Технология изготовления тазобедренного сустава
Виды изделий
Виды эндопротезов тазобедренного сустава различают по способу их фиксации:
- протез CFP на бесцементной основе;
- протез гибрид;
- стандартный эндопротез.
Пациенту нет нужды пересматривать фото, изучать, какие есть производители медицинского оборудования, разбираться в ценах. Хороший хирург учитывает для каждого больного все нюансы, подбирает подходящий по показаниям протез. В последнее время все чаще применяют имплант тазобедренного сустава Zimmer, фирма эта уже давно зарекомендовала себя на рынке данного вида изделий.
Не уступает в качестве и продукция фирмы Depuy. Российские производители достигли в этом деле также успехов (например, фирма ЭСИ). Хорошо зарекомендовала себя на мировом рынке и немецкая компания «Эскулап», протез которой имеет повышенную износостойкость. Многие врачи хвалят американские протезы.
Типы эндопротезов, их различия
Крепится эндопротез 3 различными способами:
- используется костный цемент, изготовленный на полимерной основе;
- когда кость прорастает в специальные пористые углубления имплантата;
- смешанный способ.
Нельзя однозначно сказать, какой из них лучший. Выбор делается в зависимости от возраста пациента, состояния кости бедра и вертлужной кости. Если больному больше 50 лет, рост кости не отмечается, крепление лучше осуществлять при помощи костного цемента.
А при остеопорозе бедренной кости скрепление при помощи костного цемента дополняется установлением металлической пластины, фиксирующей имплантат.
В других случаях можно использовать бесцементный способ крепления.
Если говорить о внешнем виде протеза, это полная имитация родного сустава человека, выдерживающая повседневную нагрузку и обладающая теми же функциональными способностями, что ранее разрушенный.
Особенности и различия выделяют по типу эндопротезирования:
- поверхностное. Проводится замена головки ТБС и вертлужной впадины;
- тотальное. Полная замена поврежденной кости и хряща с иссечением шейки бедра.
Пример поверхностного импланта компании Zimmer.
Имплантаты различают по методу крепления:
- Фиксация без медицинского цемента. Используется для пациентов молодого возраста без признаков остеопороза. При хорошей плотности костей они врастают в протез и крепят его. При бесцементной фиксации может использоваться ножка, имеющая титановый сплав.
- Крепление при помощи цемента. Методика используется у лиц пожилого возраста либо у больных, чья плотность костной ткани не позволяет использовать бесцементный способ.
Схема способов фиксации имплантов.
Металл-полиэтилен, полиэтилен-керамика, керамика-керамика.
Рассмотрим пары трения. Нет смысла выбирать определенную марку или ориентироваться на цену, но есть смысл обдумать другие характеристики, ведь продукты износа будут негативно влиять на окружающие мягкие ткани и кости. Вот, что действительно нужно обсудить с лечащем врачом.
Существуют следующие разновидности:
- металл в сочетании с металлом;
- металл и полиэтилен;
- керамика плюс керамика;
- комбинация керамики и полиэтилена.
Каждый из видов имеет свои преимущества и свои недостатки. Нельзя сказать, что сочетание одних компонентов будет плохим, а другое — хорошим. Протез, как и пары трения, подбираются индивидуально. То, что не подходит одному пациенту, может рекомендоваться другому.
| Разновидность | Положительные стороны | Негативные стороны |
| Сочетание керамики и керамики |
|
|
| Металл в сочетании с металлом |
|
|
| Металл и полиэтилен |
|
|
| Керамика и полиэтилен |
|
|
Износ металлических компонентов видно невооруженным глазом.
Чаще используется керамика в сочетании с полиэтиленом: подходит больным любой категории, не имеет возрастных ограничений. Ревизионное вмешательство по замене может понадобиться спустя 15-20 лет.
Наиболее высок срок службы у пары трения «керамика плюс керамика». Подходит практически всем пациентам, единственное противопоказание — такие протезы при остеопорозе (низкая плотность тканей) не имплантируются. Основное условие, позволяющее продлить длительность использования, снизить риск повторной операции — правильная установка компонентов конструкции.
Показания к замене ТБС
Преимущества биполярного эндопротезирования:
- сокращается время оперативного вмешательства и кровопотеря. Длительность около получаса;
- максимально быстрая реабилитация;
- технически выполняется проще, чем протезирование другими видами имплантатов, меньшая стоимость манипуляции;
- большинство производителей предлагают протезы со съемными головками, что упрощает задачу подбора имплантата под каждого конкретного пациента, а также упрощает задачу ревизионной операции;
- больший срок службы протеза (зависит от того, насколько точно подобрана внешняя полусфера под размер вертлужной впадины, а также от прочности ножки и надежности ее фиксации в кости).
