Pattantyús-Ábrahám Géza Gépészeti Tudományok Doktori Iskola 

BME Gépészmérnöki Kar, Gép- és Terméktervezés Tanszék

Témavezető: Dr. Zwierczyk Péter

Egyedi vápakosarak szilárdsági és biomechanikai fejlesztése

A kutatási téma néhány soros bemutatása

A csípőzületi porckopás korunk egyik népbetegsége. A várható élettartam kitolódásával, valamint a magasabb életminőségbeli elvárások miatt, ideértve a fájdalommentes ízületi mozgathatóságot, egyre többen, egyre fiatalabban jutnak hozzá teljes csípőimplantátumhoz. Ezzel párhuzamosan ezen implantátumok cseréinek száma is emelkedik, melynek egyik lehetséges indikációja a kiterjedt medencebeli csonthiányok kialakulása. [1] Ennek képe látható az 1. ábrán. A kutatási téma az ilyen csonthiányok kezelésére szolgáló implantátumok, az ún. vápakosarak fejlesztéséhez kötődik.

 

1. ábra. Egészséges- és kiterjedt csonthiányos medence

A kutatóhely rövid bemutatása

A BME Gép- és Terméktervezés Tanszékén a biomechanikai végeselemes vizsgálatok nagy múltra tekintenek vissza, elsősorban Dr. Váradi Károly professzor úr munkássága révén, aki számos diplomaterv és doktori értekezés témavezetője volt. A tanszéken oktatott tárgyak ismeretanyagai nagyon jó alapokat nyújtottak az ilyen témában való kutatás elmélyítéséhez.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

A jelenlegi legmodernebb eljárás medencebeli csonthiányok kezelésére, amellyel visszaállítható az eredeti csípőízületi forgáspontnak a helye, az egyedi fém 3D nyomtatott vápakosarak használata. Ezek virtuális rekonstrukciós eljárással, a csonthiányt részben tömör, részben rácsos szerkezettel kitöltve, a páciens anatómiájához illeszkedve, egyedileg készülnek. Beültetésük könnyű, az implantátumtörés esélye kicsi. Hátrányuk, hogy rendkívül drágák és jelentős mennyiségű olyan fémrészek kerülnek behelyezésre, melyek soha nem alakulnak át élő csonttá. Ha egy esetleges fertőződés miatt ki kell venni, csak még nagyobb csonthiánnyal találják szembe magukat a klinikai szakemberek.

Dr. Sződy Róbert és társai egyedi formára hajított lemezalkatrész vápakosarakkal kezeltek több pácienst is. [2] Azon túl, hogy a páciensek visszanyerték járóképességüket, az implantátum rugalmas jellege miatt elősegítette a vápakosár mögé tett csontgraftok beépülését. Ezzel a csonthiány mértéke csökkent, ami után kisebb implantátum beültetésére kerülhetett sor. Ez a kedvező biomechanikai hatás mutat rá arra, hogy az ilyen típusú implantátumokkal érdemes foglalkozni.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

A kutatás távlati célja ezeknek a vápakosaraknak a fejlesztése. A fejlesztés kiterjed szilárdsági és az ezzel összefüggő biomechanikai fejlesztésre is. A szilárdsági fejlesztés az implantátum feszültségeinek csökkentésére szolgál, hogy az anyagkifáradásból kialakuló törés esélye lecsökkenjen. A biomechanikai fejlesztés az implantátum mögé elhelyezett csontgraftok mechanikai hatásra kialakuló beépülésének, élő csonttá alakulásának elősegítésére vonatkozik. Ehhez az implantátumnak kellően rugalmasnak kell lennie, amely követelmény szembe megy az előbb említett szilárdsági igényekkel. A probléma így mérnöki optimalizálásra vezethető vissza. Az optimalizálás elengedhetetlen része a terhelések ismerete, más szavakkal a tervezői feladat közé tartozik azon mechanikai terhelések és terheléskombinációk meghatározása, amelyekkel a vápakosár szimulációs vizsgálata költséghatékonyan elvégezhető. Figyelembe kell venni itt azonban azt, hogy bár a leggyakoribb életviteli terhelések ismertek, azok sokaságából nem feltétlenül ugyanazokat a terheléseket kell használni a szilárdsági és a biomechanikai jellegű vizsgálatokhoz. Az irodalom jelen állása szerint leggyakrabban ezek a kiválasztott terhelések a járásterhelés és a lépcsőzés maximumához kötődnek, ezek használata azonban csak egy szűk szegmensre történő vizsgálatot tesz lehetővé. [3], [4] Ezt a fajta terhelésmodellt ki kell terjeszteni akképp, hogy a számítási költségek ne nőjenek meg drasztikusan.

