Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
POLITECHNIKA WARSZAWSKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY ENERGETYKI I LOTNICTWA
INSTYTUT TECHNIKI LOTNICZEJ I MECHANIKI STOSOWANEJ
ZAKŁAD WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW I KONSTRUKCJI
DR INŻ. PAWEŁ BORKOWSKI
Biomechaniczna analiza i projektowanie sztucznego krążka międzykręgowego
W trakcie przewodu doktorskiego autor osiągnięcia brał udział w projekcie badawczym kierowanym przez prof. Marka Dietricha i objętym grantem KBN pt. „Teoretyczne i doświadczalne badanie, projektowanie i wytworzenie prototypu sztucznego krążka międzykręgowego nowej generacji o podwyższonych właściwościach", który został zakończony w 2004r.
Praca doktorska autora pt. „Biomechaniczna analiza i projektowanie sztucznego krążka międzykręgowego" dotyczyła przegubowego implantu krążka międzykręgowego w lędźwiowym odcinku kręgosłupa. Protezy takie wszczepia się za granicą (a od kilku lat także w Polsce) osobom cierpiącym na przewlekłe, dyskogenne bóle krzyża. Szacuje się, że zespoły bólowe związane z kręgosłupem dotykają przynajmniej raz w życiu około 70 % ludności. Główną przyczyną jest siedzący tryb życia. Bóle krzyża są najczęstszym powodem zwolnień lekarskich i wiążą się z dużymi wydatkami w gospodarce państwa przeznaczonymi na leczenie, renty i zasiłki. Po pewnym czasie w zdecydowanej większości przypadków dochodzi do samoistnego ustąpienia dolegliwości. Dolegliwości trwające dłużej niż pół roku są trudniejsze do wyleczenia. U osób skarżących się na ostry i przewlekły ból pojawia się niesprawność ruchowa, utrudniająca lub wręcz uniemożliwiająca wykonywanie podstawowych czynności życiowych oraz aktywne uczestniczenie w życiu społecznym i zawodowym. Przy bólach krzyża najczęściej stosuje się leczenie zachowawcze i fizykoterapię, których celem jest złagodzenie objawów. Leczeniu operacyjnemu poddawanych jest kilka procent pacjentów. W wielu przypadkach wszczepienie sztucznego krążka jest alternatywą korzystniejszą niż operacyjne zespolenie kręgów, które związane jest z przyspieszonym rozwojem zmian degeneracyjnych w sąsiednich krążkach na skutek zwiększonej ruchomości wynikającej z kompensacji usztywnienia. Głównym celem pracy było opracowanie metodyki badań i zaprojektowanie ulepszonej, przegubowej protezy krążka. Na wstępie dokonano przeglądu literatury dotyczącej biomechaniki, obserwacji klinicznych i modelowania zjawisk zachodzących w naturalnym oraz implantowanym kręgosłupie oraz przeglądu medycznych aspektów wszczepiania protez krążka. Na podstawie danych z literatury oraz własnych pomiarów zbudowano parametryczny model geometryczny kręgosłupa lędźwiowego (rys.1).
WYDZIAŁ MECHANICZNY ENERGETYKI I LOTNICTWA
INSTYTUT TECHNIKI LOTNICZEJ I MECHANIKI STOSOWANEJ
ZAKŁAD WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW I KONSTRUKCJI
DR INŻ. PAWEŁ BORKOWSKI
Biomechaniczna analiza i projektowanie sztucznego krążka międzykręgowego
W trakcie przewodu doktorskiego autor osiągnięcia brał udział w projekcie badawczym kierowanym przez prof. Marka Dietricha i objętym grantem KBN pt. „Teoretyczne i doświadczalne badanie, projektowanie i wytworzenie prototypu sztucznego krążka międzykręgowego nowej generacji o podwyższonych właściwościach", który został zakończony w 2004r.
