliciu ≤0,75 ≤0,75 ≤1 ≤1
Crom 17-20 17-20 16,5-18,5 17-19
Nichel 12-14 12-14 10,5-13,5 12,5-15
Molibden 2-4 2-4 2-2,5 2,5-3
Titan – – 0,4-0,8 –

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.

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
34
Tabel 1.9. Propriet ățile mecanice ale oțelurilor inoxidabile folosite în implanturile
chirurgicale
Condiții de
prelucrare Rezistența la
rupe re, min,
presiunea
(MPa) Limita de
curgere (0 ,2%
echilibru), min,
presiunea
(MPa) Alungirea 2 inch
(50,8 mm) , min
[%] Duritatea
Rockwell,
max. [HRB]
316
Normalizat 75000 (515) 30000 (205) 40 95
Finisat la rece 90000 (620) 45000 (310) 35 –
Durificat la
rece 125000 (860) 100000 (690) 12 300-350
316L
Normalizat 73000 (505) 28000 (195) 40 95
Finisat la rece 88000 (605) 43000 (295) 35 –
Durificat la
rece 125000 (860) 100000 (690) 12 –

Oțelurile inoxidabile austenitice se durifică foarte rapid în urma prelucrării mecanice
(așchie re, 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 cau za 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

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
35
inoxidabile austenitice este limitată datorită eliberării produșilor de coroziune sub forma de ioni
metali ci Ni2+, Cr3+, Cr6+ care produc efecte locale în org anism și care distrug implantul[24 ].

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
36

PARTE EXPERIMENTALĂ

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
37
CAPITOLUL IV – Aplicații și parte practică

1. 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 chirurgical e 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 planu l 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 supr afața
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 anato mice sunt în general foarte
complicate. Segmentarea precisă este importantă pentru a putea extrage informații
semnificative din imagini.

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
38
• Formatul STL
STL reprezintă rețea de suprafață triangulată. Fila conține câte trei noduri pentru fiecare
triunghi și d efinește 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 s e 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 numă r 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 den umită 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.

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
39

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 poa te 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 „Golde n 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:
o Rapid Prototyping (R P)
o Computer Aided Engineering (CAE)
o Computer Aided Design (CAD)
o Simularea Chirurgicală (Surgical Simulation)
Toate aceste aplicații necesită procesări întrucâtva diferite înainte ca acestea să poată fi
folosite. Dezvoltarea Mimics tinde continuu să opt imizeze această „pre -procesare” pentru a
asigura un flux de lucru cursiv de la imagine la aplicație.

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
40
o 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 pr ogramul 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 pr egătirea 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.
o 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 (computati onal 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 so ftware -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 pro iecteze într -un pachet
software CAD. Pornind de la informația de tip imagine se asigură geometria precisă, stocată în
format STL.

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
41
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 sun t 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 echi laterale 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 reduc e 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 r educere a
numărului acestora se numește remeshing (reconstrucția rețelei).
o 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, su prafața 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 ma i 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.
o Simularea chirurgicală
Mimics ajută la realizarea unei punți de legătură înt re 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, muta re, repoziționare, redimensionare). Mimics poate importa obiecte
precum ghidajele chirurgicale, dispozitivele și implantele și le poate poziționa precum în faza
operatorie.

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
42
Utilizatorul poate începe apoi să analizeze poziționarea implantului/dispozitivul ui
importat. Acest lucru ajută inginerii ce proiectează implanturi, cât și chirurgii care pun
implanturile, să înțeleagă modul de adaptare și funcțion are, 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, a celași 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 i nterpretează astfel de
imagini [25].
2. Autodesk Inventor
Autodesk Inventor este un program 3D CAD de modelare utilizat pentru proiectarea,
vizualizarea și testarea idei lor 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 ș i
testate cu ajutorul unor instrumente integrate de simulare, miș care și de analiză a tensiunii de
asamblare pe care Inventor le încorporeaza.
Inventator este bine cunoscut pentru caracteristicile sale exacte de model are 3D care
ajută la creerea și vizual izarea produselor. Inventator include, de asemenea, instrumente
integrate de simulare CAD, care nu numai că sporesc productivitatea CAD dar și ajuta pentru
reducerea erorilor.
Autodesk Inven tor este un software de mecanică 3D, de proiectare, de modelare a
solidelor, dezvoltat de Autodesk pentru a crea prototipuri 3D digitale. Acest software permite

