Zastosowanie metod inżynierii odwrotnej do projektowania sztucznego krążka międzykręgowego, Publikacje z Ingegneria Biomedica

Pobierz Zastosowanie metod inżynierii odwrotnej do projektowania sztucznego krążka międzykręgowego i więcej Publikacje w PDF z Ingegneria Biomedica tylko na Docsity!

JOURNAL OF TECHNOLOGY AND EXPLOITATION IN MECHANICAL ENGINEERING

Monika Mańko^1 , Jarosław Zubrzycki^2 , Robert Karpiński^3

The impact of the artificial intervertebral disc on functioning

the lumbar spine

Zastosowanie metod inżynierii odwrotnej do projektowania sztucz-

nego krążka międzykręgowego

Streszczenie W pracy przedstawiono budowę anatomiczną kręgu i krążka międzykręgowego. Opisano funkcjonowanie kręgosłupa, jego kinematykę oraz oddziaływania międzykręgowe. Stworzono pełny trójwymiarowy model kręgów lędźwio- wych L2 – L4. Na ich podstawie skonstruowano model endoprotezy krążka międzykręgowego (pomiędzy L2 i L3). Opracowano uproszczony model sztucznego krążka międzykręgowego sformułowany metodą elementów skończonych, który posłużył do analizy biomechanicznej. Do- konano obliczeń wytrzymałościowych oraz wy- ciągnięto odpowiednie wnioski. Prezentowane wyniki przedstawiają zachowanie się trójwy- miarowego modelu kręgu lędźwiowego przy za- stosowaniu endoprotezy krążka międzykręgo- wego pod wpływem działania obciążeń. Słowa kluczowe: kręg lędźwiowy, sztuczny krążek międzykręgowy, biomechanika

Abstract In the hereby thesis the anatomy of the lumbar vertebra and intervertebral disc were presented. Functioning and kinematics of the spine and in- tervertebral forces were described.Full three – dimensional model of the lumbar vertebrae L2 – L4 was created. On the basis of it model of arti- ficial intervertebral disc was constructed (be- tween L2 and L3). The simplified model of ver- tebra L2 was formulated via finite elements method. Processed model has been used for bio- mechanical analysis.Strength calculations were made and appropriate conclusions were drawn. Presented results show behavior influenced of three – dimensional model of the lumbar verte- bra with artificial intervertebral disc by operation of loads.

Keywords: lumbar vertebra, artificial inter- vertebral disc, biomechanics

1. Wstęp

Tematyka schorzeń kręgosłupa jest ciągle aktualnym problemem nie tylko z punktu widzenia diagnostyki i leczenia, ale również biomechaniki. Nadal nie są znane wszystkie mechanizmy powstawania nieprawidłowości postawy ciała ludzkiego, a co za tym idzie, utrudniona jest rehabilitacja i le- czenie. Zakres ruchomości odcinkowej kręgosłupa należy do standardowej oceny klinicznej narządu ruchu. Biomechanika, jako nauka z pogranicza techniki i medycyny, zajmująca się ruchem, jego przyczynami i skutkami, umożliwia identyfikację zjawisk

(^1) [email protected], Koło Naukowe Informatyk, Wydział Mechaniczny, Politechnika Lubelska (^2) Instytut Technologicznych Systemów Informacyjnych, Wydział Mechaniczny, Politechnika Lubelska (^3) Koło Naukowe Technologii Materiałów, Wydział Mechaniczny Politechnika Lubelska, www.kntm.pollub.pl