Módszerek

A gépészmérnöki gyakorlatban előforduló modern digitális rekonstrukciós, modellezési és szimulációs módszerek a biomechanikai vizsgálatokra is alkalmazhatók. Az orvosi képalkotás egyik eszközével, a computer tomográfiával (CT) végzett vizsgálatok adataiból előállítható volt a páciensek medencéje és a beültetett implantátumok virtuális 3D-s modellje. A pontos geometriai modellezést követően nyílt lehetőség az igénybevételek hatására kialakuló mechanikai feszültségek szimulációjára, végeselemes modellel. A létrehozott virtuális modellek a 2. ábrán láthatók.

 

2. ábra. A vápakosaras rögzítés geometriai és végeselemes modellje

 

Annak ellenőrzésére, hogy ez a valóságnak megfelelő eredményeket szolgáltat, első lépésben validálni kellett a modellt, amihez a kontroll CT felvételek adtak lehetőséget.

A biomechanikai fejlesztéshez tartozik a csontgraftok átalakulásának modellezése. A csontgraftok, hasonlóan a csontokhoz, olyan tulajdonsággal rendelkeznek, hogy megfelelő mértékű terhelés hatására szerkezetük megerősödik, képesek merevebbé válni. Emellett természetesen modellezhető a csekély terhelés, illetve a túlterhelés hatására bekövetkező leépülés, merevségcsökkenés is. A kutatás jelen állásában ez az irodalomban is fellelhető jelenség lett implementálva egy általam írt programmal az alkalmazott kereskedelmi végeselemes szoftverben. A szimulációk sokaságának lefuttatásához szükség volt azok automatizálására, ami Pythonban megírt segédprogramokkal és hatékony adatvizualizációs eszközökkel történt. A csontgraft átalakulásához az irodalom legelterjedtebben alakváltozási energiasűrűség-alapon közelít; annak terhelések hatására kialakuló átlagos eloszlását veszi alapul. A probléma itt a terhelések széles spektrumában rejlik, amelynek hatását eddig mások csak közelítőleg tudták figyelembe venni, bizonyos terhelések kiválasztásával. [5] Kutatásomban analitikus, matematikai-mechanikai levezetést alkalmaztam szimbolikus matematikai programmal az ilyen típusú egyenértékű terhelések meghatározására, és külön végeselemes referenciaszámítással támasztottam alá a levezetés helyességét.

Eddigi eredmények

A szilárdsági fejlesztéshez kidolgoztam egy olyan algoritmust, amely képes megadni az életviteli terhelések lefedésére szolgáló azon fő terhelésvektorokat, amelyekkel az implantátumban kialakuló feszültséggyűjtő helyek meghatározhatók. A modell konzekvensen helyes eredményt adott a vizsgált páciensek vápakosarait elemezve, ugyanis a számítással predikált legnagyobb feszültségű zónában alakult ki az implantátumokban deformáció vagy törés. A húzó és a nyomó jellegű feszültségeredmények lekérésével még a deformáció jellege is minőségileg helyesnek bizonyult, ahogy az a páciensek műtét utáni és egy éves kontroll CT-vizsgálatából származó adataiból látszik. Ez a 3. ábrán az egyik ilyen terhelésre vonatkozóan látható. Az erősen húzott zónákban jellemzően kiemelkedések, az erősen nyomott zónában benyomódások tapasztalhatók.

 

3. ábra. Bal oldalt: A műtét utáni- (kék) és az egy éves kontroll CT (szürke) -felvételből rekonstruált deformáció összhangban van a számított mechanikai feszültségekkel (jobb oldalt)

 

A csontgraftok átalakulásának modellezéséhez, a terheléssokaság kiváltására mechanikai levezetéssel zárt alakban előállítottam három terhelésvektort, ami numerikus pontosságon belül ugyanazt az alakváltozási energiasűrűség eloszlást adja a graftban, mintha az életviteli terhelések sokaságából számítanánk. Ezt a 4. ábrán mutatom be.

 

4. ábra. A referenciaterhelések és a helyettesítő terhelésvektorok által számított alakváltozási energiasűrűség között csak csekély numerikus hiba van

 

Ezek a terhelési modellek egyértelműen egy új szemléletmódot vezetnek be, tökéletesítik az irodalomban eddig elterjedt terhelési modelleket, gyorsabban, ugyanolyan pontos, vagy pontosabb eredmények érhetők el velük.