Противопоказания к установке биполярного протеза:
- перелом вертлужной впадины или ее дисплазия;
- перелом бедренной кости с вывихом и последовавшая импрессия впадины;
- косая линия крыши вертлужной впадины, приведшая к разбалансированности сустава.
Операцию по внедрению искусственного органа обычно назначают при наличии некоторых видов заболеваний и негативных состояний ТБС:
- перелом шейки бедра и последствия травматических повреждений;
- коксартроз (деформирующий остеоартроз) и другие виды артрита, вызвавшие дегенеративно-дистрофические изменения;
- дисплазия;
- нарушение кровоснабжения головки бедра;
- врожденные аномалии;
- некоторые виды опухолей;
- асептический некроз.
Наличие любого из перечисленных признаков не является обязательным показателем к хирургическому вмешательству. В каждом отдельном случае вопрос эндопротезирования больного решается лечащим врачом после глубокого обследования. В частности, при коксартрозе операцию назначают только при 2-3 стадии заболевания. Также эндопротез устанавливают при нестерпимых длительных болях в ТБС, которые не реагируют на лечение в течение полугода.
1. дерматологические болезни и повреждения кожных покровов в области бедра;
2. проблемы с периферическими сосудами нижних конечностей;
3. паралич четырехглавой мышцы;
4. онкологические заболевания;
5. тяжелые расстройства психики;
6. избыточная масса тела (более 120 кг).
Патологические процессы или травматические повреждения в тазобедренных суставах не всегда являются основанием для проведения хирургической операции по замене сустава.
Для определения возможности эндопротезирования пациенты должны пройти полное обследование в условиях стационара. Показания к операции определяет только врач-травматолог и подбирает необходимый имплантат для каждого пациента отдельно.
Существуют определенные противопоказания для выполнения данной операции и зависят от состояния пациента на момент предполагаемой операции. В некоторых случаях можно провести предварительное лечение и осуществить оперативное вмешательство. Функционирование нового тазобедренного сустава зависит от правильно выбранной конструкции эндопротеза и его качества, а также своевременности и адекватности проведения операции по замене тазобедренного сустава.
Для проведения эндопротезирования тазобедренного сустава имеются следующие показания:
- анкилоз, протекающий с осложнениями;
- деформирующий коксартроз на стадии прогрессирования;
- артрозоартрит тазобедренного сустава, развившийся в результате врожденного вывиха бедра у людей, достигших 30–40 лет;
- деформация суставов в результате повреждения опухолевыми процессами в суставных концах и бедренных костях;
- инвалидность, развившаяся вследствие повреждения или осложнения болезней костного скелета.
Существуют и противопоказания к установке эндопротеза. К ним относятся:
- гнойно-воспалительные процессы в области сустава, сопровождающиеся осложнениями;
- остеомиелит и наличие свищей;
- туберкулез костей в стадии обострения.
Тазобедренный сустав: цена протеза
Стоимость эндопротезирования и самого имплантата,зависит от медицинского центра ортопедической хирургии. Средняя цена в Москве по статистике 2014 года — 90 000-120 000 рублей. В эту цену не входило пребывание в стационаре и диагностические исследования.
Цена ортопедических конструкций зависит от производителя и используемого материала. Иностранные компании предлагают имплантаты в районе 1300-2000 долларов, отечественные — в несколько раз дешевле.
На качество эндопротезирования влияет не стоимость, а качество операции и последующая реабилитация. Даже самый дорогой эндопротез не гарантирует терапевтического эффекта при некорректно выполненном вмешательстве и отсутствии правильного периода восстановления.
Разновидности материалов для протезов
Эндопротезирование тазобедренного сустава представляет собой операцию, которая преследует цель замены поврежденного сустава на искусственный. Чаще всего заменяется бедренная кость и вертлужная впадина.
Искусственный шар на стволе протеза изготовлен из прочной металлической основы или керамики. Искусственная же впадина делается, как правило, из полиэтилена (прочный износостойкий пластик).
Фиксация протеза осуществляется при помощи костного цемента.
Наиболее прочными и износоустойчивыми являются металлические протезы. Если правильно их применять, то они прослужат в среднем 20 лет. Срок службы эндопротеза тазобедренного сустава из другого материала составляет 15 лет.