JOURNAL OF TECHNOLOGY AND EXPLOITATION IN MECHANICAL ENGINEERING

wewnątrz układów biologicznych, dlatego jest bardzo pomocna podczas for- mułowania modeli numerycznych kręgosłupa. Dzięki modelowaniu i symu- lacji komputerowej istnieje możliwość nieinwazyjnej analizy parametrów, niemożliwych do przebadania bezpośrednimi tradycyjnymi metodami. Współczesny rozwój technologii komputerowych umożliwia tworzenie coraz bardziej zaawansowanych modeli numerycznych kręgosłupa czło- wieka, które w połączeniu z wiedzą inżynierską i medyczną są znakomitą bazą do przeprowadzania badań oraz analiz biomedycznych, co daje możli- wość optymalnego wyboru metody leczenia czy rehabilitacji kręgosłupa. Dzięki takim analizom możliwa jest symulacja modelowania całych ukła- dów biomechanicznych a także pojedynczych elementów dostosowanych do potrzeb konkretnego pacjenta, co świadczy o coraz większej personalizacji medycyny. Coraz bardziej stają się popularne a zarazem bardzo oczekiwane rozwiązania zgodne z technologią Custom-made tzw. „proteza na wymiar”. Wykonanie „protezy na wymiar” wymaga od projektanta szeregu danych o pacjencie, które w sposób szczególnie precyzyjny są w stanie umożliwić wykonanie takiej protezy. Do otrzymania tych danych można podejść na je- den z dwóch sposobów. Użycie każdego z nich determinuje rodzaj protezy do wykonania. W przypadku protez zewnętrznych wystarczające jest użycie skanera 3D, który jest w stanie odwzorować wymiary zewnętrzne organu (stopa, noga, dłoń, ręka itp.). Natomiast w przypadku endoprotez użycie ska- nera jest praktycznie niemożliwe. Aby wykonać model a następnie samą pro- tezę pozyskanie danych wiąże się z uzyskaniem obrazu struktury wewnętrz- nej. Do tego zadania należy użyć zupełnie innej aparatury pomiarowej – to- mografu komputerowego lub rezonansu magnetycznego. W niniejszej pracy zostanie zaprezentowany algorytm postępowania wy- konania modelu przestrzennego endoprotezy sztucznego krążka międzykrę- gowego dla pacjentki jednego ze szpitali w Lublinie. Model endoprotezy zo- stał wykonany dla części lędźwiowej kręgosłupa. Zaprezentowane dane z uwagi na ochronę danych wrażliwych są pozbawione szczegółów perso- nalnych i historii choroby pacjentki.

2. Cel pracy

Celem pracy było pokazanie możliwości zastosowania inżynierii odwrot- nej w zastosowaniu do projektowania sztucznego krążka międzykręgowego, jako jednej z możliwości tworzenia implantów zgodnych z zasadą medycyny spersonalizowanej.

3. Fizjologia i biomechanika kręgosłupa człowieka

Z biomechanicznego punktu widzenia kręgosłup może być rozpatrywany, jako struktura przekładkowa, położona pośrodkowo po grzbietowej stronie

JOURNAL OF TECHNOLOGY AND EXPLOITATION IN MECHANICAL ENGINEERING

Poszczególne odcinki kręgosłupa wygięte są naprzemiennie w lordozę szyjną, kifozę piersiową, lordozę lędźwiową i kifozę krzyżowo – guziczną. Krzywizny te uznaje się za wygięcia fizjologiczne, odgrywające znaczącą rolę w utrzymaniu statyki ciała, pionizacji sylwetki i amortyzacji wstrząsów wywołanych poruszaniem się. Ponadto sprawiają, że w widoku z boku krę- gosłup przypomina rozciągniętą literę „S”. Patrząc na kręgosłup w płasz- czyźnie czołowej powinien być on prosty. Jednak równie charakterystycz- nymi dla kręgosłupa wygięciami są skoliozy – naturalne skrzywienia boczne, które niestety mogą przechodzić w stan chorobowy, niebezpieczny dla po- stawy ciała. W tym wypadku może dojść do bocznego wychylenia miednicy i kręgosłupa. Na skoliozy narażone są przede wszystkim kręgi piersiowe, lę- dźwiowe i krzyżowe [5,6]. Lordozę lędźwiową tworzy 5 masywnych kręgów, które zmieniają pro- porcje w wymiarach trzonów i łuków kręgowych w stosunku do kręgów znajdujących się powyżej nich. Wymiary poszczególnych elementów krę- gów lędźwiowych są większe w porównaniu z innymi, szczególnie w od- cinku szyjnym. Część lędźwiowa kręgosłupa uznawana jest za najbardziej przeciążoną, a co za tym idzie, najmocniej narażoną na urazy. Fakt ten, uzasadniony licz- nymi badaniami przeprowadzanymi w oparciu o przypadki kliniczne, jasno wskazuje, że czynniki, takie jak: nadwaga czy siedzący tryb życia, obarczają odcinek lędźwiowy ryzykiem pojawienia się zwyrodnień [27].

