0-1 23(45

012345789 9 450 37 092 13 9 331

47 2 3 3 9 2 0 2 02 39 245 9 339

7 139 9 99 2 7 93 7 7 9 331

09 341 031397 3 439

1

33239 333134 993 9 99 9 39 9 3

4 24 9 93!2 922

7 3 9

74"47 94

0937 9

#$%

7 3

279023 3&'((

012345789 9 45 47 2 3 3 9 2 2 2 39 245 9 339 49 434!"#"$!"##

%&'()*+,&-&.(/0-1+23(45

2 79 6478749:;7 994 4 9$4 992 779<=>=?@AB>CD+BEFGHIJKD+LMNOM=DF 3P3 0EMNIKMQJB>@+EQRSJN?NOHQ+TUVWV3WWUX+ Y9 9Z2 709237729[943 98\###$#]]^31234 :439 29_ 7 [47:9P `990ab 7879 9297 5P49`245c9 9 )@dMS+DQENGH>e+EdNM<e+V'+DNGQ?F+EHN?QJJK+J@SM=Ge 45[1 9 &+2MNLNB=?+fNM+=+gQESNGN?NOe+Nf+=+-JQQ+hNHJE+3QL?=RQDQJE+iH
9292499[ 434 3c3 23 43c3 9 \j9 37[ 43c3 9 3 9 439

9199c2 39 P9 892 c k7 4 `9 c3 1c3 k939 c 9 \l3 39299 93237892 4 95237c`5 94 224 99

9[P1 7 5P12cm31:9 1c3414 95237c3c37 54`2 43 45 3P2 924 437Pnc339 1\03 9o4 p939 9439

99 3 3c`c9 37[483 4 92 4439

9\0c`c 79 439

913 9[9k 343c 3 571 9`9 [ 9 3537 49 3 7439

91\l3 39 7 5[939m9k94 P1P1c` 3Pqr397 35 79 439

91c3473 31c37 c32 7c4 92 9k 79[cn23P49P 939 91 3`9 \ s99 341P791 9`9 c323k t9ubv0w\ u9P49`245c9 9 01 3`9 9 341 3P1qr397 P9 c2 35892 3 9 439

91 4P1 xyP12 23[7 9 92 3c3 3c 9 9 xyP133 5c43 79 439

91n[ c 9 n\ z`9 9 59 341P79c399 31 3`9 qr397 P9 c2 35892 439

913P3793k1[ 453c3 3 1c7 4 937[9 3{cl3 3 1c \

0123457897 3 1 4 0 !"#$%&1'(( 74)*7*11+1 7(5137,43 , ) 4 7 3"1( 4)1513-3%"&.#/"%0&.$ !&%%1-2"%30$%$. 0 37-4&$0$#. "5 70 3736675879:3-00& 7;<9<693:987:9= 3&%14 0 7518 )>35?@ 3,7 54 ?4--0 751)*43 ?4 85?*75?1 145A B)* 3@* 48 C1*7 D@5> 73 31 366= ) 366796E9< 75(3B 2 FFF G*(HH)193 )11 75 51)2H 381I(*(J)733K6L51) 73K9 751)*M-00&<693:=933;9E 8 0 75( 117(1 4D3>1)*3 ?44( 78?7+ 3,7 54)12NO%"$!%2-0 73 31366745(75 183>4?4 24)16E63667) 366796<96E75(3B2FFF G*(HH'''C3C)2)2H, 1H(8,H81(H 0P0$42"P Q(8,M :&@(7+A8457,'4 $-

#187)>94?4 @R5?( @)1-3S4 3484C $1 5>3781+28@3>94?4 @R5?( @)1C15437+13D457+B5( @3154?4815 )?*7 7?366H36 #0 3A8313:366 0 PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP ( 7,-3S 75 4+2>T?40) U18 1 V54+

PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP ( 7,"& 75 4+7(7+1)0) A?43,4?

FSI VUT

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

List 3

ABSTRAKT Tato bakalářská práce se zabývá návrhem metodiky tvorby 3D modelu tibiálního plata. V práci je stručně popsána anatomie kolenního kloubu, současný operační postup, stávající používané tibiální komponenty a samotný postup modelování tibiálního plata pro konkrétního pacienta. Fyzický model byl vyroben metodou Rapid Prototyping. Klíčová slova Artróza, kolenní náhrada, tibie, tibiální plato, Catia

ABSTRACT This thesis describes the design methodology of the 3D model of the tibial plate. The paper briefly describes the anatomy of a knee joint, the current surgery operation process current tibial components and modeling procedure of the tibial plate for a specific pacient. A physical model was made by means of Rapid Prototyping. Key words Osteoarthritis, knee replacement, tibia, tibial augmentation, Catia

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE KUTÁLEK, Lukáš. Návrh metodiky tvorby 3D modelu tibiálního plata kolenní náhrady. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2011. 28s. Vedoucí práce Ing. Martin Madaj.