От этих и иных показателей будет зависеть и цена изделия, прочные протезы будут дороже, менее прочные — дешевле. Кроме того, стоимость эндопротеза может зависеть и от его марки. Например, эндопротез Zimmer будет дороже обычного протеза за счет гарантированного высокого качества.
Имплантаты отличаются по качеству применяемых материалов для изготовления ножки и чашки эндопротезов:
- керамика-керамика (самый дорогой вид эндопоотеза, подходящий всем возрастным группам, долго служащий и не токсичный для организма);
- металл-металл (рекомендуются для людей с активным образом жизни, считается износостойким и прочным, однако не ставится женщинам, планирующим беременность или беременным);
- керамика-полимер (самый бюджетный вариант, чаще применяемый для старших пациентов);
- металл-полимер (подходит пациентам старшего возраста со спокойной жизненной деятельностью).
Эндопротез керамика круслин устанавливается пациентам по индивидуальным показаниям. Искусственные суставы различных производителей отличаются некоторыми частями конструкции, например, определенным покрытием или наличием дополнительных шипов. Эти дополнения важны при осложненных состояниях суставов и для их дальнейшей реконструкции.
Где купить протез тазобедренного сустава?
«Врачи скрывают правду!»
Даже «запущенные» проблемы с суставами можно вылечить дома! Просто не забывайте раз в день мазать этим…
Источник
Предлагаем читателям ознакомиться с конкурсной работой аспиранта Севастопольского национального технического университета (Украина) Алексея Коваленко и студента этого университета Виталия Манчука, выполненной в Лаборатории биомеханики под руководством проректора СевНТУ Андрея Павловича Фалалеева. Данная работа была представлена в 2010 году на проводимый компанией Delcam среди университетов России и Украины ежегодный конкурс студенческих работ и заняла на нем первое место в номинации «Ортопедия».
Данная работа выполнена авторами на базе межведомственной Лаборатории биомеханики СевНТУ на протяжении 2009-2010 годов в рамках научно-исследовательской деятельности.
Введение
В настоящее время одной из важнейших проблем травматологии и ортопедии является лечение повреждений опорно-двигательного аппарата. Переломы шейки бедренной кости и повреждение вертлужной впадины составляют до 15-20% среди всех повреждений костей скелета. Консервативные методы лечения в настоящее время практически не применяются, поскольку дают неудовлетворительные результаты — до 90% и высокую летальность — до 33%.
В настоящее время наиболее эффективным методом лечения данной патологии является эндопротезирование головки бедренной кости и вертлужной впадины. Для этого применяют так называемые тотальные эндопротезы, которые состоят из ножки, вертлужного элемента и сферической пары трения (материалы керамика-хирулен, металл-хирулен и др.).
В Севастопольском национальном техническом университете была разработана усовершенствованная конструкция тотального эндопротеза тазобедренного сустава (патент № 2163106 — эндопротез вертлужной впадины, патент № 2163107 — эндопротез тазобедренного сустава). Применение современных компьютерных CAD/CAM-технологий позволяет оперативно осуществить анатомическую адаптацию на этапе планирования операции.
Проблема учета индивидуальных особенностей человека при протезировании
Изготовление и установка индивидуальных протезов является сложной и дорогостоящей операцией, требующей длительного подготовительного периода для производства самого протеза. Использование CAD/CAM-технологий проектирования и производства позволяет значительно сократить этапы подготовки производства анатомически адаптированных имплантатов.
Для создания математических трехмерных моделей элементов тазобедренного сустава необходимы габаритные размеры и подробная геометрия формы костей пациента. От этих элементов зависит конфигурация ножки эндопротеза, шарнирного элемента, вертлужного элемента и соответственно дополнительных фиксирующих элементов. Для получения 3D-моделей можно применять как обычные рентгеновские снимки, так и результаты томографии. В нашем случае мы использовали обычный рентгеновский снимок, сделанный в перпендикулярной плоскости к пересечению оси ножки и оси вертлужного элемента.
В настоящее время производители чаще всего разрабатывают и создают большой размерный ряд эндопротезов, и после определения нужного размера (с рентгеновского снимка) врач подбирает пациенту наиболее подходящий типоразмер эндопротеза из доступных. Данный метод является приближенным, поскольку в большинстве случаев, например, применяются ножки эндопротезов с углом наклона 135°. У пациента, которому необходим угол 132°, при использовании данного протеза возникнет дефект при ходьбе или начнется разрушение костной ткани, что абсолютно недопустимо. Поэтому лечащий врач всегда пытается подобрать эндопротез таким образом, чтобы значения его параметров максимально соответствовали анатомическому суставу пациента.