3.1. Kręgi

Podstawowymi elementami kręgosłupa są kręgi, a każdy z nich jest osobną kością. Wyróżnia się kręgi prawdziwe oraz rzekome. Budowa krę- gów prawdziwych jest podobna, jednak nieco różni się na poszczególnych odcinkach kręgosłupa. Typowy kręg prawdziwy zbudowany jest z trzonu (część przednia), łuku kręgowego (część tylna) oraz trzech wyrostków: jed- nego kolczystego i dwóch poprzecznych (rys. 2). Trzon ma kształt walca z powierzchnią górną i dolną. Przenosi obciążenia pochodzące od masy ciała, co sprawia, że jest najbardziej masywnym ele- mentem kręgu. Wyrostki poprzeczne sąsiadujących ze sobą kręgów tworzą stawy, które są pokryte chrząstką i wypełnione płynem maziowym. Powo- duje on zmniejszenie tarcia powierzchni ruchomych stawów. Łuk kręgu wraz z tylną powierzchnią trzonu tworzy otwór kręgowy. W kanale kręgo- wym znajduje się rdzeń kręgowy – dolna część ośrodkowego układu nerwo- wego. Otworami międzykręgowymi odchodzą od niego korzenie nerwowe, które dalej rozgałęziają się doprowadzając impulsy nerwowe do wybranych obszarów ludzkiego organizmu [3].

JOURNAL OF TECHNOLOGY AND EXPLOITATION IN MECHANICAL ENGINEERING

Rys.2. Typowy kręg lędźwiowy w widoku z góry i z boku [32]

3.2. Krążki międzykręgowe

Krążek międzykręgowy jest łącznikiem pomiędzy dwoma kręgami praw- dziwymi. U dorosłego człowieka zbudowany jest z trzech części: płytek gra- nicznych, zewnętrznego pierścienia włóknistego i ruchomego jądra miaż- dżystego położonego wewnątrz (rys. 3). W przekroju poprzecznym posiada fasolowaty kształt, skierowany wypukłością do przodu [4]. Pierścień włóknisty, otaczający jądro miażdżyste, składa się z kilkunastu warstw zbudowanych z włókien kolagenowych, leżących równolegle wzglę- dem siebie i pochylonych pod kątem 300. Włókna występujących po sobie blaszek są ułożone naprzemiennie i krzyżują się względem siebie. Ich cha- rakterystyka materiałowa jest zmienna; zewnętrzne są sztywniejsze i bar- dziej wytrzymałe, natomiast wewnętrzne są bardziej podatne na mikrourazy.

Rys. 3. Krążek międzykręgowy z zaznaczonymi jądrem miażdżystym i pierścieniem włóknistym

Jądro miażdżyste stanowi 50% – 60% objętości krążka w wymiarze po- przecznym. Jest punktem podparcia dla kręgu leżącego powyżej, amortyzuje i równomiernie rozkłada obciążenia na cały pierścień włóknisty i płytki gra- niczne. Jego podstawową substancją budulcową są proteoglikany wiążące wodę. W momencie, gdy zawartość proteoglikanów obniży się, jądro traci swoje właściwości hydrodynamiczne. Dochodzi do dehydratacji jądra, która zaburza amortyzację obciążeń działających wzdłuż osi kręgosłupa. Wraz