FSI VUT


List 4

PROHLÁŠENÍ

Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Návrh metodiky tvorby 3D modelu tibiálního plata kolenní náhrady vypracoval samostatně s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených na seznamu, který tvoří přílohu této práce.

V Brně dne 25. května 2011

…………………………………. Lukáš Kutálek

FSI VUT


List 5

PODĚKOVÁNÍ

Děkuji tímto panu Ing. Martinovi Madajovi za cenné připomínky a rady při vypracování bakalářské práce. Děkuji také všem ostatním za pomoc při shromažďování informací a malé či velké rady a postřehy k této bakalářské práci.

FSI VUT


List 6

OBSAH Abstrakt Prohlášení Poděkování Obsah 1 Úvod ............................................................................................................. 7 2 Základní popis anatomických výrazů ............................................................ 8 2.1 Orientace na lidském těle ......................................................................... 8 2.1.1 Základní roviny těla .............................................................................. 8 2.1.2 Základní směry těla .............................................................................. 9 2.2 Anatomie kolenního kloubu .................................................................... 10 3 Zhodnocení současného operačního přÍstupu ............................................ 11 3.1 Operační postup primární náhrady ......................................................... 11 3.1.1 Tibiální resekce .................................................................................. 12 3.1.2 Stanovení velikosti femuru ................................................................. 12 3.1.3 Femorální resekce.............................................................................. 13 3.1.4 Posouzení resekovaného prostoru v extenzi...................................... 14 3.1.5 První zakloubení zkušební endoprotézy............................................. 14 3.2 Revizní operace...................................................................................... 15 3.3 Stávající tibiální plata.............................................................................. 15 4 Individuální Kolenní náhrada ...................................................................... 17 4.1 Femorální komponenta........................................................................... 17 4.2 Tibiální komponenta ............................................................................... 18 4.3 Tibiální plato ........................................................................................... 18 5 Popis metodiky modelování tibiálního plata ................................................ 19 5.1 Resekce tibie .......................................................................................... 19 5.1.1 Mechanická a anatomická osa ........................................................... 19 5.1.2 Pomocná rovina a resekce proximálního konce tibie ......................... 20 5.2 Tibiální komponenta ............................................................................... 20 5.2.1 Vyhlazená křivka ................................................................................ 20 5.2.2 Objemové tělo tibiální komponenty .................................................... 21 5.2.3 Dřík a žebra tibiální komponenty ........................................................ 22 5.3 Tibiální plato ........................................................................................... 22 5.3.1 Kontura tibiálního plata....................................................................... 22 5.3.2 Otisk femorální komponenty v tibiálním platu ..................................... 22 5.3.3 Vybrání na povrchu tibiálního plata .................................................... 23 5.3.4 Dokončení tibiálního plata .................................................................. 24 6 Závěr .......................................................................................................... 25 Seznam použitých zdrojů Seznam příloh

FSI VUT

1


List 7

ÚVOD

V lidském těle se nachází přes 200 kostí, které jsou pohyblivě propojeny pomocí kloubů. Tato kloubní spojení nám umožňují pohyb potřebný při práci, sportu nebo každodenní činnosti. Lidé si funkci svých kloubů často neuvědomují a to jen do té doby, dokud jim nezpůsobují bolest. Každodenní pohyb, sport nebo pracovní vytížení, při tom všem jsou naše klouby zatěžovány. Někteří lidé své klouby přetěžují např. extrémními sportovními výkony, aniž by si uvědomovali, jaké to může mít důsledky. Např. zatížení kolene je až 5 kN nebo ramene 3,5 kN, kyčelní kloub je zatížen 2,6 násobkem hmotnosti člověka [1]. Kolenní kloub se řadí mezi největší a nejsložitější klouby lidského těla, přičemž se navíc jedná o nosný kloub. Je tvořen spojením tří kostí: dolního konce stehenní kosti (femuru), horního konce holenní kosti (tibie) a čéšky (pately) [4]. Koleno umožňuje tři rotační a dva translační pohyby, přičemž základním pohybem je rotace v sagitální rovině, která je kombinací valivého a klouzavého pohybu [2]. Nejvíce jsou zatěžovány klouby dolních končetin, které jsou také nejčastěji náchylné ke zranění nebo chorobě. Onemocnění, při kterém dochází k postupnému úbytku a poškození kloubní chrupavky, se nazývá artróza. Dělí se na primární a sekundární. Primárně vzniká bez jasné příčiny. Určitým stupněm artrózy trpí 50% populace nad 60 let [12]. Sekundárně se artróza vyvíjí nejčastěji jako posttraumatická, po zlomeninách v oblasti kloubu. Léčbu artrózy lze rozdělit na konzervativní a operativní. Mezi konzervativní léčbu artrózy patří speciální dlouhodobá cvičení, redukce tělesné váhy nebo léky, které by měly zabránit nebo zpomalit destrukci kloubní chrupavky. Novinkou je léčba pohybového aparátu s využitím krevní plazmy, kdy se do postiženého kloubu aplikuje krevní plazma obohacena aktivovanými krevními destičkami, které mají pozitivní vliv na hojivé a regenerační procesy [13]. Jsou-li vyčerpány možnosti konzervativní léčby, následují operativní metody, které pro obnovu pohyblivosti kloubů využívají umělé kloubní náhrady neboli endoprotézy. Současné operační metody vykazují poměrně velké ubrání kostní hmoty, což lze omezit použitím skořepinové náhrady, jejíž tvar respektuje přirozené zakřivení distálního konce femorální kosti. Pro tuto skořepinovou náhradu je potřeba vyrobit individuální tibiální plato. Metodika tvorby 3D modelu takového tibiálního plata bude podrobněji popsána v této bakalářské práci. Bude kladen důraz na to, aby byla metodika jasně srozumitelná a snadno pochopitelná, a bylo ji možné aplikovat na individuální kolenní náhrady různých pacientů.