Цель данной работы заключалась в разработке технологии производства эндопротезов тазобедренного сустава, позволяющей учитывать индивидуальные анатомические особенности пациента. Применение разработанной технологии производства эндопротезов позволит улучшить результаты оперативного лечения больных различного возраста с переломами шейки бедренной кости и повреждениями вертлужной впадины.
Анатомическая адаптация эндопротеза
Из практики известно, что форма любой кости человека индивидуальна и любая проекция кости будет иметь уникальную кривизну. Более того, угол наклона оси головки относительно ножки между левым и правым суставами может различаться у одного и того же человека.
При помощи рентгеновского снимка (рис. 1) определяем геометрические размеры, которые необходимы для создания трехмерной модели тотального эндопротеза, наиболее приближенного к анатомическому суставу.
Рис. 1. Рентгенограмма тазобедренного сустава. Интересующие нас размеры: ϒ — угол наклона оси головки относительно ножки бедренной кости, а — расстояние от центра головки до оси ножки, измеренное по линии наклона головки, в и h — толщина и ширина основания ножки эндопротеза соответственно
Для изготовления деталей протеза тазобедренного сустава необходимо использовать биоинертные материалы. В большинстве случаев это технически чистый титан (например, ВТ1-0,
ВТ1-00), титановые сплавы, кобальт-хром-молибденовые и др. Применение разнородных материалов не допускается во избежание образования гальванической пары.
Разработка элементов эндопротеза тазобедренного сустава
Коллективом Севастопольского национального технического университета разработана и запатентована новая конструкция эндопротеза тазобедренного сустава, которая, по сравнению с аналогами, обладает рядом преимуществ. Кроме того, был создан инструментарий, позволяющий с высокой оперативностью установить и закрепить имплантат в требуемом положении.
Основные преимущества разработанного эндопротеза:
использование улучшенной
пары трения (например, керамика-хирулен) увеличивает срок эксплуатации эндопротеза;
стопорящаяся ножка препятствует опрокидыванию и разбалтыванию эндопротеза в бедренной кости, что снижает риск разрушения костной ткани или ножки протеза, тем самым повышая ресурс имплантата;
чашка эндопротеза, стопорящаяся при помощи секторов, надежно фиксируется в вертлужной впадине от проворачивания, что, несомненно, повышает надежность конструкции имплантата;
подбирая и моделируя размеры имплантатов индивидуально для пациента при помощи современных CAD-систем, можно уменьшить массу эндопротеза и, как следствие, динамические нагрузки на сустав.
Исходным материалом для конкурсной работы были эскизы элементов эндопротеза из патентов РФ № 2163106 и № 2163107. Основными деталями ЭТБС являются: ригельный фиксатор, ключ ригельный, ножка эндопротеза, головка, чашка, вставка и сектор.
Моделирование деталей тотального тазобедренного сустава в среде PowerSHAPE
После снятия необходимых размеров с рентгенограммы строится 3D-модель эндопротеза тазобедренного сустава. Для этого была выбрана CAD-система PowerSHAPE, позволяющая достаточно просто и быстро создавать сложные 3D-модели.
Для представленной на рис. 1 рентгенограммы был выбран эндопротез со следующими геометрическими размерами: длина, ширина, толщина ножки 150, 14 и 12 мм соответственно, угол наклона оси головки —135°, диаметр головки — 32 мм, диаметр эндопротеза чашки — 54 мм.
Рис. 2. CAD-модель чашки эндопротеза
Определенную сложность при моделировании элементов эндопротеза тазобедренного сустава вызвали такие элементы, как чашка (рис. 2), сектор (рис. 3) и ножка эндопротеза (рис. 4), но наибольшие проблемы, конечно, возникают при конструировании сектора (см. рис. 3), что объясняется функциональными особенностями данной детали. В сложенном состоянии для обеспечения плавного и беспрепятственного ввинчивания чашки в кость спираль сектора должна полностью совпадать со спиралью чашки, а в положении фиксации, когда секторы выдвигаются ключом, наклонная поверхность сектора должна совпадать с конусом чашки. Это достигается путем смещения спирали относительно оси конуса на определенное расстояние, а также на 0,88 мм вдоль оси чашки в сторону сужения ее конуса.
