3d модель коленного сустава

Коленный сустав

3d модель коленного сустава

Коле́нный сустав, колено (лат. articulatio genus) — сустав, соединяющий бедренную кость, большеберцовую кость и надколенник.

Анатомия

В передней части сустава расположен надколенник (коленная чашечка). Надколенник и четырёхглавая мышца бедра соединены сухожилием, продолжением которого является связка надколенника. В связочный аппарат входят:

  • боковые (малоберцовая и большеберцовая коллатеральные)
  • задние (подколенная, дугообразная, связка надколенника, медиальная и латеральная поддерживающие)
  • внутрисуставные (крестообразные, поперечная связка колена (между менисками)

Крестообразные связкинаходятся в полости коленного сустава. К разрывам их приводят запредельные движения в коленном суставе.

  • Передняя крестообразная связка (лат. lig. cruciatum anterius) начинается от задневерхней части внутренней поверхности наружного мыщелка (костного выступа) бедренной кости, пересекает полость коленного сустава и прикрепляется к передней части передней межмыщелковой ямки большеберцовой кости также в полости сустава. Эта связка стабилизирует коленный сустав и не даёт голени чрезмерно смещаться вперёд, а также удерживает наружный мыщелок большеберцовой кости.
  • Задняя крестообразная связка коленного сустава (лат. lig. cruciatum posterius) начинается от передневерхней части боковой поверхности внутреннего мыщелка бедра, пересекает коленный сустав и прикрепляется к задней межмыщелковой ямке большеберцовой кости. Она стабилизирует коленный сустав, и удерживает голень от смещения назад.

Суставные поверхности костей покрыты хрящом. Между сочленяющимися поверхностями бедренной и большеберцовой костей имеются внутренний и наружный мениски, представляющие собой серповидные (формы полулуний) хрящи. Коленный сустав имеет несколько синовиальных сумок:

  • наднадколенниковая
  • глубокая поднадколенниковая
  • подсухожильная портняжной мышцы
  • подкожная преднадколенниковая
  • подколенное углубление

Их число и размеры индивидуально варьируют. Находятся преимущественно между, под, около сухожилий. Синовиальная мембрана образует несколько складок, содержащие жировую ткань.

Является сложным (несколько суставных поверхностей), комплексным (содержит мениски). По форме является мыщелковым.

У человека коленное сочленение допускает движения сгибания и разгибания (фронтальная ось) — общий объём движений 150 градусов, а при согнутом положении (вследствие расслабления коллатеральных связок) — и вращение вокруг оси. Общий объём вращений составляет 15 градусов, пассивное вращение — 35 градусов. Связки играют роль ограничения движений сустава.

Травмы

Колено является наиболее частым местом спортивных травм (таких, например, как разрыв мениска или связки).

Травмы крестообразных связок

Разрыв передней крестообразной связки может произойти при действии силы, направленной вперед, на заднюю поверхность коленного сустава при согнутой и повернутой внутрь голени.

Часто встречается не изолированный разрыв крестообразной связки, а так называемая «несчастная триада» или триада Турнера.

Это разрыв передней крестообразной связки, разрыв внутренней (коллатеральной большеберцовой) боковой связки и разрыв внутреннего (медиального) мениска.

Разрывы крестообразных связок могут сопровождаться отрывными переломами костных пластинок в местах прикрепления связок или переломом межмыщелкового возвышения. Что значительно затрудняет последующее лечение.

Очень часто разрывы крестообразных связок происходят у спортсменов во время игры в футбол, при занятиях горнолыжным спортом, у борцов.

Задняя крестообразная связка разрывается при резком разгибании голени в коленном суставе или при прямом ударе по передней поверхности голени, когда она согнута в коленном суставе.

Разрывы связок часто бывают сочетанными. Наиболее тяжёлым повреждением считается разрывы обеих крестообразных, обеих боковых и капсулы сустава. Это приводит к разболтанности коленного сустава и к утрате возможности ходьбы этой ногой.

При разрыве крестообразных связок возникает резкая боль. Происходит кровотечение в сустав (гемартроз). Сустав увеличивается в размерах. Выявляется симптом «баллотирования» надколенника. Однако для некоторых пациентов сам момент травмы может пройти незамеченным.