FSI VUT

2


List 8

ZÁKLADNÍ POPIS ANATOMICKÝCH VÝRAZŮ

Vzhledem k tomu, že se v této práci vyskytuje řada latinských názvů a termínů, které jsou běžně využívány v medicínské praxi, je v této kapitole popsáno základní anatomické názvosloví týkající se řešeného problému.

2.1 Orientace na lidském těle Pro orientaci na lidském těle se v medicíně užívá latinských označení rovin, směrů a částí lidského těla. Základní anatomická poloha těla při určování směrů je vzpřímený postoj s horními končetinami visícími volně podél těla a dlaněmi obrácenými dopředu [11]. 2.1.1 Základní roviny těla Pro jednoznačný popis polohy a pohybu jednotlivých částí těla se užívají tři myšlené roviny, které jsou na sebe kolmé (obr. 2.1). • Rovina mediální – svislá rovina rozdělující tělo na dvě symetrické části • Rovina sagitální – soubor rovin rovnoběžných s mediální rovinou • Rovina frontální – svislé roviny probíhající pravolevě tělem a rozdělují tělo na přední a zadní část • Rovina transverzální – roviny procházející tělem v horizontálním směru kolmo na mediální rovinu

Obr. 2.1 Základní anatomické roviny [15]

FSI VUT


List 9

2.1.2 Základní směry smě těla Pro přesnější ější popis se využívají také směry sm ry ve vybraných rovinách (obr. 2.2) Směry ry kolmé na transverzální rovinu: • superior uperior (kraniální) – horní, nahoře (proti směru ěru gravitace) • inferior (kaudální) – dolní, dole (ve směru ru gravitace) • proximalis (proximální) – blíže k napojení končetiny kon na trup, směrem ěrem k trupu • distalis (distální) – dále od napojení končetiny četiny na trup, směrem sm od trupu Směry ry kolmé na frontální rovinu: • anterior (ventrální) – přední, vpředu • posterior (dorzální) – zadní, vzadu Směry ry kolmé na mediální mediá rovinu: • medialis (mediální) – vnitřní, směrem do středu • lateralis (laterální) – vnější, směrem od středu

Obr. 2.2 Základní anatomické směry [15]

FSI VUT


List 10

2.2 Anatomie kolenního kloubu Jak již bylo řečeno v úvodu, kolenní kloub je tvořen spojením tří kostí. Styčné plochy kostí jsou vybaveny chrupavkou, která umožňuje pohyb kostí po sobě. Stabilita kolene je zajištěna pomocí soustavy vazů. Jako dynamické stabilizátory působí svalové skupiny v okolí kloubu. Všechny důležité anatomické pojmy jsou vyobrazeny v následujícím obrázku (obr. 2.3).