Рис. 3. Этапы моделирования сектора эндопротеза
Форма ножки ЭТБС обусловлена индивидуальными анатомическими особенностями пациента, а также порядком проведения токарных, фрезерных и сверлильных операций при изготовлении. Кроме того, при построении ножки ЭТБС необходимо было соблюсти заданные размеры (см. рис. 4).
Рис. 4. Ножка ЭТБС
3D-моделирование остальных элементов эндопротеза тазобедренного сустава производилось экструдированием профиля или его вращением относительно оси, а затем выполнялись булевы операции вычитания, сложения и объединения. Схема сборки тотального ЭТБС показана на рис. 5.
Рис. 5. Схема сборки тотального эндопротеза
Для выполнения сборки и установки эндопротеза были разработаны специальные инструменты (рис. 6).
Рис. 6. 3D-модели инструментов для установки эндопротеза
Анализ работоспособности эндопротеза тазобедренного сустава
В процессе ходьбы максимальные нагрузки испытывает ножка эндопротеза тазобедренного сустава, так как на нее действуют большие изгибающие моменты. Поэтому для проверки данной детали на статическую прочность был выполнен конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния в программной среде ANSYS Workbench.
В соответствии со стандартом ISO 14242 для испытания пары трения регламентируется максимальная нагрузка в 3000 Н, которая прикладывается к ножке в месте крепления головки и направлена вертикально вниз по отношению к прямостоящему человеку. Материал ножки ЭТБС — ВТ 1-0 (технически чистый титан).
Анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) позволил уменьшить толщину сечения ножки до 14 мм, а массу эндопротеза на 7%. При этом прочность конструкции соответствует требованиям стандарта ISO 14242. Максимальные напряжения, возникающие при деформации имплантата (рис. 7), равны 218 МПа (предел прочности — 1070 МПа), а максимальные перемещения вершины не превышают 1,8 мм (рис. 8). Отверстия, выполненные в ножке эндопротеза, не оказывают существенного влияния на распределение напряжений и деформаций в имплантате.
Рис. 7. Анализ НДС эндопротеза тазобедренного сустава:
напряжения по Мизесу
Рис. 8. Деформация ЭТБС под нагрузкой (масштаб перемещений для наглядности увеличен)
Разработка
управляющих программ
для изготовления деталей тотального ЭТБС
на станке с ЧПУ
Управляющие программы обработки деталей ЭТБС на 3-координатном фрезерном станке Optimum F100 были созданы в CAM-системе PowerMILL.
Все детали ЭТБС (кроме хируленовой вставки) изготовлены из технически чистого титана ВТ1-0. Титановые сплавы обладают свойствами, способными существенно влиять как на процесс резания, так и на режущий инструмент. К числу отрицательных свойств титановых сплавов следует отнести плохую обрабатываемость резанием. Между титановой стружкой и инструментом имеется очень небольшая контактная поверхность, вследствие чего в зоне резания возникают высокие удельные давления и температуры, а поскольку титан обладает низкой теплопроводностью, отвод тепла из зоны резания затрудняется. В результате титан налипает на инструмент, который из-за этого быстро изнашивается. Вследствие приваривания и налипания титана на контактирующие поверхности режущего инструмента изменяются геометрические параметры резца, что, в свою очередь, ведет к резкому возрастанию сил резания и дальнейшему повышению температуры. В наибольшей степени влияние температура зависит от скорости резания.
При подготовке управляющих программ были выбраны следующие режимы резания: скорость резания — 80 м/мин; подача на зуб — 0,02 мм; осевой шаг — 0,2 мм; радиальный шаг — 0,1 мм. Обработка велась с избыточным количеством СОЖ пальцевыми твердосплавными фрезами фирмы DOL FAMEX (HRC до 70 единиц) диаметром 1,6; 2,0 и 6,0 мм.
Рис. 9. Создание заготовки и выбор режущего инструмента в PowerMILL
Рис. 10. Визуализация в PowerMILL обработки по первому базированию
Рис. 11. Обработка заготовки на станке Optimum F100
Титановая заготовка закреплялась в тисках и производилось фрезерование одной половины детали (рис. 9 и 10). Затем заготовка переворачивалась в тисках и закреплялась по обработанной поверхности, после чего производилась привязка системы координат детали к системе координат станка и обработка на втором установе второй половины детали (рис. 11). В рамках данной работы были изготовлены такие детали ЭТБС, как ножка, сектор и ригель.
В результате проделанной работы был изготовлен и собран тотальный эндопротез тазобедренного сустава (рис. 12).
Рис. 12. Эндопротез тазобедренного сустава в сборе
САПР и графика 1`2011
Источник