Позже появляется ощущение неустойчивости, разболтанности в коленном суставе.

Основным симптомом разрыва крестообразных связок считается симптом «выдвижного ящика». При помощи специальных приёмов врач смещает голень пациента вперед или назад. При разрыве передней крестообразной связки голень избыточно смещается вперёд — симптом «переднего выдвижного ящика», а при разрыве задней крестообразной связки голень легко смещается назад — симптом «заднего выдвижного ящика».

При застарелых разрывах связок симптом «выдвижного ящика» может стать нечётким вследствие развития вокруг места разрыва жировой клетчатки, которая отчасти стабилизирует коленный сустав. Диагноз уточняют при рентгенологическом исследовании.

Иногда приходится прибегать к введению контраста в полость коленного сустава или к компьютерной или магнито-резонансной томографии. При необходимости проводят артроскопию: вводят зонд в полость сустава и осматривают сустав изнутри.

В качестве первой помощи необходимо обезболить место повреждения, обездвижить коленный сустав с помощью шины и доставить пострадавшего в травмпункт.

Лечение разрыва крестообразных связок коленного сустава

Производится пункция коленного сустава для удаления крови из полости сустава. Удалив кровь, в сустав вводят раствор новокаина. После этого, предварительно убедившись, что движения в коленном суставе сохранены и разрыва менисков сустава нет, на ногу накладывают гипсовую повязку. Нога при этом несколько согнута в коленном суставе.

Длительность иммобилизации до одного месяца. Затем гипс снимают и назначают лечебную физкультуру, массаж и физиотерапевтическое лечение.

Обычно сразу после травмы хирургическое восстановление целостности крестообразных связок не производят, так как возможны осложнения в виде контрактур коленного сустава.

Однако, если произошёл отрывной перелом костного фрагмента и имеется его смещение, проводится срочное оперативное вмешательство. Костный фрагмент фиксируют к кости.

Показанием к отсроченной реконструкции связок служит разболтанность сустава, нарушение функции ходьбы. Проводится она через 5-6 недель после травмы. Связки не сшивают, это бесперспективно. Выполняется пластическая реконструкция. Для этого берут трансплантат из связки надколенника. Иногда прибегают к эндопротезированию связок с помощью искусственных материалов.

Однако срок службы искусственных связок ограничен. Операция может быть выполнена открытым способом, через широкий разрез и вскрытие полости сустава, полуоткрытым — через минимальный разрез или эндоскопическим способом.

Эндоскопический способ пластики крестообразных связок является наименее травматичным. Движения в суставе начинают уже через несколько дней после операции, но большие нагрузки на сустав не рекомендуются в течение года.

Методика исследования

Применяются физикальные методы исследования: осмотр, пальпация, а также сбор анамнеза.

Из инструментальных методов для визуализации изменений анатомических структур сустава большое распространение получило МР-исследование.

Для оценки целостности и структуры костей, формирующих сустав, предпочтение отдаётся рентгенографии и компьютерной томографии.В настоящее время для диагностики применяют также артроскопию.

Рентгенологическое исследование коленных суставов

==Самым доступным, одним из информативных и распространённых исследований является рентгенологическое исследование.

Стандартные проекции, применяемые при рентгенографии коленного сустава – прямая (передне-задняя) и боковая. По мере необходимости их дополняют правой или левой косой, а также аксиальной проекциями.

Основным правилом при рентгенологическом исследовании коленного сустава является полипозиционность[1] [2].

Эффективность рентгенодиагностики повреждений коленного сустава напрямик зависит от качества рентгенограмм, критериями которого являются:

в прямой проекции:симметричность аксиальных сторон обоих мыщелков бедренной кости;расположение межмыщелковых возвышений по центру межмыщелковой ямки;частичная маскировка головки малоберцовой кости метаэпифизом большеберцовой кости (примерно на 1/3 своего поперечного размера);наложение контуров надколенника на центральную область метаэпифиза бедренной кости.

в боковой проекции:возможность просмотра надколенно-бедренного сустава и бугристости большеберцовой кости.

На рентгенограммах между суставными поверхностями костей видна так называемая рентгеновская суставная щель.