Várható impakt, további kutatás

A terhelési modellek külön-külön segítenek az implantátumváltozatok kiértékelésében, a kiválasztási döntésben, további implantátumok fejlesztésében. A koncepcionális változatok generálásához a topológiaoptimalizálás módszerét érdemes alkalmazni, melynek optimalizálási kényszerei és célfüggvénye ezen terhelésekre adott mechanikai válaszokhoz kapcsolódnak. Egy topológia optimalizálási futtatás iterációit mutatja be az 5. ábra, melynél az implantátum egy lehetséges alakja rajzolódik ki.

5. ábra. Vápakosár koncepcionális terve topológia optimalizálásából

 

A további kutatás kiterjed olyan gépi tanulási modellek alkalmazására is, mint az ún. Kohonen-térképek, melyek használata elősegítheti a lemezalkatrész-kialakítás koncepcionális terveinek megalkotását az optimalizálási eredményekből. Ezekből is látható előzetes eredmény a 6. ábrán.

6. ábra. Kohonen-térkép illesztése a topológiaoptimalizálás eredményére

A kutatás eredményei reményeink szerint a jövőben hasznosulni fognak költséghatékony, csontgraft beépülést elősegítő implantátumok létrehozásának formájában.

 

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája (kumulált IF = 10.65):

[Dóczi2018] Dóczi, M; Simonovics, J: Egyedi vápakosaras rögzítés végeselemes modelljének elkészítése. GÉP 69: 3 pp. 8–11, 4 p. (2018)

[Dóczi2020a] Dóczi, M; Zwierczyk, PT; Sződy, R:

Failure analysis of a custom-made acetabular cage with finite element method

In: Steglich, M; Mueller, C; Neumann, G; Walther, M Proceedings of the 34th International ECMS Conference on Modelling and Simulation, ECMS 2020: June 2020, United Kingdom Wilhelmshaven, Németország: European Council for Modelling and Simulation (ECMS) (2020) 408 p. pp. 250–255, 6 p.

[Dóczi2020b] Dóczi, M; Sződy, R; Zwierczyk, PT: Csontgraft változásának végeselemes modellezése HyperMesh-Calculix környezetben GÉP 71: 7-8 pp. 15–18, 4 p. (2020)

[Dóczi2021] Dóczi, M; Zwierczyk, PT; Sződy, R: Implementation of bone graft adaptation's FE model in hypermesh In: Al-Begain, K.; Iacono, M.; Campanile, L.; Bargiela, A. 35th ECMS International Conference on Modelling and Simulation, ECMS 2021 European Council for Modelling and Simulation (2021) pp. 152–156, 5 p.

[Dóczi2022] Dóczi, M; Sződy, R; Zwierczyk, PT: Effect of the Design Constraints and the Loading Model on the Geometry of Topology Optimized Acetabular Cages PERIODICA POLYTECHNICA-MECHANICAL ENGINEERING 66 : 3 pp. 253–259, 7 p. (2022)

[Dóczi2023a] Dóczi, M; Sződy, R; Zwierczyk, PT. Equivalent loads from the life-cycle of acetabular cages in relation to bone-graft transformation COMPUTER METHODS AND PROGRAMS IN BIOMEDICINE 236 p. 107564 Paper: 107564 (2023)

[Dóczi2023b] Dóczi, M; Sződy, R; Zwierczyk, PT: Extended mechanical loads for the analysis of acetabular cages BIOMECHANICS AND MODELING IN MECHANOBIOLOGY Előzetes kiadás, 13 p. (2023)

 

Linkgyűjtemény:

Saját publikációk (MTMT)

Researchgate profil

BME Gép- és Terméktervezés Tanszék

 

Hivatkozások listája:

[1] Paprosky W, Perona P, Lawrence J (1994) Acetabular defect classification and surgical reconstruction in revision arthroplasty: a 6-year follow-up evaluation. J Arthroplasty 9(1):33–44.

[2] Sződy R, Kotormán I, Manó S, Csernátony Z, Bagi I, Borbás L, Hatos I (2017) Design and manufacturing of custom-made acetabular cages for the revision of hip joint implants: procedure applied in three cases. 7. In: Hungarian Conference of Biomechanics, okt. 6–7, Szeged, Magyarország

[3] Bergmann G, Deuretzbacher G, Heller M, Graichen F, Rohlmann A, Strauss J, Duda G (2001) Hip contact forces and gait patterns from routine activities. J Biomech 34(7):859–891.

[4] Plessers K, Mau H (2016) Stress analysis of a Burch-Schneider cage in an acetabular bone defect: A case study. Reconstr Rev 6(1):37–42.

[5] Chun BJ, Jang IG (2021) Determination of the representative static loads for cyclically repeated dynamic loads: a case study of bone remodeling simulation with gait loads. Comput Methods Programs Biomed 200:105924.