Бионический подход к эндопротезированию суставов кисти Николаенко Андрей Николаевич

Короткий опис

Николаенко Андрей Николаевич. «Бионический подход к эндопротезированию суставов кисти»: диссертация ... доктора Медицинских наук: 14.01.15 / Николаенко Андрей Николаевич;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации], 2019.- 290 с.
Бионический подход к эндопротезированию суставов кисти Николаенко Андрей Николаевич
ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
доктор наук Николаенко Андрей Николаевич
ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Значение кисти как органа

1.2. Применение цифрового прототипирования в травматологии

и ортопедии

1.3. Анализ современных подходов к эндопротезированию суставов кисти

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Общая характеристика работы

2.2. Клиническая часть работы

2.2.1. Характеристика пациентов

2.2.2. Методы исследования

2.2.3. Оценка результатов лечения пациентов

2.3. Методы разработки бионического подхода

2.3.1. Методы компьютерного моделирования

2.3.2. Метод конечных элементов

2.3.3. Цифровое прототипирование

2.4. Экспериментальная часть работы

2.4.1. Осмотр животных

2.4.2. Методы исследования

2.4.3. Механические испытания образцов эндопротезов

2.4.4. Оценка биосовместимости образцов эндопротезов in vitra

2.4.5. Оценка биосовместимости образцов эндопротезов in vivo

2.5. Методы статистического анализа и доказательной медицины

Глава 3. РАЗРАБОТКА БИОНИЧЕСКОГО ПОДХОДА К

ЭНДОПРОТЕЗИРОВАНИЮ СУСТАВОВ КИСТИ

3.1. Разработка бионического дизайна эндопротезов суставов кисти.. 91 3.1.1. Разработка алгоритма построения бионических 3D-моделей

эндопротезов в ручном режиме

3.1.2. Оптимизация формы и конструкции крепежных элементов

бионических 3D - моделей

3.1.3. Разработка CAD - системы проектирования бионических

ЗЭ-моделей эндопротезов для АПК «Автоплан»

3.2. Оптимизация технологии цифрового прототипирования

3.3. Исследование контактирующих поверхностей бионических эндопротезов суставов кисти

3.4. Разработка методики прецизионной сегментарной резекции коротких костей кисти

Глава 4. ДОКЛИНИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

ОБРАЗЦОВ И МАТЕРИАЛОВ ЭНДОПРОТЕЗОВ

4.1. Механические испытания образцов

4.2. Оценка цитотоксичности материалов

4.3. Оценка биосовместимости материалов

Глава 5. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ

ВЫПОЛНЕНИЯ ЭНДОПРОТЕЗИРОВАНИЯ У ЖИВОТНЫХ

5.1. Описание экспериментальной модели

5.2. Разработка эндопротеза для контрольной серии животных

5.3. Разработка эндопротеза для основной серии животных

5.4. Сравнительный анализ результатов эндопротезирования

5.5. Оценка эффективности эндопротезирования у животных с позиций доказательной медицины

Глава 6. РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННОГО БИОНИЧЕСКОГО

ПОДХОДА К ЭНДОПРОТЕЗИРОВАНИЮ СУСТАВОВ КИСТИ

Глава 7. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

ВЫВОДЫ

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПЕРСПЕКТИВЫ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Список літератури