Рентгеновской она называется потому, что, будучи заполненной хрящом и прослойкой синовиальной жидкости, которые не дают изображения на рентгенограммах, она имеет вид более прозрачной полосы между суставными поверхностями.

Снимок, выполненный в положении максимального разгибания колена, является стандартным для передне-задней проекции. Он позволяет исследовать переднюю часть суставной щели.Прямой снимок коленного сустава может производиться как в положении лёжа, так и стоя.

Когда суставная патология имеет механическую природу и предполагается повреждение связочного аппарата – предпочтительно производить рентгенографию стоя, как при нагрузке, так и в расслабленном состоянии, для исследования суставной щели и оси сустава.

Рентгенологическое исследование коленного сустава в прямой проекции обязательно дополняется боковым снимком. При боковой рентгенографии центральный луч проходит по суставной щели с уклоном на 10° в каудо-краниальном направлении.

При этом края мыщелков бедренной кости накладываются друг на друга и их суставные поверхности смещаются в своей задней нижней части. Это позволяет хорошо различать их контуры и оценить состояние бедренно-надколенникового сочленения.

Боковой снимок коленного сустава производится либо в положении пациента лёжа на боку, в условиях полной расслабленности сустава, либо стоя, без нагрузки на исследуемый сустав. Лёгкое сгибание колена, равное 30° или 15°, позволяет определить состояние бедренно-надколенникового сочленения.

Сгибание предназначено для визуализации надколенника в момент его внедрения в межмыщелковое пространство (трохлею). Для выявления нестабильности надколенника снимок коленного сустава производится в момент сокращения четырёхглавой мышцы бедра.

С помощью такого приёма возможна косвенная оценка состояния связочного аппарата и высоты стояния надколенника.При подозрении на повреждение крестовидных связок дополнительно производится боковая рентгенограмма в условиях физиологической нагрузки.

Для этого больного просят перенести вес тела на повреждённую конечность. При повреждениях крестообразных связок происходит смещение концов костей, составляющих коленный сустав, относительно друг друга в зависимости от повреждённой структуры.

Так, смещение суставного конца бедренной кости относительно большеберцовой кости вперёд, более чем на 5 мм, говорит о разрыве задней крестообразной связки, тогда как при смещении назад следует предполагать разрыв передней крестообразной связки.

Так же существует укладка по Шпаченко Александру Борисовичу (аксиальная проекция). Применяется для получения снимков с возможностью просмотра надколенно-бедренного сустава и бугристости большеберцовой кости.

Этот тип укладки отличаться множеством способов размещения исследуемого сустава. Возможна корректировка как по углу сгиба коленного сустава так и по горизонтальном/вертикальном перемещении исследуемого сустава, что помогает добиться максимально качественного результата снимка.

Больного садят на стул рядом с аппаратом немного выдвигая вперёд ногу которую нужно исследовать, вторую же ногу отводят в сторону противоположную первой. Так же можно поставить ногу на подставку для регулировки по вертикали.

Кассету больной держит обеими руками максимально параллельно трубке аппарата, и как можно ближе к коленному суставу. Режим ставят такой же как и при боковой проекции.

Изображения

  • Рентгенограмма коленного сустава в боковой проекции.
  • Передний и латеральный вид колена.

Источник: https://b2b.partcommunity.com/community/knowledge/ru/detail/7123/Knee

3d модель коленного сустава

3d модель коленного сустава

Многие годы пытаетесь вылечить СУСТАВЫ?

Глава Института лечения суставов: «Вы будете поражены, насколько просто можно вылечить суставы принимая каждый день…

Читать далее »

Каждый день на наши ноги идут значительные нагрузки. При любой ходьбе происходит так, что на колени переходит практически вся масса тела. Люди, чей вес выше нормы, находятся в большой степени риска.

Те, кто предпочитает активный образ жизни, чаще всего подвержены к получению травм. Многие посещают спортклубы (занимаются спортом), при этом, не обеспечивая свои колени никакой защитой, отсюда идут повреждения суставов.

Чтобы предотвратить эти и другие проблемы накладывают бандаж (тутор) на колено.

Бандаж или ортез Orlett, виды

Бандаж — профилактическое средство от получения травм: cуществуют различные виды ортезов. В любом специализированном магазине их легко можно приобрести (например модель KS 601).