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
43
utilizatorilor să producă modele 3D exacte pentru a ajuta la proiectarea, vizualizarea și
simularea produselor înainte ca acestea să fie construite[2 6].
3. ANSYS Wo rkbench
ANSYS este un software de uz general, folosit pentru a simula interac țiunile dintre toate
domeniile fizicii, structurii, vibrațiilor, dinamicii fluidelor, transferului de căldură și domeniile
electromagnetice pentru ingineri. Prin urmare, ANSYS, ca re 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 proba bil 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 necesar e 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 u nei 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, ANSY S Workbench este o platformă care integrează tehnologii de simulare și
sisteme CAD parametrice cu automatizări și performanțe unice.
• Modulele ANSYS :
o Analiză strucurală ;
o Dinamica fluidelor;
o Electronică [27].

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
44
4. Partea experimenta lă
Soluționarea situațiilor medicale cauzate de fracturarea capului humerusului , se poate
realiza cu ajutorul unui implant pentru um ăr. 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 p ăstreze raza de curbură a humerusulu i 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 vâ rstă 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

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
45

Fig. 5.5. Fractură și dislocație în plan posterior

Fig. 5.6. Fractură izolată ansamblu

Fig. 5.7. Fractură izolată detaliată

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
46
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 simpli ficată și mai ușor de prelucrat,
editare efectuată cu ajutorul comenzii „Boolean ”, scăzând masca magenta din cea galbenă.

Fig. 5.8. Fractură izolată simpli ficată
Următorul pas a fost de a corecta masca de culoare magenta în vederea repoziționării
fragmentelor osoase ale fracturii proximale de humerus. La aces t pas a fost utilizată comanda
„Edit Mask”.

Fig. 5.9. Repoziționarea fragmentelor și reducerea dislocației

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
47

Fig. 6.1. Vedere de ansamblu în plan anterior după repoziționare a fragmentelor și reducere a
dislocației

Fig. 6.2. Vedere de ansamblu în plan posterior

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
48
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. An atomia Umărului ).

Fig. 6.3. Rezecția humerusului în zona colului chirurgical

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
49
Ultimul pas a constat în implantarea protezei totale de umăr proie ctată personalizat cu
ajutorul programului Autodesk Inventor 2017.

Fig. 6.4. Proteză totală de umăr proiectată personalizat

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
50
• Proiectarea protezei totale de um ăr
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 pr otezei 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

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
51

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

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
52
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:
1. Proiectarea schiței 2D a tijei humerale – comanda “Start 2D Sketch” .

Fig. 6.10. Schița 2D a tijei humerale

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
53
2. Extrudarea schiței 2D a tijei humerale – comanda “Extrude” .

Fig. 6.11 . Extrudarea schiței 2D – 10 mm

3. Rotunjirea muchiilor tijei humerale cu ajutorul uneltei “Fillet” .

Fig. 6.12. Rotunjirea muchiilor – 3 mm

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
54
4. Crearea schi ței 2D a componentei de legătură cu ajutorul uneltei “Ellipse” .

Fig. 6.13. Schiță 2D a componentei de legătură

5. Extrudarea schi ței 2D a elipsei construite .

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

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
55
6. 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
7. Proiectarea schiței 2D a capului humeral – unelte folosite – “Line” și “Arc”

Fig. 6.16. Construc ția schiței 2D a capului humeral

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
56
8. Contruirea capului femural tridimensional cu ajutorul comenzii “Revolve”

Fig. 6.17. Capul humeral
9. 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

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
57
10. Varianta finală a protezei totale de umăr.