JOURNAL OF TECHNOLOGY AND EXPLOITATION IN MECHANICAL ENGINEERING

od strzałkowych. Wyrostki kolczyste są wysokie, dość masywne i ustawione poziomo w płaszczyźnie strzałkowej [7]. Kształty krążków międzykręgowych na różnych poziomach są bardzo do siebie podobne, jednak ich wymiary znacznie się różnią. Krążki, podobnie jak kręgi, zyskują na rozmiarach w miarę kierowania się ku dolnym odcin- kom kręgosłupa. Przyjmuje się, że wysokość i szerokość dysków w odcinku lędźwiowym jest dwukrotnie większa od dysków w odcinku szyjnym. W przypadku zdrowego kręgosłupa, jego przednia część przenosi więk- szość obciążeń. Jednak zmiany degeneracyjne powodują pogłębienie się lor- dozy lędźwiowej w związku, z czym znaczne obciążenie przenoszone jest na stawy międzykręgowe. Nacisk na powierzchnie stawowe stopniowo je de- formuje, a wada pogłębia się. Wraz z wiekiem krążki międzykręgowe czę- ściowo tracą własności sprężyste ulegając spłaszczeniu [20]. Na rys. 4 przed- stawiono procentowy rozkład przenoszonego obciążenia przez kręgi i krążki.

Rys. 4. Procentowy rozkład przenoszonego przez kręgosłup obciążenia przypadającego na wska- zane miejsca: a) kręgosłup prawidłowy, b) przypadek kręgosłupa ze znacznym stopniem degene- racji [20]

W trakcie działania siły ściskającej dochodzi do wzrostu ciśnienia we- wnątrz jądra miażdżystego, co z kolei napiera na pierścień włóknisty i pro- wadzi do jego uwypuklenia w kierunku zewnętrznym krążka międzykręgo- wego. Prowadzi to do zmniejszenia wysokości całego krążka. Taki rodzaj współpracy między pierścieniem włóknistym a jądrem miażdżystym utrzy- muje odpowiednią sztywność układu z zachowaniem sprężystości.

3.4. Sumaryczna wytrzymałość kręgosłupa ( anatomia )

Właściwości biomechaniczne wszystkich struktur kręgosłupa poddawa- nych ciągłym przeciążeniom wraz z wiekiem i postępującym procesem zwy- rodnieniowym zmieniają się, wpływając niekorzystnie na wytrzymałość oraz zakresy ruchomości tułowia.

JOURNAL OF TECHNOLOGY AND EXPLOITATION IN MECHANICAL ENGINEERING

Krążek międzykręgowy jest kluczowym elementem prawidłowego funk- cjonowania kręgosłupa, bowiem bierze istotny udział w przenoszeniu obcią- żeń i amortyzacji. Zmiany zachodzące w krążku analizowane są między in- nymi poprzez badanie zmian ciśnienia panującego w jego wnętrzu w różnych warunkach obciążeniowych. Ciśnienie wewnątrzdyskowe jest więc istotnym parametrem w ocenie stopnia jego obciążenia (lub przeciążenia) oraz spo- sobu przenoszenia tych obciążeń przez jego poszczególne struktury i ele- menty [23]. Ciśnienie wewnętrzne oddziałuje na ścianki pierścienia włóknistego. Cy- kliczne obciążenia pierścieni włóknistych prowadzą do powstawania uszko- dzeń natury zmęczeniowej, co w konsekwencji skutkuje obniżeniem ich wy- trzymałości. Ciśnienie wywołane gwałtownym ruchem wypycha jądro miaż- dżyste, wywołując bardzo często ucisk na korzenie nerwowe, powodując ból [6]. Dotychczas przeprowadzone badania wskazują, że uśrednione wartości sił niszczących w części piersiowej to 75% a szyjnej 25% tych, które działają na kręgosłup lędźwiowy. Średnia siła niszcząca przy próbie rozciągania dla kręgosłupa szyjnego wynosi 1020 N, dla dolnego odcinka piersiowego wy- nosi już 2980 N. Największą wartość przyjmuje oczywiście kręgosłup lędź- wiowy – aż 4090 N. Natomiast średnie wartości sił niszczących dla próby ściskania w tej samej grupie badanych osób wynoszą 5050 N (dla kręgosłupa lędźwiowego), przy czym wytrzymałość na ściskanie równa jest 4,7 MPa [21].