По рекомендациям многих тренеров бандаж — прекрасно подходит для занятий спортом, так как тренировки занимают достаточно времени.

Самодиагностика бывает ошибочной, с последующим получением еще большей травмы — лучше обращайтесь к специалистам, чтобы не навредить себе.

Ортезы Orlett (из меди) отличаются по степени жесткости

Мягкий — непосредственно используется при тренировках, в нем присутствует эластичная основа (нога может сгибаться).

Ортез на коленный сустав – изделие, которое не воздействует на сустав (при любой фиксации).

Полужесткий (тутор) — изготовлен из специальных, высокопрочных синтетических волокон, которые способны принимать и сохранять нужную форму. Полужесткий надежно фиксирует сустав, а кожа получает необходимый кислород.

Также данный ортез оснащен ремнями и специальными жесткими боковыми вставками, способными регулировать его форму. Полужесткий ортез на сустав колена — отличное профилактическое средство в послеоперационный период.

Врачи могут назначить его во время реабилитации, (как носить его правильно, лучше получить консультацию врача).

Жесткий ортез (сильной фиксации) — существенно отличается от остальных, кроме синтетических материалов, присутствуют еще и металлические пластиковые вставки. Такой ортез (из меди) следует носить при тяжелых травмах. Такая конструкция ускоряет процесс восстановления после операций, после снятия гипсовых повязок.

На что обратить внимание при выборе ортеза для колен?

Прежде всего, перед покупкой нужна консультация специалистов: они подскажут, какой бандаж на сустав колен, вам требуется и как его носить. Перед покупкой желательно узнать характеристики моделей (из меди), так как размеры таких средств (различных производителей) отличаются.

Сюда можно отнести степень фиксации, застежки или вид крепления и др. Так, например: налокотники, используемые для тренировочных занятий, могут закрывать коленную чашечку полностью или частично. (при любой фиксации).

При покупке следует учесть, что фиксаторы (из меди), например, модель ks 601 для сустава колен имеют свою сетку размеров, что потребует примерки перед ней.

Тутор (из меди), может иметь разную регулировку, при необходимости ее можно изменить. Послеоперационный период требует внимания и осторожности больного.

Стоимость фиксаторов для коленного сустава

Конечно, всем интересно, сколько стоит такой бандаж (тутор). На формирование цены данных приспособлений влияют разные факторы. Конечно это прежде всего, это сложность конструкции изделия, во-вторых, материалы, используемые при изготовлении.

Стоимость различных приспособлений и ортезов Orlett KS 601 также напрямую зависит от раскрученности бренда и востребованности продукции на рынке.

Ортезы Orlett помогут вашим ногам, данное приспособление вы должны правильно использовать чтобы не навредить себе.

Компания GenuTrain – лидер на рынке, занимающаяся изготовлением и продажей любых ортопедических средств (в том числе бандаж для суставов колен или тутор из меди с шарнирами, любой жесткости), кроме того выпускает изделия, которые требуются при остеохондрозе.

При изготовлении такого изделия, как ортез на коленный сустав GenuTrain применяют только эластичные, дышащие и влаговыводящие материалы, чтобы повысить комфорт при ношении.

Назначением для ношения аппарата (из меди) являются следующие заболевания: заболевания коленного сустава различной этиологии тендомиопатии, остеоартриты или послеоперационный период. Еще вышеуказанную модель применяют если возникает ощущение нестабильности. Здесь допустимо носить полужесткий бандаж.

Ортезы Orlett шарнирные. Они оснащены металлическими шарнирами (из меди), которые позволяют правильно сгибать и разгибать коленный сустав. Очень удобно, когда бандаж с шарнирами помогает защищать сустав от боковых смещений и патологической подвижности.

Шарнирный бандаж (тутор) следует одевать на тело, в случае индивидуальной непереносимости его одевают на чулок (хлопок). Носить тутор шарнирный следует строго по режиму, назначенному врачом. Тутор с шарнирами не рекомендуется носить более чем 4-6 часов.

Все изделия обязательно должны применяться для профилактики от получения ненужных травм и облегчения положения, если случай произошел. При любой тренировке всегда требуется осторожность и аккуратность движений.

