Цифровое проектирование и аддитивное производство кастомизированных имплантов
 |
Область компетенции:
Отрасли промышленности:
|
Специалисты Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) совместно с коллегами с кафедры теоретической и прикладной механики Ивановского государственного энергетического университета (ТиПМ ИГЭУ) участвуют в разработке методики цифрового проектирования и производства индивидуальных ортопедических имплантов на основе аддитивных технологий
Инициативный проект реализуется совместно со специалистами НМИЦ травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена, инженерами Центра НТИ СПбПУ и исследователями НИЛ «Биомеханика» ТиПМ ИГЭУ. В числе ключевых задач – разработка методики создания «умных» цифровых моделей кастомизированных эндопротезов высокой степени адекватности с возможностью отслеживания эволюции системы «сустав – имплант» на всем протяжении жизненного цикла.
На текущем этапе завершены основные расчеты прочностных свойств нескольких типов имплантов, подтверждена адекватность разработанных эндопротезов, подготовлены рекомендации по оптимизации конструкций. В рамках данного проекта магистрант Института передовых производственных технологий СПбПУ, сотрудник Центра НТИ СПбПУ и участник проекта Илья Зелинский защитил магистерскую диссертацию, посвященную оценке напряженно-деформированного состояния системы «скелет – эндопротез» после установки индивидуального эндопротеза при ревизионной операции; три студента ИГЭУ защитили бакалаврские выпускные работы и продолжают научно-исследовательскую работу в магистратуре.
С 2015 по 2020 гг. в НМИЦ травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена под руководством директора,
д.м.н., профессора Рашида Муртузалиевича Тихилова проведено около 200 операций по имплантации индивидуальных конструкций.
«Мы начали с цифрового моделирования имплантов и расчетов их прочности, – говорит р уководитель проекта от Центра НТИ СПбПУ Михаил Жмайло. – Теперь, когда базовая задача решена, необходимо сформировать методику, позволяющую значительно ускорить расчетные проверки импланта (с шести месяцев до одного), а также снизить стоимость эндопротеза как в проектировании, так и в производстве, чтобы технология могла использоваться «на потоке».
Одним из основных барьеров для широкого применения технологии является трудоемкость разработки и отсутствие необходимых специалистов в клиниках, а также дороговизна лицензий специального программного обеспечения.
«Подобные разработки – очень наукоемкие, сложные, требующие кропотливой работы при подготовке цифровых моделей, – комментирует Леонид Маслов, доктор физ.-мат. наук, заведующий кафедрой ТиПМ ИГЭУ, ведущий научный сотрудник Центра НТИ СПбПУ. – Сейчас тестируется ПО нового уровня, использующее бессеточный численный метод, который пока не применяется в России. Это позволит повысить качество моделей, ускорить расчеты и значимо удешевить технологию».
Ацетабулярный компонент кастомизированного титанового эндопротеза, произведенный с применением аддитивных технологий
Ключевые физико-биологические вызовы, стоящие перед разработчиками, заключаются в необходимости замены имплантов по истечении определенного периода времени, уникального для каждого пациента. Если в большинстве случаев при неосложненных повреждениях и заболеваниях сустава возможно стандартное протезирование, то при повторных операциях («вторичное эндопроте-
зирование»), особых нарушениях развития, последствиях сложных травм, обширных разрушениях костей необходимо индивидуальное моделирование с учетом анатомии пациента. Особую категорию составляют пациенты, перенесшие хирургическое вмешательство в связи с онкологическими заболеваниями, при котором стандартные эндопротезы неприменимы из-за большого объема удаленной костной основы.
Кроме того, в эндопротезировании встал вопрос на порядок более сложный: возможно ли моделирование поведения не только конструкций, но и костных тканей в условиях циклической нагрузки? Несмотря на то, что эта область выходит за пределы собственно инженерных задач, участники разработки остаются частью проектной команды.
«Целесообразно объединять смежные области: биомеханику, технологии захвата движения, инжиниринг, а в перспективе – биологию, гистологию и другие медицинские субспециальности, – уверен Антон Коваленко, к.м.н., врач травматолог-ортопед, научный сотрудник лаборатории трехмерного прототипирования НМИЦ травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена. – Любые эндопротезы имеют определенный ресурс, у части пациентов их приходится менять. Наиболее упрощенный пример – пломбы в тканях зубов. Другое дело – иметь возможность установить эндопротез не просто титановый или полимерный, а биологический, обладающий, как живая ткань, свойствами к восстановлению в условиях износа. Такие задачи направлены далеко в будущее. В настоящее время целью является восстановление сустава с помощью уже доступных технологий с обеспечением его максимально длительного функционирования. Тем не менее текущее исследование – это один из шагов по направлению к идеальному варианту разрешения проблемы. Необходим поиск таких решений в связке академической и прикладной науки – в том числе на основе наших результатов, которые во многом для России уникальны».