Wykorzystanie technik symulacji inżynieryjnej i modelowania w celu usprawnienia zabiegów wymiany stawów kolanowych
W ramach projektu TOTAL.KNEE (Development of a new generation of knee prostheses with enhanced lifespan features using advanced computational biomechanics) zbadano dostępne obecnie protezy stawów kolanowych i oceniono powiązane naprężenia. Następnie zmodyfikowano powierzchnie i aspekty komponentu piszczelowego, które stabilizują elementy protezy stawu kolanowego wykonane z tworzywa sztucznego. Badacze wykorzystali analizy elementów skończonych do oceny kilku marek implantów. Przeanalizowano kształt geometryczny protez, w tym długość rdzenia, średnicę i kąty nachylenia, a także kołki do mocowania do kości udowej. Oceniono naprężenia mechaniczne i zużycie na powierzchni piszczeli. Przy wykorzystaniu danych otrzymanych z analizy zespół projektu stworzył kilka kształtów geometrycznych powierzchni protezy umożliwiających zmniejszenie zużycia. Naukowcy zmodyfikowali również komponent piszczelowy na potrzeby oceny ryzyka uszkodzenia mechanicznego. Badacze ocenili także stopnień połączenia kości i protezy. Zespół projektu TOTAL.KNEE opracował metodę rekonstrukcji kształtu geometrycznego na podstawie tomografii komputerowej i skanów obrazowania rezonansu magnetycznego. Niską jakość obrazów zwiększono przy użyciu algorytmów oraz przeprowadzono segmentację hybrydową w celu identyfikacji tkanek. Wszystkie aspekty protokołu są wprowadzane do platformy wirtualnej — BodyGiD — pozwalającej na przedstawienie ciała ludzkiego i implantów. Na potrzeby skutecznego remodelowania kości, które jest niezbędne do zapewnienia długiego czasu stosowania protezy, zespół projektu TOTAL.KNEE przeprowadził badanie zachowania komórek z założeniem opracowania nowych strategii. Nowy model zachowania komórek stymulowanego przez automaty komórkowe opublikowano w czasopiśmie Advanced Modeling and Simulation in Engineering Sciences. Wyniki projektu TOTAL.KNEE dotyczyły wielu czynników wpływających na zużycie protez stawów kolanowych i wynikające z niego skrócenie czasu użytkowania. Konsorcjum oczekuje, że ulepszone kształty geometryczne umożliwią stworzenie gotowych do wprowadzenia na rynek prototypów i produktów. Otrzymane dane zwiększą również świadomość lekarzy w zakresie przydatności modelowania komputerowego w przewidywaniu skutków wszczepiania implantów do stawów kości.
Słowa kluczowe
Całkowita wymiana stawów kolanowych, TOTAL.KNEE, komponent piszczelowy, element skończony, remodelowanie kości