2016-06-27

Ортез на коленный сустав — это ортопедическое изделие, которое несет многофункциональную нагрузку и фиксирует суставы в требуемом положении. Его используют при травмах различной тяжести, после хирургических вмешательств, для профилактики различных заболеваний ног.

Ортезы используют не только пациенты лечебных учреждений, но и спортсмены при растяжениях связок или после травм. Имеется множество моделей этих ортопедических изделий. Какой ортез рекомендовать, врач-ортопед решает в зависимости от диагноза пациента, в каждом случае индивидуально.

Показания к применению

Фиксатор коленного сустава чаще всего применяется при лечении переломов, растяжений, вывихов колена. Кроме того, его применяют после операций для восстановления двигательных функций костной ткани, в комплексе с физиотерапией или лечебной гимнастикой.

Кроме основного предназначения он используется при следующих показаниях:

  • реабилитация и восстановление кровообращения после снятия гипса с колена;
  • повреждение менисков;
  • гонартроз коленного сустава;
  • болезнь Шляттера;
  • нестабильность коленной чашечки;
  • профилактика растяжений у спортсменов;
  • повреждения боковых и крестообразных связок.

НАШИ ЧИТАТЕЛИ РЕКОМЕНДУЮТ!

Для лечения суставов наши читатели успешно используют СустаЛайф. Видя, такую популярность этого средства мы решили предложить его и вашему вниманию.
Подробнее здесь…

Разновидности наколенных фиксаторов

В медицине используется множество разновидностей ортопедических наколенников. Они делятся на два основных вида:

  1. С шарнирами — состоит из жестких или полужестких шин, скрепленных между собой шарнирами.
  2. Без шарниров — имеет мягкую конструкцию, изготавливается из эластичного материала, без жестких конструкций внутри.

Кроме этого, жесткие ортезы подразделяются на следующие виды:

  1. Фиксирующие — применяются для удерживания коленного сустава в нужном положении. Конструкция у них максимально жесткая.
  2. Корректирующие — применяются для той же цели, что и фиксирующие, но с возможностью перемещать наколенник по мере необходимости. Имеют жесткую и полужесткую конструкцию.

Фиксирующие наколенники имеются также нескольких видов:

  • жесткий — сконструирован с ребрами жесткости из стали, карбона или других материалов, может накладываться на колено вместо гипса;
  • полужесткий — модель оснащена ребрами жесткости из пластика или другого материала невысокой жесткости;
  • мягкий — выглядит как эластичный бандаж, выполнен из перфорированной ткани.

Кроме этого, модели бывают открытые и закрытые. Закрытые ортезы предназначены для дополнительного согревания травмированной области.

Как выбрать подходящее изделие

Коленный ортез подбирается врачом–ортопедом с учетом характера травмы. Для того чтобы правильно подобрать наколенник, требуется определить подходящий размер ортеза.

Все компании изготавливают ортезы по размерам, принятым в стране производителя. Размерность указывается на упаковке и может быть как в дюймах, так и в сантиметрах. Один дюйм соответствует 2,4 см.

Определить размер ортеза просто — он соответствует окружности коленного сустава. Для начала нужно встать прямо и попросить кого-либо измерить окружность колена по центру, а также на 5–7 см выше и ниже колена.

Изготовители в европейских странах маркируют размерность изделий буквами S, M, L, XL, напротив этих букв ставится размер окружности сустава. Для лучшего понимания размера изделия часто прилагается схема замеров фиксатора.

Если окружность колена не соответствует точно какому-либо размеру, представленному на этикетке фиксатора, то рекомендуется использовать наколенник на размер меньше, т.к. он должен плотно прилегать к ноге, не сползая с нее при ходьбе.

Для людей, имеющих повышенную нагрузку на суставы, спортсменов, рекомендуется динамический ортез легкой фиксации. Обеспечивая колено равномерной нагрузкой на сустав, суппорт уменьшает болевые ощущения, предотвращает растяжения сухожилий, фиксирует поврежденные мышцы.

Коленный мягкий фиксатор, выполненный из перфорированной ткани, обеспечивает микромассаж поврежденной области, создает дополнительный приток крови к коленному суставу и мышцам. При ушибах используется мягкий суппорт, его конструкция отличается повышенной эластичностью и по строению напоминает бандаж.