4. Obciążenia kręgosłupa

Kręgosłup stanowi nierozerwalną całość; każda zmiana anatomiczna lub czynnościowa w jednym odcinku powoduje zmianę czynności i rozwój znie- kształceń w pozostałych odcinkach kręgosłupa, a co za tym idzie, w całym narządzie ruchu [6]. Poznanie zmian zachodzących w kręgosłupie następuje przez analizę właściwości mechanicznych jego poszczególnych składowych. Wzajemne współdziałanie krążka międzykręgowego i wyrostków stawo- wych decyduje o poprawnym rozkładzie sił i nacisków wywoływanych ob- ciążeniami. Na działanie krążka międzykręgowego mają wpływ nie tylko właściwości mechaniczne rozpatrywane w układzie krążek – kręgi, ale rów- nież właściwości mechaniczne poszczególnych struktur krążka (a zwłaszcza pierścienia włóknistego). Wyniki badań wybranych właściwości mechanicz- nych pojedynczego segmentu ruchowego wskazują na złożone procesy za- chodzące już na poziomie pojedynczego ogniwa kinematycznego kręgosłupa [23]. Główne obciążenia w kręgosłupie przenosi krążek międzykręgowy, a w szczególności pierścień włóknisty krążka. Wyrostki stawowe przenoszą tylko około 20% obciążeń i włączają się w proces ich przenoszenia dopiero

JOURNAL OF TECHNOLOGY AND EXPLOITATION IN MECHANICAL ENGINEERING

Znaczący wkład w badania nad rozkładem ciśnienia w krążku między- kręgowym wniósł szwedzki profesor Alf Nachemson przeprowadzając ana- lizę zmian ciśnienia odcinka lędźwiowego kręgosłupa w badaniach in vivo i in vitro w zależności od płci, wieku, postawy ciała, wykonywanych czynno- ści oraz stopnia zmian degeneracyjnych tkanki dysku. Jego badania wyka- zały m.in., że usunięcie wyrostków stawowych doprowadza do wzrostu ci- śnienia w krążku międzykręgowym (podczas obciążenia ściskającego) o 18% w stosunku do stanu z zachowanymi wyrostkami [25]. Podstawowa analiza rozkładu ciśnienia skupia się na zmianach zachodzą- cych w krążku międzykręgowym podczas działania obciążenia ściskającego w zakresie pojedynczego segmentu ruchowego. Rozkład ciśnienia panują- cego w pierścieniu włóknistym oraz w jądrze miażdżystym pod działaniem rosnącej siły ściskającej ma charakter liniowy. Wprowadzenie dodatkowej składowej obciążenia do układu poddanego działaniu ściskania osiowego powoduje dwukrotny wzrost ciśnienia w krążku międzykręgowym odcinka lędźwiowego kręgosłupa [21]. Nachemson określił obciążenie kręgosłupa w odcinku lędźwiowym dla różnych pozycji ciała oraz dla różnych czynności. Wyniki swoich badań przedstawił w postaci zależności zmian ciśnienia występującego w krążkach międzykręgowych na poziomie L2 – L5 od pozycji ciała. Dla pozycji stojącej wartość odniesienia wynosiła 100%. Prezentowany wykres wyraźnie pokazuje, że szczególnie niebezpieczna dla kręgosłupa jest pozycja siedząca. Podczas siedzenia z wyprostowanymi plecami, opierając się o oparcie, na krążek wywierany jest nacisk ponad 140 kilogramów. Gdy siedząc pochylimy się trochę do przodu, to nacisk ten wy- niesie już ok. 175 kilogramów. Głębsze pochylenie tułowia powoduje wzrost obciążenia trzeciego krążka lędźwiowego aż do 250 – 275 kilogramów.

4.2. Model Stotte’a

Do analizy obciążenia kręgosłupa przydatny jest również model Stotte’a. Jego założeniem jest to, że środek ciała pokrywa się ze środkiem ciężkości ciała, który jest podstawą do przyjmowania obciążeń działających na kręgo- słup oraz sił i obciążeń w rejonie danego kręgu [3, 21]. Rys.2.5. przedstawia model obciążeniowy kręgosłupa lędźwiowego wg Stotte’a.

