Совместная разработка ученых ПНИПУ, КФУ и Университета Лафборо поможет проектировать эндопротезы под конкретного человека
График проектирования тазобедренных эндопротезов
В современной медицине практически любой сустав в организме человека можно заменить искусственным. Эндопротез, например, коленного или тазобедренного сустава полностью повторяет форму природного элемента и выполняет все его функции. Уже несколько лет в Пермском Политехе проводятся комплексные исследования для создания качественных отечественных протезов мирового уровня. Разрабатываются новые материалы и технологии для проверки их характеристик. Но повысить свойства имплантата можно также меняя его внутреннюю структуру, чтобы восстановление человека проходило быстрее, а сам протез служил как можно дольше. Совместная коллаборация ученых из ПНИПУ, КФУ и Университета Лафборо позволила разработать совершенно новый метод проектирования тазобедренных эндопротезов для их производства. Исследование позволяет создавать качественные, долговечные и легкие конструкции под запросы конкретного пациента.
Статья с результатами опубликована в международном журнале «Numerical Methods in Biomedical Engineering» № 3, 2024 год.
Замена тазобедренного сустава на протез – это часто проводимая операция. К ней прибегают при серьезных повреждениях бедра, вызванных травмой или заболеваниями. Например, при остеоартрите и ревматоидном артрите происходит разрушение бедренной кости, из-за чего пациент испытывает сильную боль и теряет подвижность. В таком случае требуется замена сустава на имплантат, который в точности повторяет его анатомическую форму и восстанавливает полноценную жизнь человека.
3D-печать активно применяется как эффективный способ изготовления биомедицинских изделий со сложной архитектурой, в том числе и высококачественных имплантатов, адаптированных под конкретного пациента. Эндопротез должен быть легким, но прочным, так как под воздействием внешних нагрузок он деформируется, что влияет на его долговечность.
Сейчас большинство модификаций протезов допускают только поверхностный контакт между тканями организма и внешним слоем имплантата, но его можно усилить. При многократном увеличении можно увидеть, что структура материала напоминает ячейки, которые обеспечивают пористость. Она влияет на прочность и лучшее соединение конструкции с живыми тканями. Меняя форму и расположение ячеек, можно улучшить интеграцию кости и протеза. Традиционные конструкции этого не позволяют.
Ученые из ПНИПУ, КФУ и Университета Лафборо разработали модель, которая проектирует пористый протез тазобедренного сустава со свойствами для конкретного человека. Модель позволяет определить нагруженные и малонагруженные места в смоделированном эндопротезе. Его конструкция описывается элементарными ячейками, которые непосредственно взаимодействуют с тканями организма. При невысоких значениях напряжений ячейка является малонагруженной, считается нефункциональной и удаляется из внутренней структуры протеза. В процессе такой модификации ученые контролируют параметры, отвечающие за пористость и жесткость элементарной ячейки. Проектирование идет до тех пор, пока структура протеза не будет изменяться.
На производстве с помощью такого вычислительного метода можно автоматизировано проектировать высокотехнологичные эндопротезы нижних конечностей под индивидуальный запрос пациента.
– Для проектирования имплантата необходимы вид и геометрия протеза, рост и вес пациента, набор данных о цикле походки. Стоит отметить, что разработанный метод подходит и для протезов других частей тела, а также применим для любого твердого тела, – поделился доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ Алексей Кучумов.
Для проверки метода политехники провели эксперимент с цилиндрической балкой, имитирующей ножку тазобедренного имплантата. Балку нагрузили сжимающими и изгибающими силами. В результате структурно-топологического проектирования напряжения в конструкции уменьшились, но при этом и объем всей конструкции уменьшился на 6,8%.
– Расчеты с помощью метода представительных элементов, используемого при структурно-топологическом проектировании, и прямого метода моделирования показали хорошую количественную и качественную сходимость. Однако метод представительных элементов требует меньших ресурсов, что позволяет за короткий период времени при меньших мощностях проводить автоматизированное индивидуализированное проектирование протезов, – рассказал профессор Университета Лафборо Вадим Зильбершмидт.