При артритах и артрозах применяется полужесткий наколенник. В зависимости от состояния больных суставов ортез выбирается открытый или закрытый, с функцией дополнительного натяжения, с дополнением конструкции суппорта магнитами, специальными согревающими элементами, со специальным силиконовым кольцом.

Коленный послеоперационный ортез имеет шарнирную конструкцию и заменяет гипс. За счет жесткой фиксации поврежденный сустав находится в неподвижном состоянии. Изделие может быть оснащено различными ребрами жесткости.

Коленный регулируемый фиксатор применяется при переломах и травмах разной сложности, где требуется надежное скрепление частей сломанного сустава, но при этом имеется регулятор угла сгибания. Используется наколенник до полного восстановления суставов.

Заключение

Перед подбором любых ортопедических фиксаторов рекомендуется проконсультироваться с врачом–флебологом, проверить состояние вен и артерий. Нельзя допускать передавливания вен и сосудов ортезом.

Людям, склонным к аллергическим реакциям, рекомендуется выбирать фиксаторы из натуральных тканей. Изделия из неопрена имеют хороший согревающий эффект, но не рекомендуются для долгого ношения.

Хорошо переносятся больными фиксаторы из лайкры или эластана. Эти материалы обеспечивают доступ кислорода к больному месту.

Уход за изделием заключается в ручной стирке без использования агрессивных химических веществ и последующей сушке в хорошо проветриваемом месте.

Игорь Петрович Власов

  • Диагностика
  • Кости и суставы
  • Невралгия
  • Позвоночник
  • Препараты
  • Связки и мышцы
  • Травмы

Источник: https://koleno.taginoschool.ru/simptomy/3d-model-kolennogo-sustava/

Разработка конструкции и технология изготовления протеза коленного сустава с применением программ фирмы Delcam

3d модель коленного сустава

Предлагаем читателям выдержки из конкурсной работы студента Пензенского государственного университета Ивана Рыкова, выполненной под руководством профессора А.Н. Машкова и доцента С.А. Нестерова. Данная работа завоевала одно из двух первых мест на ежегодном международном конкурсе студенческих работ 2013 года, проводимом компанией Delcam среди российских и украинских университетов.

Заболевания суставов в организме человека приводят к дискомфорту в движении, а следовательно, к снижению качества жизни. В некоторых случаях происходит даже полная потеря функций конечности. Когда консервативное лечение оказывается неэффективным, одним из решений данной проблемы становится тотальное эндопротезирование.

Предложенный подход к проектированию и изготовлению эндопротеза предполагает индивидуальный анализ особенностей каждого пациента, что обеспечивает оптимальный вариант получения необходимого функционала и повышения качества жизни человека.

Разработка последовательности проектирования и изготовления рассматриваемых деталей

Анализируя конструкцию эндопротеза коленного сустава (рис. 1), его можно разделить на три составные части: бедренный компонент, полиэтиленовый вкладыш и тибиальный компонент.

Рис. 1. Составные части эндопротеза

Для получения требуемых компонентов заданной формы и сокращения времени подготовки производства была спроектирована последовательность по созданию и изготовлению основного элемента эндопротеза — бедренного компонента.

Было предложено два варианта реализации: первый — проработка опытного или уникального экземпляра путем только механической обработки всех наружных поверхностей из заготовки в виде проката, а второй — применение серийной технологии при использовании заготовки, полученной литьем по выплавляемым моделям.

Рассмотрим процесс подготовки производства для обоих вариантов, поскольку этапы работы над конструкцией в них очень схожи. Для выполнения практически всех этапов цикла проектирования и изготовления будет применяться ПО Delcam.

Построение 3D­моделей

Для создания 3D­модели бедра и голени пациента на основе комплекта томограмм выполнялись следующие действия: проведение сканирования пациента на компьютерном томографе; получение аксиальных срезов (томограмм) в формате DICOM; выполнение предварительной обработки томограмм (редактирование для выделения рабочей области построения модели); построение по томограммам трехмерной компьютерной модели.

Для построения 3D­модели коленного сустава был взят комплект томограмм пациента. В программе 3D­DOCTOR на основе набора полутоновых изображений создавалась триангуляционная модель (рис. 2).