Obr. 2.3 Zobrazení pravého kolenního kloubu [14]

Základní anatomické termíny v oblasti kolenního kloubu: • Femur – stehenní kost • Tibie – holenní kost • Fibula – lýtková kost • Patella – plochá kost uložená do šlachy čtyřhlavého stehenního svalu • LCL (ligaments collateral laterale) – vnější postranní vaz • LCM (ligaments collateral mediale) – vnitřní postranní vaz • LCA (ligaments cruciatum anterius) – přední zkřížený vaz • LCP (ligaments cruciatum postrius) – zadní zkřížený vaz • Ligamentum patellae (anterior ligament) – přední vaz • Zevní meniskus – chrupavčitá ploténka umístěna na okraji zevní kloubní plochy • Vnitřní meniskus – chrupavčitá ploténka umístěna na okraji vnitřní kloubní plochy

FSI VUT

3


List 11

ZHODNOCENÍ SOUČASNÉHO OPERAČNÍHO PŘÍSTUPU

Léčba kolenních kloubů se vyvíjela přibližně posledních 120 let spolu s vývojem operačních technik a biomechaniky. První pokus o operační ošetření kolenního kloubu je již z roku 1863 [4]. Ačkoliv mají dnešní endoprotézy za sebou dlouhý vývoj, stále nejsou dokonalé. Všechny současné totální náhrady kolenního kloubu jsou pouze kompromisem mezi anatomicko-fyziologickou funkcí kloubu a technickoekonomickými možnostmi jejich výrobců [4]. Současné operační postupy vykazují poměrně velké ubrání kostní hmoty (obr. 3.1) už při primárních operacích, který je způsoben tvarem femorální komponenty. Dnešní náhrady kolenních kloubů sice mají životnost delší jak 10 let [4], nicméně aplikují se i mladším pacientům. Z toho důvodu je třeba hledat nové technologie výroby, které by životnost ještě prodloužily. Negativní vlastností je také relativně velká hmotnost femorální komponenty, což může vést k uvolnění implantátu a tudíž k nutnému opakování operace [17].

Obr. 3.1 Zobrazení velikosti odběru kostní hmoty na femuru [16]

Menšího úběru kosti a nižší hmotnosti náhrady by se mohlo dosáhnout díky individuální skořepinové femorální komponentě a tibiálnímu platu, které bude pro tuto komponentu vyrobeno.

3.1 Operační postup primární náhrady V dnešní době existuje celá řada typů endoprotéz, z nichž každá vyžaduje trochu jiný operační postup. Budou zde uvedeny pouze hlavní kroky operačního postupu, které jsou pro všechny typy endoprotéz shodné. Používají se kolenní náhrady (obr. 3.2) několika standardizovaných tvarů a velikostí. Stanoví se velikost femorální komponenty, tomu odpovídá jedno tibiální polyetylénové plato, lze použít i plato o jednu velikost větší nebo menší, a každému tibiálnímu platu odpovídají tři velikosti tibiální komponenty [7].

FSI VUT


List 12

Obr. 3.2 Totální náhrada kolenního kloubu [1]

3.1.1 Tibiální resekce Tibiální část kosti je třeba seřezat přibližně o 10 mm, aby vznikl prostor pro umístění tibiální komponenty a plata. Resekce kosti se provádí pomocí resekční šablony. Je důležité správně nastavit polohu resekční šablony tak, aby sklon resekční plochy v sagitální rovině odpovídal přirozenému sklonu kloubní plochy pacientovy tibie, což je asi 7° [8]. Resekční plocha musí být kolmá na mechanickou osu končetiny ve frontální rovině. Poloha resekční šablony se zajistí pomocí fixačního hřebu a provede se resekce (obr. 3.3).

Obr. 3.3 Tibiální resekce [9]

3.1.2 Stanovení velikosti femuru Velikost femuru se změří buď pomocí femorálních šablon nebo pomocí velikostního kaliperu. Pokud se použije femorální šablona, stanoví se velikost vhodné femorální komponenty podle šablony, která svou velikostí odpovídá vnějšímu profilu femorálního kondylu (obr. 3.4). Rozměry je možné stanovit i pomocí velikostního kaliperu (obr. 3.5). Pevná část se opírá o mediální kondyl a umožňuje přímo změřit velikost implantátu. Druhá část kaliperu je značená v milimetrech [8].

FSI VUT


List 13

Obr. 3.4 Měření velikosti femuru pomocí femorální šablony [8]

Obr. 3.5 Měření velikosti femuru pomocí velikostního kaliperu [8]

3.1.3 Femorální resekce Femorální resekce se provádí pomocí dvou resekčních šablon. Šablona pro resekci distálního konce femuru a šablona pro resekci ventrální a dorzální části kondylů femuru a zkosené plochy femuru. Před resekcí konce femuru je třeba nastavit polohu šablony tak, aby distální plocha byla kolmá k mechanické ose kolenního kloubu. Poté se provede resekce distálního konce femuru (obr. 3.6). Na opracovanou distální plochu přiložíme druhou šablonu a provedeme resekci ventrální a dorzální části obou kondylů i resekci šikmé části (obr. 3.7) [9].