JOURNAL OF TECHNOLOGY AND EXPLOITATION IN MECHANICAL ENGINEERING

Rys.6. Model obciążeniowy kręgosłupa wg Stotte’a [2]

Równania 1, 2 i 3 umożliwiają wyznaczenie sił, które działają na kręgo- słup na poziomie L5 – S1 w zależności od kąta pochylenia tułowia. Suma momentów sił dla sylwetki wyprostowanej:

Pxdx + Ppdp=Q 1 d 1 ±Qtdt+Pmdm (2.1)

Siła ściskająca krążka międzykręgowego:

Pc = (Q 1 +Qt)cos  + Px – Pp+Pm (2.2)

Siła statyczna krążka międzykręgowego:

Ps = (Q 1 +Qt)sin  (2.3)

gdzie: Pp – siła pochodząca od ciśnienia jamy brzusznej (70mmHg – 9,35kN/m^2 działa na czynnej powierzchni S = 0,035m^2 i wywołuje siłę 326N); Pm – składowa siły wzdłużnej mięśni brzucha – 75N; Px – siła prostowników grzbietu; Qt – siła ciężkości tułowia; Q 1 – siła ciężkości kończyn górnych; α – kąt pochylenia kości krzyżowej do poziomu; dm – ramię działania siły wzdłużnej mięśni brzucha – 10cm; dp – ramię działania siły pochodzącej od ciśnienia jamy brzusznej – 9cm; dx – ramię działania siły prostowników grzbietu – 4,8mm; dt – ramię działania siły ciężkości tułowia; d 1 – ramię działania siły ciężkości kończyn górnych.

JOURNAL OF TECHNOLOGY AND EXPLOITATION IN MECHANICAL ENGINEERING

 minimalizacja elementów konstrukcyjnych,

 brak konieczności obróbki mechanicznej podczas implantacji,

 wysoka wytrzymałość mechaniczna

 biotolerancja,

 minimalizacja uszkodzeń otaczających tkanek.

Wymienione powyżej schorzenia w swojej najgorszej postaci prowadza do chirurgicznej interwencji mającej na celu, chociaż częściowe przywróce- nie funkcjonalności kręgosłupa poprzez wstawienie endoprotezy krążka międzykręgowego.

6. Projekt segmentu lędźwiowego kręgosłupa ze sztucznym krążkiem

Wprowadzenie artroplastyki krążka międzykręgowego było ważnym kro- kiem w rozwoju chirurgii kręgosłupa. Procedura ta jest interesującą opcją leczenia operacyjnego dla 30 – 40% chorych z dyskogennymi bólami kręgo- słupa, u których decydowano się wcześniej na krótkoodcinkową spondylo- dezę kręgosłupa [21]. Idea odtworzenia ruchowej jednostki kręgosłupa pomimo wielu lat badań i poszukiwań, ze względu na ograniczenia techniczne, dopiero w ciągu ostat- nich lat doczekała się realizacji. Przeprowadzone w połowie lat 90-tych ba- dania kliniczne i biomechaniczne nowoczesnych modeli sztucznego krążka międzykręgowego uzyskały na początku XXI wieku możliwości prawne ich zastosowania jako nowej procedury leczniczej w chorobach zwyrodnienio- wych krążka międzykręgowego. Głównym celem całkowitej artroplastyki krążka międzykręgowego jest leczenie izolowanych bólów kręgosłupa. Niezaprzeczalną zaletą tej proce- dury jest zachowanie segmentu z tolerancją obciążeń adekwatnych do wieku chorego, co w efekcie zapobiega powstawaniu zmian zwyrodnieniowych w przyległych segmentach ruchowych. Zmiany te są obserwowane u większo- ści chorych, u których zastosowano krótką spondylodezę kręgosłupa. Projekt modelu segmentu lędźwiowego kręgosłupa ze sztucznym krąż- kiem powstał dzięki zastosowaniu technologii inżynierii odwrotnej (ang. Reverse engineering RE ). Punktem wyjścia do realizacji zadania były zdjęcia wykonane w standar- dzie DICOM ( Digital Imaging and Communications in Medicine ) podczas badań tomografii komputerowej pacjentki zakwalifikowanej do wszczepie- nia endoprotezy krążka międzykręgowego. Dzięki temu można było odwzo- rować struktury kostne konkretnej osoby co wpisuje się w medycynę sper- sonalizowaną ( custom–made ). Otrzymane obrazy dzięki zastosowaniu odpo- wiedniego oprogramowania umożliwiły wykonanie cyfrowego 3D segmentu lędźwiowego kręgosłupa wraz z uszkodzonym krążkiem międzykręgowym (kręgi L2, L3 i L4).