Применение цифрового прототипирования в травматологии и ортопедии
В последние десятилетия значительно возросла важность технологии трехмерной печати. Данная технология позволяет при помощи принтера создавать физические объекты на основании трехмерных изображений. Технология стала революционной в процессе прототипирования и нашла применение во множестве сфер, не связанных с медициной. В свою очередь, в медицине она применяется в ортопедии, нейрохирургии, челюстно-лицевой хирургии, кардиохирургии и других дисциплинах [60-63; 243-245].
Аддитивное производство (АП), также называемое «трехмерной (3D) печатью», воспринимается многими как революция в производстве. АП стало ключом к быстрому развитию биопроизводства. Последние достижения в области АП обусловили разработку индивидуальных решений в здравоохранении. Без технологий АП была бы невозможной (или, как минимум, была бы чрезвычайно трудной) индивидуальная адаптация многих медицинских продуктов и услуг: эндопротезов, устройств доставки лекарственных средств, инструментов, анатомических моделей in vitro [87; 89-91; 254-255].
Аддитивное производство стало в последние годы гибкой и мощной технологией производства в сфере здравоохранения. Несмотря на то, что технология развивается около двадцати лет, необходимой для применения в реальных условиях зрелости она достигла лишь недавно [5; 7; 14; 19; 21; 257].
Идея применения трехмерных медицинских изображений, а именно данных компьютерной томографии для воссоздания физической модели впервые была предложена в 1979 г. В то время еще не существовало систем быстрого прототипирования (БП) или 3D-печати, однако присутствовала возможность субтрактивной обработки материалов, или фрезерования. До появления 3D-принтеров основным способом изготовления уникальных деталей для прототипирования была обработка заготовок на станках с числовым программным управлением (ЧПУ). На таком станке компьютер управляет инструментами, необходимыми для изготовления детали: токарным, фрезерным и шлифующим инструментом. Процесс изготовления начинается с заготовки, которой постепенно придается требуемая форма; однако окончательная доводка детали выполняется вручную [8; 10; 20; 264].
Быстрое прототипирование (БП) — технология аддитивного производства, подразумевающая создание требуемой детали послойно «снизу вверх». Впервые она была применена в конце 1980-х. С ее помощью точность и функциональность систем автоматизированного проектирования (САПР) внедрялись в производстве. Технология позволяла в сжатые сроки изготовить прототип, точно воспроизводящий инженерный чертеж. При необходимости внесения изменений в прототип, инженер изменял цифровой чертеж, после чего изготавливалась модифицированная деталь. Технологию быстрого изготовления прототипов (отсюда — ее название «быстрое прототипирование») приняла на вооружение авиационная и автомобильная промышленность. В 1987 году был представлен первый коммерческий трехмерный 3D - принтер, что значительно повысило доступность БП.
Независимость от формы изделия, которая обеспечивается технологиями АП, позволяет создавать конструкции из биоматериала со сложной, точно контролируемой внутренней и внешней поверхностью. Хотя внешняя форма (макроструктура) изделия из биоматериала важна, АП дает возможность контролировать внутреннюю архитектуру (микроструктуру) создаваемых конструкций, что, в свою очередь, положительно влияет на регенерацию и интеграцию окружающих тканей. Внутренняя микроархитектура влияет на физические, механические и биологические свойства пористых биоматериалов [280; 288]. Так показано, что статические механические свойства, усталостные характеристики и проницаемость пористых биоматериалов зависит от их геометрических характеристик. Показано также, что такие геометрические параметры, как знак кривизны и темп набора кривизны влияют на скорость регенерации ткани. Технология АП позволяет спроектировать практически любой тип микроархитектуры для получения набора требуемых физических, механических и биологических параметров. Кроме того, можно добиться полной интеграции с окружающими тканями за счет наличия пор в биоматериалах. Рациональное проектирование микроархитектуры позволяет получить особенные механические свойства (например, отрицательный коэффициент Пуассона) или же независимо изменяющиеся (взаимно не связанные) пористость и механические свойства. Рациональное проектирование микроархитектуры биоматериала стало привлекать все больше внимания со стороны исследователей в контексте механики метаматериалов. Проектирование микроархитектуры разлагаемых биоматериалов влияет на характеристики процесса разложения и, соответственно, воздействие высокопористых биоматериалов на процесс регенерации тканей. Проектирование микроархитектуры и АП могут использоваться для корректировки свойств разложения биоматериалов. Различные технологии АП (Рисунок 2, А-Б) применяют для обработки целого ряда полимерных, металлических и керамических биоматериалов [52; 64; 101-102; 113-116; 296; 298].
Для работы с полимерами чаще всего применяют методы АП, основанные на полимеризации в ванне — стереолитография (SLA), на технологии экструзии материала — послойное наплавление (FDM), на спекании слоя порошка — селективное лазерное спекание (SLS), на напылении материала — струйная печать. В работе с металлическими биоматериалами в настоящее время чаще всего применяют спекание слоя порошка — селективную лазерную плавку (SLM) и электронно-лучевую плавку (EBM). Во многих исследованиях, посвященных применению АП в обработке биоматериалов на основе керамики, упоминаются такие способы, как разбрызгивание связующего вещества, экструзия материала, спекание слоя порошка и полимеризация в ванне. При этом очень интересен и косвенный подход в применении АП: сами биоматериалы не изготавливаются при помощи АП, но производятся в среде, выполненной по технологии АП. Например, технологию АП применяют для изготовления негатива предполагаемой структуры биоматериала, и в этом негативе данный материал будет выращиваться. Прямые и косвенные подходы к применению АП можно сочетать для изготовления более сложных компонентов из биоматериалов [120; 122; 300; 302; 304; 309-310].
Имплантаты
Аддитивное производство открыло новую страницу в проектировании и изготовлении протезов, в частности индивидуальных и бионических имплантатов. Бионические имплантаты, изготавливаемые в соответствии с анатомическими и другими требованиями конкретного пациента, являются одной из сфер постоянного клинического применения технологий АП. Последние разработки полностью закрывают производственный цикл:
Сбор данных: построение цифровой модели либо «с нуля» в системе автоматизированного проектирования (САПР), либо при помощи системы получения трехмерных изображений. При создании анатомической модели, как правило, используют данные КТ или МРТ, причем набор данных сохраняется в файле формата DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine — цифровое изображение и коммуникации в медицине). 3D визуализация и выбор: имеющиеся данные в формате DICOM используют для расчета объемного набора данных. Для этого используются разные программы, например, ПО accuitomo (i-Dixel images). Создание 3D-модели из первоначально полученных двухмерных слоев, сегментирование изображения. Создание трехмерной модели из набора слоев выполняют программным обеспечением в автоматическом режиме. Сегментирование изображения — это выделение анатомических частей на изображении, процесс, требующий от пользователя понимания конкретной анатомической области.
Разработка алгоритма построения бионических 3D-моделей эндопротезов в ручном режиме
На предварительном этапе исследования разработка патологически измененных бионических 3D моделей суставов кисти происходила в ручном режиме с помощью компьютерного моделирования и синтеза изображений. Для получения растровых изображений кисти мы использовали компьютерную и магнитно-резонансную томографию. Рассмотрим данный алгоритм более подробно. Совместно с 3D моделлерами на базе научно-производственного Технопарка и ЦПИ «Информационные технологии в медицине» ФГБОУ ВО СамГМУ Минздрава России мы проводили следующие исследования, которые состояли из нескольких этапов (шагов).
Шаг 1 - в рабочее пространство ScanIP импортировали массив данных формата DICOM в виде последовательных монохромных изображений компьютерных томограмм кисти пациента. Для оптимальной работы с полученными данными производили настройку контрастности и резкости изображений, а также выделяли область необходимого участка для 3D -реконструкции (Рисунок 29).
Шаг 2 проводили фильтрацию компьютерных томограмм. С помощью инструмента Median filter убирали шум с изображения («пятнистость») без искажения большого числа деталей.
Шаг 3 - первичная сегментация (создание «маски») и ручная доводка. Инструментом Threshold создавали «маску», используя узкий диапазон по градиенту серой шкалы, чтобы исключить включения в сегментацию мягкие ткани (Рисунок 30). Рисунок 30. Первичная сегментация изображений инструментом Threshold и ручная доводка по градиенту серой шкалы для исключения попадания в сегментацию мягких тканей
Для коррекции полученной «маски» использовали инструмент: Paint with threshold. В ручном режиме очищали ненужные области, оставляя необходимый участок, выбранный по индивидуальному техническому заданию оперирующего врача. В данном случае для эндопротезирования V пястно-фалангового сустава по поводу хондромы V пястной кости с патологическим переломом (субтотальное поражение) (Рисунок 31).
Шаг 4 - заполнение небольших отверстий в сегментации и сглаживание полученной «маски». Использовали инструмент Morphological close filtre, с помощью которого заполняли отверстия. И, наконец, применяли инструменты для сглаживания модели (например, Recursive Gaussian), чтобы выровнять поверхность «маски».
Шаг 5 - создание 3D - модели. Полученную «маску» конвертировали в трехмерную модель, которая представляла собой облако точек и вектор конфигурации, описывающий форму анатомической структуры пястно -фалангового сустава (Рисунок 32).
Шаг 6 - экспортировали полученную модель в .stl формат для дальнейшей обработки.
Шаг 7 - удаляли артефакты и разделяли 3D - модель пястно -фалангового сустава на составные объекты: пястную кость, основную фалангу и полость трубчатых костей (Рисунок 33). Для этих целей использовали программные комплексы Artec Studio 9 (удаление артефактов, импорт в промежуточный формат .obj) и ZBrush (разделение на составляющие объекты, ретопология сетки).
Также на этом этапе намечали основные параметры будущего бионического эндопротеза пястно - фалангового сустава. Точки и плоскости резекции суставных поверхностей отмечали в соответствии с техническим заданием оперирующего врача. Длина, ширина ножки эндопротеза, радиус кривизны суставных поверхностей соответствовали индивидуальным анатомическим параметрам естественного сустава. Физиологическое пространственное положение будущих точек крепления сухожилий, намечали в соответствии с растровыми МРТ изображениями в градиенте серой шкалы, расположение которых было также персонифицированным.
Шаг 8 - создавали цифровые 3D - модели бионического пястно-фалангового сустава кисти.
Для работы на данном этапе использовали программы и пакеты для 3D-моделирования: 3ds Max 2012 - полигональное моделирование; ZBrush -высокополигональное моделирование, 3D - скульптинг. Используя методики компьютерного моделирования, создавали индивидуальный бионический 3D-эндопротез сустава кисти. Задача заключается в том, чтобы максимально точно передать анатомические особенности сустава кисти пациента, его антропометрические и геометрические параметры, а следовательно и биомеханические свойства будущего имплантата. Поэтому качество 3D -модели, полученной после обработки данных компьютерной томографии, крайне важно.
Создание геометрического (трехмерного) образа имплантата, т.е. конструктивного каркаса его поверхности, который соответствовал бы геометрическим параметрам пястно - фалангового сустава кисти и требованиям технологического процесса изготовления (селективное лазерное спекание), рассмотрим пошагово.
Шаг 9 - в программный комплексе 3ds Max2012 импортировали модели сустава кисти, полученные при выполнении компьютерной томографии кисти пациента. В рабочей среде 3D - редактора модели сустава представляются в виде полигональной сетки (объект составляется из точек, точки соединены ребрами, ребра образуют треугольники) (Рисунок 34).
Шаг 10 - создавали секущие плоскости в местах резекций и в местах детекции длин «ножек» будущего имплантата (все параметры подбираются индивидуально совместно с врачом-хирургом). Ножка эндопротеза, вводимая в канал кости, представляет собой тело вращения (например, цилиндр), параметры которого подбирали индивидуально на основании размеров, положения и формы костно-мозгового канала конкретного пациента с конкретной патологией (Рисунок 35).