Obr. 3.6 Resekce distálního konce femuru [9]

FSI VUT


List 14

Obr. 3.7 Resekce ventrální a dorzální části obou kondylů

3.1.4 Posouzení resekovaného prostoru v extenzi Po provedení řezu na konci femuru a tibie je koleno uvedeno do plné extenze (plné natažení končetiny) a aplikují se rozpěrky, které umožní posoudit prostor mezi femurem a tibií. Vzniklý prostor musí mít v extenzi pravoúhlý tvar, to znamená, že měkká tkáň by měla mít na obou stranách vyvážené napětí (obr. 3.8). Pomocí distančních bloků se může změřit velikost resekovaného prostoru a stanoví se vhodná tloušťka tibiálního plata, jehož vhodnost se ještě ověří zakloubením zkušební endoprotézy [9].

Obr. 3.8 Posouzení resekovaného prostoru v extenzi [9]

3.1.5 První zakloubení zkušební endoprotézy Po nasazení zkušební endoprotézy se končetina opatrně natahuje a posuzuje se celková stabilita kloubu a celkové zarovnání v předozadním i bočním pohledu. Pokud se zjistí během pohybu jakákoliv nestabilita, použije se tibiální plato větší tloušťky a znovu se provede zkušební zakloubení. Zvolí se plato, které vykazuje největší stabilitu ve flexi i extenzi a zároveň přitom umožňuje plné natažení končetiny [9].

FSI VUT


List 15

3.2 Revizní operace Pokud dojde k tomu, že se náhrada opotřebuje, uvolní nebo jinak poškodí, je možné implantovat další náhradu. V tomto případě mluvíme o revizní náhradě kolenního kloubu. Je však třeba říci, že výsledek revizní operace nelze tak jasně předpovědět, jako u implantace primární náhrady [3]. K uvolnění protézy dochází postupně. Resorbuje se kostní tkáň a je nahrazována nekvalitní vazivovou tkání. V případech, kdy se včas nepřistoupí k výměně endoprotézy, resorpce okolní kostní tkáně pokračuje a může dojít až k vylomení endoprotézy nebo ke zlomenině v okolí protézy. Pacient subjektivně pozoruje narůstající bolest v kloubu, která je zpočátku jen při zátěži končetiny, postupně se však může objevovat i v klidu. Aby se předešlo těmto případným velkým ztrátám kostní tkáně a následnému obtížnému ukotvení nové protézy, jsou pacienti zváni na pravidelné kontrolní vyšetření. V případě, že se při této kontrole zjistí počínající uvolnění protézy, je rozhodnuto o její včasné výměně [10]. Obecně je nutné konstatovat, že revizní operace jsou ve srovnání s primárními operacemi podstatně obtížnější, delší a náročnější na vybavení širokým sortimentem drahých endoprotéz (obr. 3.9), které jsou často větší, a obtížněji je organizmus přijímá. Náročnější je v těchto případech i pooperační péče [10].

Obr. 3.9 Revizní totální náhrada kolenního kloubu [1]

3.3 Stávající tibiální plata Tibiální plata se dnes vyrábějí několika metodami třískového obrábění, a to především frézováním. Vyrábí se z nízkotlakého vysokomolekulárního polyetylenu (UHMWPE – ultra-high-molecular-weight polyethylen), což je materiál běžně využívaný pro výrobu některých částí endoprotézy. Vykazuje dobré mechanické vlastnosti, např. nízký koeficient tření, dobrou odolnost proti opotřebení, vysokou vrubovou houževnatost a má velmi dobrou biokompatibilitu. Tibiální plata mohou mít různé tvary, které se liší podle toho, čím se náhrada vyznačuje (obr. 3.10). Dnešní náhrady lze rozdělit na několik druhů:

FSI VUT


List 16

a) Náhrada zachovávající zadní zkřížený zk vaz – používaná pří primárních operací b) Náhrada nahrazující zadní zkřížený zk vaz – stabilizovaná varianta používaná při př primárních a revizních operacích c) Náhrada symetrického tvaru – je univerzální a lze ji použít pro levé i pravé koleno d) Náhrada asymetrického tvaru – modulární provedení, není možná záměna ěna náhrady pro pravou a levou končetinu e) Náhrada využívající fixní tibiální plato – plato je na pevno připevněné ěné k tibiální komponentě f) Náhrada využívající mobilní tibiální plato – plato se může natáčet a důsledkem m toho je nižší otěrr na horní ploše implantátu

Obr. 3.10 Totální náhrada: a) nahrazující LCP b) s mobilním platem

Tibiální plato se k tibiální komponentě komponent (obr. 3.11) upevňuje několika způsoby. Nejčastěji ěji je to pomocí spojovacího šroubu, v některých ně případech se využívá rybinového vedení, vedení kdy spojovací šroub slouží pouze jako zajištění. zajišt