JOURNAL OF TECHNOLOGY AND EXPLOITATION IN MECHANICAL ENGINEERING

6.1. Tworzenie modelu 3D

Model 3D został utworzony dzięki zastosowaniu specjalistycznego pro- gramu, który umożliwia import i obróbkę obrazów wykonanych w standar- dzie DICOM, a jest nim Materialise Mimics. Na początku dwuwymiarowe obrazy CT zostały zaimportowane do Mi- mics (rys. 7), gdzie dzięki wbudowanym mechanizmom możliwe było wy- ekstrahowanie struktur kostnych z obrazów i wygenerowanie modelu prze- strzennego. Z uwagi na to, iż model kręgosłupa jest dosyć rozbudowany i posiada wiele niewielkich elementów kostnych, które łatwo przez przypadek wyciąć, proces przycinania maski do interesujących kręgów L2, L3 oraz L4 za po- mocą narzędzia Crop Mask jest w tym przypadku zbędny. W związku z tym, od razu wygenerowano model trójwymiarowy wszystkich kości kręgosłupa lędźwiowego. Wynik tej operacji widoczny jest na rys.8. Tak wykonany model nie jest jeszcze w pełni użyteczny do implantacji. W diagnozie lekarskiej stwierdzono, że u pacjentki zostanie założony sztuczny krążek pomiędzy kręgami L2, L3 i L4 (znaczna skolioza), ponie- waż kąty pomiędzy nimi są najmniejsze. Natomiast otrzymany model za- wiera dużo więcej danych niż jest to potrzebne. Dlatego też w dalszym po- stępowaniu model ograniczono tylko do niezbędnych kręgów.

Rys. 7. Zaimportowane obrazy 2D z badań CT z wyekstrahowanymi strukturami kostnymi (zie- lona maska na rysunkach)

JOURNAL OF TECHNOLOGY AND EXPLOITATION IN MECHANICAL ENGINEERING

Z uwagi na złożoną budowę kręgu, zdecydowano się, aby przygotowany do eksportu (do programu Solid Edge) model ograniczał się jedynie do sa- mych trzonów kręgów i nie zawierał wyrostków kolczystych. Nie ma po- trzeby wymiarowania wyrostków, ponadto znacznie zmniejszy się rozmiar pliku oraz ilość wytworzonych polilinii. Po wygenerowaniu modelu trójwymiarowego, należało stworzyć polili- nie, osobno dla każdego kręgu, za pomocą narzędzia Calculate Polylines. Do stworzenia modelu z polilinii trzeba było usunąć wszystko, co znajdowało się wewnątrz ograniczonej maski, jednak wymagało to ręcznej edycji sporej ilości zdjęć. Po wykonaniu tej czynności należało utworzyć nowe polilinie i nową maskę. Efekt tych działań przedstawia rys.10. Następnym etapem po wykonaniu zestawu polilinii było wypełnienie przestrzeni wewnętrznej nowych polilinii oraz utworzenie trójwymiarowego modelu kręgu za pomocą opcji Calculate 3D na podstawie uaktualnionej ma- ski (rys.11.) Po uzyskaniu zamierzonego efektu został przeprowadzony proces gene- rowania powierzchni w celu uzyskania modelu końcowego (rys. 12). W analogiczny sposób wygenerowane zostały pozostałe kręgi tj. L3 i L4. Tak przygotowane modele wyeksportowano do pliku .stl i można było przejść do etapu projektowania endoprotezy krążka międzykręgowego.