С помощью данной модели научный коллектив провел численные эксперименты для двух видов тазобедренных протезов. Объемы двух типов имплантатов уменьшились на 9% и 11% соответственно. В то же время несущая способность протезов тазобедренного сустава не изменилась.
– Мы получили два вида оптимизированных эндопротезов. С использованием нашей модели стало возможно воссоздать их с меньшими затратами времени, материалов и энергии. Но при этом с лучшей биосовместимостью и устойчивостью к внешним нагрузкам. Ранее такой подход не применялся, – отметил научный сотрудник Казанского Федерального Университета Павел Большаков.
Звёздное небо весеннего Петербурга
3D принтер: ANYCUBIC Photon Mono X 6K.
3D печать мастер моделей из фотополимера Harzlabs, Tough Grey.
Высота слоя 35 мкм.
Роспись акрилом.
3D моделирование, печать и роспись: amforma
Imperial II-Class Star Destroyer
Прогресс идеи за 10 лет)
Моя практика в анатомии
Это мой второй пост. С первого прошло много времени на моем дзене, но мало времени здесь, потому что пикабу я начал вести только сегодня. И так, в своем посте я хотел бы показать, что я могу делать в 3Д из человеческой анатомии. С самых низов начинать не буду. Все, что было сделано до этих работ - незаконченные потуги того, кто совсем не умеет держать в руках стилус нормально ( я и сейчас не сильно умею, но тогда было еще хуже)
Женская анатомия
Мое первое женское тело, сделанное с нуля. На самом деле, других я пока не делал, так что не знаю, получится ли лучше сейчас. Здесь много ошибок, на которые мне указали более опытные мастера, на них я зацикливаться в этой статье не буду.
Человеческий череп
Это последний из черепов, что я делал, до этого были еще два. Каждый следующий получился лучше предыдущего, так что регулярная практика помогает в итоге создавать хорошие вещи.
Мужская анатомия
Здесь я пытался повторить картинку с распределением мышцы на мужском теле (не совсем реалистичном). Очень полезно, чтобы изучить разные формы той или иной части. Можно сделать из этого полноценное тело, но лучше сделать заново.
Еще женская анатомия
Этот объект слегка ассиметричный - я подвинул ногу, чтобы фигура смотрелась интереснее. В целом, ничего сложного, а выглядит красиво (по моему мнению).
Рот
Дальше я решил заняться лицом. Начал со рта.
И опять женская анатомия
Здесь снова женская анатомия, но уже с разделением на составные части. Аналогично тому, что я уже делал на мужском теле. В обоих вариантах я не добавил кисти рук.
Нос
Оставлю это без комментариев.
Женское лицо
Здесь я впервые сделал женское лицо, да еще с волосами. Это совсем отличается от референса, который я старался повторить, но в целом результатом я доволен.
Мужская обрубовка головы
Здесь я решил сделать обрубовку. Обрубовка - это голова человека в простом виде (может я не прав, но мне сказали так). Это нужно, чтобы лучше понимать, как расположены плоскости. С практикой получается все лучше и лучше (то, что я делал до этого, лицом было назвать проблематично). По приколу сделал бороду и усы - мне кажется, что ему идет.
Женская обрубовка головы
Ну и напоследок сделал женскую обрубовку. К ней я приложил меньше усилий. Выглядит похуже и менее проработанной. На мой взгляд, женские головы делать сложнее, чем мужские, но это все дело практики.
У меня есть идеи и материал для следующих постов. Если вы зашли сюда случайно, то напишите свое мнение - мне было бы очень интересно. Спасибо за внимание!
Домашний иконостас
Площадь гравировки: - 0.064913 квадратных метра.
Длина реза: - Общая длина реза составляет 33 метра.
Размеры готового изделия после резки и сборки: 40 см × 58 см × 8 см.
Это 3Д модель, а не реальное изделие.
Красен и жёлт, парня сожжёт
Solis Lineatus Ignidraco, более известный как Лучистая Огнепасть, отличается яркими жёлтыми отметинами на тёмно-красной чешуе. Этот подвид, известный своим огненным плевком, населяет пустыни с красными скалами и воплощает в себе поговорку «Red and Yellow, Roasts a Fellow». ©
Автор: Apolloc Felkin
Источник: FurAffinity