Obr. 3.11 Tibiální komponenta typu SVL/SVS a CMS [1]

SVL – totální náhrada zachovávající LCP SVS – totální náhrada substituující LCP CMS – totální otální uzamykatelná náhrada kolenního kloubu

FSI VUT

4


List 17

INDIVIDUÁLNÍ KOLENNÍ NÁHRADA

Snaha o vytvoření kolenní náhrady, co nejvíce se podobající přirozenému lidskému kloubu, dospěla až k metodě, která využívá k tvorbě kolenní náhrady CT, resp. STL dat lidského kloubu (obr. 4.1) získaných přímo od konkrétního pacienta. Díky tomu je možné vytvořit náhradu, která by měla co nejvíce zachovat původní tvar pacientova kolene.

Obr. 4.1 Model lidského kloubu ve formátu STL

4.1 Femorální komponenta Individuální femorální komponenta (obr. 4.2) bude vytvořena jako skořepina, která nahradí chrupavku na distálním konci femuru. Oproti stávajícím femorálním komponentám by měla být lehčí a pro implantaci postačí jen malá resekce kosti.

Obr. 4.2 Individuální femorální komponenta [17]

FSI VUT


List 18

4.2 Tibiální komponenta Tvar individuální tibiální komponenty (obr. 4.3) je dán odsazenou a vyhlazenou křivkou, která vznikne po resekci proximálního konce tibie. Křivka tvoří konturu respektující přirozený tvar tibie v místě řezu. Komponenta bude v kosti upevněna pomocí malého dříku a fixovaná kostním cementem.

Obr. 4.3 Individuální tibiální komponenta

4.3 Tibiální plato Individuální tibiální plato (obr. 4.4) bude tvořeno odsazenou a vyhlazenou křivkou kontury tibiálního plata. Vybrání pro femorální komponentu na povrchu plata je konstruováno tak, aby mezi tibiálním platem a femorální komponentou byla jen minimální mezera.

Obr. 4.4 Individuální tibiální plato

FSI VUT

5


List 19

POPIS METODIKY MODELOVÁNÍ TIBIÁLNÍHO PLATA

V této kapitole je stručně popsán pracovní postup při návrhu 3D modelu tibiálního plata. Je kladen důraz na to, aby byla metodika srozumitelná, snadno pochopitelná a bylo ji možné aplikovat pro libovolného pacienta. (Podrobnější pracovní postup je uveden v příloze). Pro tvorbu 3D modelu byl použit software Catia, který je vybaven funkcemi pro tvorbu objemových a plošných modelů na základě STL dat. Metodiku lze ovšem použít i pro konstruování v jiném CAD softwaru disponujícím podobnými funkcemi, které jsou v postupu použity.

5.1 Resekce tibie 5.1.1 Mechanická a anatomická osa Aby bylo možné provést resekci proximálního konce tibie, je zapotřebí určit anatomickou osu tibie a mechanickou osu celé končetiny (obr. 5.1). Anatomická osa tibie se určí pomocí "válcové" části kosti, odborně řečeno diafýzy, do které se vepíše válec. Osa vepsaného válce je zároveň anatomickou osou tibie. Mechanická osa končetiny prochází středem hlavice kyčelního kloubu přes kolenní kloub až do pomyslného středu hlezenního kloubu. V ideálním případě by byly tyto osy rovnoběžné, což by znamenalo, že resekce tibie se provede v rovině kolmé na anatomickou osu tibie. Ovšem v praxi většinou tyto osy kolineární nejsou, proto je zapotřebí vytvořit rovinu, která by byla kolmá na mechanickou osu končetiny ve frontální rovině a kolmá na anatomickou osu tibie v sagitální rovině.

Obr. 5.1 Končetina s mechanickou a anatomickou osou

FSI VUT


List 20

5.1.2 Pomocná rovina a resekce proximálního konce tibie Pro resekci proximálního konce tibie se využila mechanická osa končetiny a anatomická osa tibie. Pomocí těchto os byla vytvořena pomocná rovina, která již má správné natočení, ale ještě nemá správnou polohu vůči tibii. Konečná poloha roviny se nachází přibližně 10 mm od výše postaveného kondylu ve směru anatomické osy tibie. Po stanovení správné polohy pomocné roviny byla pomocí příkazu Split provedena resekce proximálního konce tibie (obr. 5.2). Tím byl získán prostor mezi tibií a femurem pro vymodelování tibiální komponenty a tibiálního plata.