Rys.10. Polilinie wygenerowane dla kręgu L2: a) przed usunięciem struktury wewnętrznej, b) po usunięciu zbędnych polilinii

JOURNAL OF TECHNOLOGY AND EXPLOITATION IN MECHANICAL ENGINEERING

Rys.11. Trójwymiarowy model kręgu wraz z poliliniami

Rys.12. Wygenerowany model powierzchniowy kręgu L

6.2. Model endoprotezy krążka międzykręgowego

Projektowanie endoprotezy krążka międzykręgowego jest zadaniem dość wymagającym, ponieważ obejmuje zagadnienia z zakresu wiedzy medycz- nej, technicznej oraz materiałoznawstwa. Jest przykładem medycyny sper- sonalizowanej, a więc dopasowanej do konkretnego pacjenta. Mimo, iż na rynku istnieje kilka rozwiązań konstrukcyjnych tego rodzaju implantu, firmy projektujące sztuczne krążki międzykręgowe posiadają w swojej ofercie kilka a nawet kilkanaście rozmiarów endoprotezy. W niniejszej pracy posłu- żono się danymi technicznymi firmy, która zaprojektowała sztuczny krążek pod nazwą Prodisc-L. Do zaprojektowania endoprotezy krążka międzykręgowego wykorzy- stano program Solid Edge z rodziny CAD. W pierwszym etapie dobrano ogólny rozmiar implantu na podstawie dostępnej literatury oraz przybliżo- nych wymiarów kręgów pacjenta. Następnie zamodelowano podstawowy

JOURNAL OF TECHNOLOGY AND EXPLOITATION IN MECHANICAL ENGINEERING

Rys.15. Płytka górna endoprotezy

Tak zaprojektowane modele płyt i wkładki posłużyły do wykonania mo- delu złożenia endoprotezy w celu sprawdzenia poprawności wykonanej kon- strukcji a także do przeprowadzenia dalszych badań numerycznych (rys. 16).

Rys.16. Złożenie wszystkich elementów endoprotezy

Dzięki wykonaniu złożenia możliwe było sprawdzenie, czy implant rze- czywiście pasuje do przestrzeni międzykręgowej na poziomie L2 i L3. Po- między tymi kręgami istnieje wyraźne zaburzenie odzwierciedlenia kąto- wego, jakie ma miejsce w przypadku zdrowego kręgosłupa. Warto przypo- mnieć, że zdjęcia CT kręgosłupa lędźwiowego, na podstawie, których stwo- rzono model geometryczny, wykonane zostały dla pacjenta z wyraźną sko- liozą. Mimo to, dopasowanie zaprojektowanej endoprotezy tej przestrzeni międzykręgowej nie stwarzało żadnych problemów, co widać na rys.17. Na tym etapie jest to bardzo ważna informacja, ponieważ świadczy ona o do- kładności wykonanych pomiarów w procesie projektowania implantu. W

JOURNAL OF TECHNOLOGY AND EXPLOITATION IN MECHANICAL ENGINEERING

przeciwnym przypadku, gdyby okazało się, że implant nie do końca spełnia wymagania projektowe, czyli „nie pasuje” do tego modelu, należałoby wró- cić do fazy początkowej całej analizy i stworzyć nowy projekt endoprotezy o innych wymiarach i zależnościach.

Rys. 17. Model segmentu kręgosłupa lędźwiowego z implantem krążka

Tak przygotowany model złożeniowy należało ponownie zapisać w for- macie * stl , aby możliwe było wydrukowanie go przy użyciu drukarki 3D. Model rzeczywisty powstały z tego złożenia oczywiście nie będzie posiadał możliwości obrotu na poziomie wszczepionego implantu, ponieważ zostanie wydrukowany jako jedna bryła. Posłuży on jednak do zobrazowania rzeczy- wistych relacji występujących w takim złożeniu oraz będzie niezaprzeczal- nym dowodem na to, że w przygotowaniu złożenia zachowano wszystkie kąty występujące pomiędzy kręgami. Specjalnie także zdecydowano się nie ulepszać modelu przy pomocy wygładzania powierzchni, aby pokazać, że podczas wszczepiania endoprotezy również powierzchnia kręgów nie zo- staje specjalnie naruszona. Jednakże po podzieleniu modelu na składowe zakres ruchów obrotowych endoprotezy będzie możliwy do przedstawienia (osobno wydrukowano płytkę górną, płytkę dolną oraz wkładki). Tak wytworzony model rzeczywi- sty doskonale zobrazuje możliwości rotacji jednej płytki względem drugiej, co w praktyce oznacza lepsze zrozumienie idei tego rozwiązania.