Praca doktorska autora pt. „Biomechaniczna analiza i projektowanie sztucznego krążka międzykręgowego" dotyczyła przegubowego implantu krążka międzykręgowego w lędźwiowym odcinku kręgosłupa. Protezy takie wszczepia się za granicą (a od kilku lat także w Polsce) osobom cierpiącym na przewlekłe, dyskogenne bóle krzyża. Szacuje się, że zespoły bólowe związane z kręgosłupem dotykają przynajmniej raz w życiu około 70 % ludności. Główną przyczyną jest siedzący tryb życia. Bóle krzyża są najczęstszym powodem zwolnień lekarskich i wiążą się z dużymi wydatkami w gospodarce państwa przeznaczonymi na leczenie, renty i zasiłki. Po pewnym czasie w zdecydowanej większości przypadków dochodzi do samoistnego ustąpienia dolegliwości. Dolegliwości trwające dłużej niż pół roku są trudniejsze do wyleczenia. U osób skarżących się na ostry i przewlekły ból pojawia się niesprawność ruchowa, utrudniająca lub wręcz uniemożliwiająca wykonywanie podstawowych czynności życiowych oraz aktywne uczestniczenie w życiu społecznym i zawodowym. Przy bólach krzyża najczęściej stosuje się leczenie zachowawcze i fizykoterapię, których celem jest złagodzenie objawów. Leczeniu operacyjnemu poddawanych jest kilka procent pacjentów. W wielu przypadkach wszczepienie sztucznego krążka jest alternatywą korzystniejszą niż operacyjne zespolenie kręgów, które związane jest z przyspieszonym rozwojem zmian degeneracyjnych w sąsiednich krążkach na skutek zwiększonej ruchomości wynikającej z kompensacji usztywnienia. Głównym celem pracy było opracowanie metodyki badań i zaprojektowanie ulepszonej, przegubowej protezy krążka. Na wstępie dokonano przeglądu literatury dotyczącej biomechaniki, obserwacji klinicznych i modelowania zjawisk zachodzących w naturalnym oraz implantowanym kręgosłupie oraz przeglądu medycznych aspektów wszczepiania protez krążka. Na podstawie danych z literatury oraz własnych pomiarów zbudowano parametryczny model geometryczny kręgosłupa lędźwiowego (rys.1).
Rys. 1. Model numeryczny (MES) kręgosłupa lędźwiowego
Model kręgosłupa utworzono w systemie ANSYS, przeznaczonym do obliczeń metodą elementów skończonych (MES). Sformułowano też wymagania stawiane protezom krążka i zaprojektowano kilka modeli implantów, które następnie poddano symulacjom numerycznym (rys. 2).
Rys. 2. Model segmentu kręgosłupa lędźwiowego z implantem
Analizowano oddziaływanie protezy na otaczające kręgi oraz wytężenie samego implantu pod wpływem występujących w kręgosłupie obciążeń. Obciążenia te odpowiadały typowej aktywności człowieka bądź incydentalnym przeciążeniom. W trakcie analiz dokonywano oceny poszczególnych implantów w celu określenia kierunku zmian w ich konstrukcji, prowadzącego do lepszego odwzorowania kinematyki w segmencie ruchowym, a także obniżenia poziomu naprężeń w kości i częściach składowych protezy. Dla jednego z opracowanych rozwiązań sztucznych krążków wykonano z biomateriałów prototyp, który następnie zbadano doświadczalnie na zautomatyzowanym stanowisku napędzanym silnikami krokowymi, symulującym ruchy i obciążenia segmentu kręgosłupa. Implant w ostatecznej wersji posiadał następujące cechy:
- zakresy ruchów translacyjnych i obrotowych (oprócz rozciągania i ściskania) takie same jak w naturalnym krążku międzykręgowym, uzyskiwane dzięki odpowiednim luzom pomiędzy częściami składowymi protezy,
- konstrukcyjne zabezpieczenie wkładki przed wysunięciem spomiędzy kręgów,
- przenoszenie obciążeń wzdłużnych i poprzecznych (oprócz siły rozciągającej),
- poprawne wytężenie otaczającej kości oraz implantu.
Zaprojektowane rozwiązanie zgłoszono do wniosku o przyznanie patentu (rys. 3). W kwietniu 2007 r. Urząd Patentowy uznał zgłoszenie patentowe „Implant krążka międzykręgowego kręgosłupa lędźwiowego", nr P.3822/41.
- zakresy ruchów translacyjnych i obrotowych (oprócz rozciągania i ściskania) takie same jak w naturalnym krążku międzykręgowym, uzyskiwane dzięki odpowiednim luzom pomiędzy częściami składowymi protezy,
- konstrukcyjne zabezpieczenie wkładki przed wysunięciem spomiędzy kręgów,
- przenoszenie obciążeń wzdłużnych i poprzecznych (oprócz siły rozciągającej),
- poprawne wytężenie otaczającej kości oraz implantu.
Zaprojektowane rozwiązanie zgłoszono do wniosku o przyznanie patentu (rys. 3). W kwietniu 2007 r. Urząd Patentowy uznał zgłoszenie patentowe „Implant krążka międzykręgowego kręgosłupa lędźwiowego", nr P.3822/41.
Rys. 3. Implant krążka zgłoszony do patentu