Obr. 5.2 Resekce proximálního konce tibie

5.2 Tibiální komponenta 5.2.1 Vyhlazená křivka Po provedení resekce tibie vznikla kontura, která byla využita pro tvorbu odsazené a vyhlazené křivky (obr. 5.3), a ta se dále použila pro návrh tibiální komponenty a tibiálního plata. Nejdříve se pomocí příkazu Offset vytvořila křivka odsazená o 0,5 mm, která se následně vyhladila příkazem Curve smooth. Je možné nastavit hodnotu maximální deviace odchylky, která byla stanovena na 0,3 mm, což je pro tento případ dostatečná hodnota.

FSI VUT


List 21

Obr. 5.3 Odsazená a vyhlazená křivka

5.2.2 Objemové tělo tibiální komponenty Vyhlazená křivka, respektující přirozený tvar tibie, se dále použila pro vytvoření objemového těla tibiální komponenty (obr. 5.4), na kterém se vymodelovalo vybrání, určené pro zachování zadního zkříženého vazu. Vybrání se nachází uprostřed komponenty a jeho hrany jsou zaoblené. Dále byl vymodelován tzv. zámek, pomocí kterého se na tibiální komponentu připevní plato. Zámek se skládá z vedení, do kterého se plato nasadí, a šroubu, kterým se plato zajistí.

Obr. 5.4 Objemové tělo tibiální komponenty

FSI VUT


List 22

5.2.3 Dřík a žebra tibiální komponenty Komponenta bude v tibii upevněna dříkem (obr. 5.5) vybaveným dvěma žebry a drážkami, které budou po implantaci komponenty vyplněny kostním cementem.

Obr. 5.5 Dřík pro upevnění komponenty

5.3 Tibiální plato 5.3.1 Kontura tibiálního plata K vymodelování objemového těla tibiálního plata (obr. 5.6) se využilo kontury tibiální komponenty, ve které je již vybrání pro zachování zadního zkříženého vazu. Pomocí funkce Offset a Curve smooth byla vytvořena odsazená a vyhlazená křivka, podobně jako v kapitole 5.2.1, dále využita jako kontura tibiálního plata. Po vysunutí objemového těla příkazem Pad byla ve spodní části plata domodelována druhá část tzv. zámku, která bude držet plato na tibiální komponentě.

Obr. 5.6 Objemové tělo tibiálního plata

5.3.2 Otisk femorální komponenty v tibiálním platu Pro znázornění místa styku femorální komponenty a tibiálního plata se využilo jedné z booleovských operací, v Catii označené jako Remove. Od tibiálního plata se odečetl objem femorální komponenty. Protože modely zasahovaly jeden do druhého, vznikl na povrchu tibiálního plata otisk (obr. 5.7), který bude později využit k tvorbě vybrání pro ustavení femorální komponenty.

FSI VUT


List 23

Obr. 5.7 Otisk femorální komponenty na povrchu plata

5.3.3

Vybrání na povrchu tibiálního plata

Vybrání na povrchu tibiálního plata bylo provedeno funkcí Groove. Nejdříve se vytvořila rovina kolmá na horní plochu tibiálního plata, která je zároveň kolineární s kondylární osou. V této rovině byla založena skica a ta se použila pro rotační odebrání na povrchu tibiálního plata. Experimentální metodou je zapotřebí vytvořit skicu tak, aby po provedení funkce Groove byl odstraněn i otisk femorální komponenty na povrchu plata (obr. 5.8). Tím se docílí toho, že femorální komponenta a tibiální plato nebudou v kolizi.

Obr. 5.8 Funkce Groove

FSI VUT


List 24

5.3.4 Dokončení tibiálního plata V této fázi bylo vytvořeno zapuštění, do kterého bude vložen pojistný šroub. Následně byly provedeny poslední úpravy, např. zkosení stěn plata funkcí Chamfer, nebo zaoblení hran na povrchu plata funkcí zvanou Edge Fillet. Podrobný popis se nachází v příloze 1. Model totální individuální kolenní náhrady je vyobrazen na následujícím obrázku (obr. 5.9).

Obr. 5.9 Individuální náhrada kolenního kloubu

FSI VUT

6

List 25


ZÁVĚR

V bakalářské práci byl proveden popis anatomie kolenního kloubu, stručný popis důvodů vzniku artrózy a popis současného operačního postupu při implantaci umělé kloubní náhrady se zaměřením na tibiální část náhrady. Cílem této práce bylo vytvořit vzorový postup modelování tibiálního plata v softwaru Catia, který by měl v budoucnu sloužit jako základ při tvorbě tibiálních plat u jiných pacientů. V průběhu tvorby modelu byly zjištěny následující poznatky: •

Vstupní data lidské končetiny ve formátu STL poskytují dostatek informací pro vytvoření anatomické osy tibie a mechanické osy končetiny. Tyto osy jsou klíčové pro správné provedení resekce tibie.