Рис. 2. Триангуляционная модель коленного сустава в среде 3D-DOCTOR

Рис. 3. Триангуляционная 3D-модель коленного сустава

Рис. 4. Образующие бедренный компонент сечения

Далее импортируем в программу PowerShape триангуляционную модель коленного сустава (рис. 3).

Полученные модели использовались как для моделирования протеза, так и для проверки методики имлантирования протеза в тело человека.

Для получения профиля бедренного компонента необходимо было построить 15 сечений и направляющие (рис. 4). Все сечения были выполнены на основе анализа зарубежных патентов, а также рентгеновских снимков и томограмм коленного сустава. Полученные сечения для большей плавности были отредактированы сглаживанием при помощи функций PowerSHAPE График кривизны и Сглаживание кривой.

Рис. 5. Анализ кривизны после редактирования

Рис. 6. Проверка гладкости поверхности

После создания всех сечений и направляющих была построена основная поверхность бедренного компонента и проведен анализ кривизны (рис.

5), который наглядно показал, что в результате вытягивания поверхность получилась недостаточно гладкой.

Для достижения корректной формы бедренного компонента поверхность была отредактирована путем удаления некоторых точек и сглаживания. В результате была получена форма бедренного компонента и проведен анализ гладкости (рис. 6).

Внутренняя (мыщелковая) поверхность бедренного компонента создавалась путем формирования контура заданного профиля, его вытягивания и пересечения с уже созданной формой.

Поскольку эта поверхность участвует в соприкосновении с живой костью, для оптимальной сцепляемости и приживляемости была создана развитая поверхность в виде призм, сделаны два отверстия под штифты и две боковые выемки для снятия бедренного компонента в случае ревизии. Готовая модель бедренного компонента представлена на рис. 7.

Рис. 7. 3D-модель бедренного компонента

Для построения 3D­модели полиэтиленового вкладыша сначала производится построение контуров будущей подложки на основе использования проекций с модели бедренного компонента, а затем с помощью команд Вытягивание и Ограничение поверхности создаются поверхности подложки.

После этого формируется плавная эллипсоидная поверхность под мыщелковую зону бедренного компонента и посредством команды Ограничение поверхности получается верхняя часть подложки. Помимо этого создается выступ для установки и закрепления полиэтиленового вкладыша в большеберцовый компонент.

Процедура построения 3D­модели полиэтиленового вкладыша показана на рис. 8.

Рис. 8. Этапы построения модели полиэтиленового вкладыша

3D­модель тибиального компонента была построена нами на основе элементов полиэтиленового вкладыша. К основным элементам добавляются ребра жесткости и площадки с углублением для установки полиэтиленового вкладыша (рис. 9).

Рис. 9. 3D-модель тибиального компонента

Кинематический анализ эндопротеза

Теперь необходимо проверить конструкцию эндопротеза при различных углах сгиба ноги на основе построения характерных позиций (рис. 10).

Необходимо также оценить пятно контакта, которое возникает между бедренным компонентом и полиэтиленовым вкладышем при различных углах сгиба. Размер пятна контакта играет важную роль в функционировании эндопротеза, поскольку величина трения прямо пропорциональна размеру пятна. На рис.

11 показаны пятна контакта бедренного компонента и полиэтиленового вкладыша при различных положениях без приложения нагрузки. В положении максимального наклона ноги пятно контакта существенно меньше, но и нагрузка на сам протез в этом положении меньше.

В данном случае вся нагрузка ложится на связки и мышечную ткань.

a

b

v

Рис. 10. Положение эндопротеза при: а — выпрямленной ноге (0°); б — полусогнутой ноге (45°);
в — согнутой ноге (90°)

Прочностной анализ

Коленный сустав представляет собой один из наиболее сложных и многофункциональных суставов человеческого организма — он принимает на себя практически всю нагрузку, связанную с бегом и ходьбой.

Сама механика движений в коленном суставе является весьма сложной и включает одновременное сгибание, качение и вращение. Различные замеры сил при динамической ходьбе показывают, что силы, возникающие в суставной системе в процессе ходьбы, как минимум, достигают семикратной массы тела.

Так, для среднестатистического человека весом в 70 кг максимальная нагрузка в колене при динамической ходьбе будет близка к 5000 Н.