Fig. 6.19. Variantă finală
Material: Oțel inoxidabil austenitic (316L)
Masă: 0,470 kg
Volum: 58595 mm3

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
58
• Proiectarea insertului
1. Proiectarea unei schițe 2D cu ajutorul comenzii “Ellipse”, dup ă ce au fost luate
dimensiunile anatomice ale cavității glenohumerale.

Fig. 6.20. Schița 2D a insertului
2. Extrudarea schiței 2D cu ajutorul uneltei “Extrude”.
F

Fig. 6.21. Extrudarea inserului – 5 mm

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
59
3. Incovoierea spre interior a insertului utilizând funcția “Bend Part”, astfel încât să se
poate îmbina perfect cu anatomia pacientului.

Fig. 6.22. Încovoierea insertului
4. 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 cavitat ea glenohumerală. În
vederea proiectării s -a utilizat comanda “Circle”.

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

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
60
5. Extrudarea pinilor de fixare cu ajutorul uneltei “Extrude”.

Fig. 6.24. Extrudarea pinilor de fixare
6. Rotunjirea muchiilor din vârfurile pinilor de fixare – “Fillet”.

Fig. 6.25. Rotunjirea muchiilor – 2 mm

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
61
7. Varianta finală a insertului:

Fig. 6.26. Varianta finală a insertului
Material: Polietilenă de înaltă densitate
Masă : 0,006 kg
Volume: 6190 mm3

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
62
• Aspect post -operator

Fig. 6.27. Aspect post -operator

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
63
• 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 coeficie ntul lui Poisson specifice materialelor utilizate pentru humerus și pentru
implant .
Modulul l ui 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 proporțio nală 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 .

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
64
• Geometrie

Fig. 7.2 . Geometria modelului

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
65
• Discretizarea modelului (Mesh)

Fig. 7.3. Rețeaua de elemente

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
66
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

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
67
– Deplasări : componenta X = 1 mm, componenta Y = 1 mm, componenta Z = 2 mm;

Fig. 7.5. Deplasări pe axele X, Y, Z

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
68
– Forțe: componenta X = 100 N, componenta Y = 100 N, componenta Z = 100 N;

Fig. 7.6. Forțe

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
69
– Presiune: aplicată pe capul humeral = 50 MPa;

Fig. 7.7. Presiune

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
70
• Rezultate

Fig. 7 .8. Deformația absolută totală [mm]
S-a observat că la mobilități le 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 elastic ă echivalentă (adimensională)
Deformația elastic ă echivalentă are valorile cele mai mari în partea superioară a humeru sului,
la îmbinarea cu proteza.

Fig. 7.10. Deformația elastic ă normală (adimensională)
Deformația elastic ă normală are valori ridicate în special în tija protezei și pe capul humeral.

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
71

Fig. 7.11. Intensitatea deformației elastice (adimensională)
Intensitatea deformației elastic e are valorile cele mai mari în partea superioară a humerusului,
la contactul dintre os și protez ă

Fig. 7.12. Tensi unea 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.

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
72

Fig. 7.14. Tensiunea normală [MPa]
Tensiunea normală este m ai 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 complex e 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
triunghiular e.
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 elastic ă echivalen tă are valorile cele mai mari în partea superioară a
humerusului, la îmbinarea cu proteza; în protez ă apar valori mai ridicate la schimbările de
secțiune către ciuperc ă (Figura 7.9) .
În Figura 7.11. se poate observa că intensitatea deformației elastic e are valorile cele mai
mari în partea superioară a humerusului, la contactul dintre os și protez ă. În proteza apar valori
mai ridicate la schimbările de secțiune către ciuperc ă.
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).

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
73
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.
• DIREC ȚII 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 pr imă 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 reviziil or 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 im plantabile, 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.

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
74
BIBLIOGRAFI E
[1] Dr. Bordei Petru, dr. Ulmeanu Dan, si colaboratori dr. Șapte Elena, dr. Iliescu Dan, dr. Cambrea
Marius : Anatomia descriptiv ă 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.

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
75
[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,
Volum e 22, , July 2013, Pag es 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

PROTEZĂ TOTALĂ DE UMĂR PROIECTATĂ PERSONALIZAT
76

"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