•

Konturu tibiální komponenty a tibiálního plata je vhodné vytvořit pomocí odsazené a vyhlazené křivky, respektující přirozený tvar tibie v místě řezu. Kontura tak bude mít hladké napojení.

•

Při tvorbě vybrání na povrchu tibiálního plata je vhodné použit otisk femorální komponenty. Pokud bude otisk vybráním odstraněn, je ověřeno, že femorální komponenta a tibiální plato nebudou v kolizi.

•

Metodiku lze aplikovat pro libovolného pacienta, s výjimkou případu, kdy má končetina velkou osovou deformitu. V takovém případě by zřejmě popisovaná metodika tvorby tibiálního plata nebyla vhodná, protože vychází z končetiny se správným osovým postavením.

Podrobný postup tvorby tibiálního plata je popsaný v příloze 1. Model individuálního Prototyping.

tibiálního

plata

byl

vytištěn

metodou

Rapid

FSI VUT


List 26

Seznam použitých zdrojů 1.

Beznoska.cz [online]. c2006 [cit. 2011-04-12]. Dostupné z WWW: .

2.

ŘEHÁK, K. Vývoj endoprotéz. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2008. 57 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Zdeněk Florian, CSc

3.

ORTHES, spol. s.r.o. [online]. c2001 [cit. 2011-04-12]. Totální endoprotéza kolenního kloubu. Dostupné z WWW: .

4.

NEDOMA, J. et al. Biomedicínská informatika II. : Biomechanika lidského skeletu a umělých náhrad jeho částí.Praha: Univerzita Karlova v Praze, Nakladatelství Karolinum, 2006. ISBN 80-246-1227-5.

5.

PAVELKA, K., Konzervativní léčba osteoartrózy váhonosných kloubů [online]. [citováno 2011-02-27]. Dostupné z:

6.

MADAJ, M.; SEDLÁK, J.; CHARVÁT, O.; PÍŠKA, M.: Nové přístupy k vývoji umělých kloubních náhrad, MM Průmyslové spektrum, Vol.10, (2010), No.10, pp.88-89, ISSN 1212-2572, MM publishing, s.r.o.

7.

JOHNSON & JOHNSON s.r.o. Praha [online]. [citováno 2011-03-07] Dostupné z: < www.jnjcz.cz/file/pdf/depuy/Sigma_RP_cesky_nahled.pdf>

8.

LCS Complete operační technika a produktové informace. DEPUY ORTHOPAEDICS. [online]. 2009, [citováno 2011-03-07]. Dostupný z: .

9.

JOHNSON & JOHNSON s.r.o. Praha [online]. [citováno 2011-03-08] Dostupné z: <www.jnjcz.cz/file/pdf/depuy/Sigma_FB_specialist2_cz.pdf>

10. Pardubická krajská nemocnice, a.s. [online]. c2009 [cit. 2011-04-12]. Revizní operace TEP kyčlí a kolen. Dostupné z WWW: . 11. Orientace na lidském těle. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 27. 12. 2009, last modified on 21. 5. 2011 [cit. 2011-05-24]. Dostupné z WWW: . 12. Ortopedie [online]. c2005 [cit. 2011-04-12]. Totální endoprotéza kolene. Dostupné z WWW: . 13. Revmacentrum [online]. c2008 [cit. 2011-04-12]. Léčba onemocnění pohybového aparátu s využitím vlastní krve. Dostupné z WWW: .

FSI VUT


List 27

14. Plastika křížového vazu [online]. c2008 [cit. 2011-04-12]. Anatomie kolene. Dostupné z WWW: . 15. Masaryk University [online]. c1996 [cit. 2011-04-12]. Orientace na lidském těle. Dostupné z WWW: . 16. Simi Orthopedics and Sportsmedicine [online]. c2009 [cit. 2011-04-12]. Knee Replacement Surgery. Dostupné z WWW: . 17. VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ, FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ, ÚSTAV STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE, BRNO, CZ. Kloubní implantát, zejména kolenního kloubu. Původce vynálezu: Miroslav Píška Prof. Ing. CSc., Josef Sedlák Ing. Ph.D., Ondřej Charvát Ing., Martin Madaj Ing.. Int. Cl. A 61 F 2/30. Česká republika. Číslo zápisu 21503.

FSI VUT


SEZNAM PŘÍLOH Příloha 1

Podrobný popis tvorby tibiálního plata

Příloha 2

Model Individuální kolenní náhrady (viz CD)

List 28

0-1 23(45

Recommend Documents