Рис. 11. Пятно контакта при угле сгибания: а — 0°; б — 45°; в — 90°

Рис. 12. Граничные условия и результаты анализа по запасу прочности

Анализ напряженно­деформированного состояния эндопротеза в CAE­системе (рис. 12) показал, что полученный коэффициент запаса прочности равен 25, напряжения находятся в пределах заданного диапазона, а деформации очень малы. Спроектированный эндопротез коленного сустава полностью отвечает всем параметрам качества и надежности конструкции.

Геометрическое моделирование эндопротеза совместно с моделями колена

Производим сборку модели коленного сустава с эндопротезом (рис. 13). Для этого в CAD­системе PowerSHAPE с использованием методов поверхностного и фасетного 3D­моделирования совмещаем 3D­модель эндопротеза с резекцией кости бедра и голени.

Рис. 13. Сборка коленного сустава с эндопротезом

Построенная 3D­модель на этапе подготовки к операции позволит хирургу проанализировать предполагаемое хирургическое вмешательство, спланировать необходимый перечень работ по корректировке формы элементов костей и заранее внести изменения в проект протеза в случае нестандартных решений. При необходимости возможно проведение дополнительных кинематических построений с элементами человеческого тела и анализа степени подвижности и надежности закрепления будущего эндопротеза.

Проектирование приспособления для механической обработки заготовки бедренного компонента

Так как деталь имеет сложную форму, нами было спроектировано специальное крепежное приспособление, которое применяется в операциях фрезерования, шлифования и полирования. Проектирование приспособления осуществлялось в CAD­системах PowerSHAPE и КОМПАС­3D (рис. 14).

Рис. 14. Приспособление в сборе

Разработка управляющих программ для станков с ЧПУ

Для разработки управляющих программ для станков с ЧПУ использовалась CAM­система PowerMILL. Обработка детали осуществляется за два технологических установа: на первом установе заготовка крепится в тисках, а на втором деталь фиксируется в приспособлении.

При реализации технологии изготовления изделия методом литья первый установ отсутствует. Все поверхности внутренней области получаются в литейной форме.

Некоторые из разработанных нами управляющих программ для позиционной (3+2) пятиосевой фрезерной обработки приведены на рис. 15­17.

После выполнения всех фрезерных операций осуществляется шлифование и полирование рабочих поверхностей протеза с целью достижения требуемых параметров качества и геометрической точности.

Рис. 15. Черновая обработка на первом установе

Рис. 16. Черновая обработка верха на втором установе

Рис. 17. Чистовая обработка верха на втором установе

Проектирование литейной оснастки для литья восковой модели

Построение модели отливки бедренного компонента осуществлялось на основе уже готовой 3D­модели бедренного компонента. На отливку дается усадка 1,8%, которая компенсируется путем масштабирования модели.

После этого строятся линии разъема с учетом имеющихся поднутрений и возможности извлечения отливки из формы.

Затем на основе линии разъема создается поверхность разъема и строится основной формообразующий элемент литейной формы (рис. 18).

Рис. 18. Вставка нижняя

Рис. 19. Формообразующие элементы литейной формы в сборе

Далее по аналогии строим оставшиеся элементы литейной формы. Формообразующие элементы литейной формы в сборе представлены на рис. 19.

Для проработки технологии изготовления нами был изготовлен макетный образец элементов пресс­формы из модельного воска на станке PAG 0501. Фотографии процесса обработки и изготовленные элементы приведены на рис. 20.

Рис. 20. Фотографии процесса обработки элемента литейной формы

Контроль размеров элементов литейной оснастки

Для проработки процесса измерения формообразующих элементов пресс­формы нами использовалась CAI­система PowerINSPECT и портативный ручной КИМ­манипулятор Microscribe­3DX. Учебная измерительная рука Microscribe­3DX (рис. 21) позволяет производить измерения деталей сложной формы с точностью 0,21 мм.

Рис. 21. Выполнение измерений при помощи Microscribe-3DX

Программа и методика контроля дает наглядное представление о процессе измерения (рис. 22).

Так, на результатах контроля ключевых сечений в нижней вставке отображены точки зеленого, красного или синего цвета — это места, где были сняты координаты поверхности в сравнении с теоретической CAD­моделью (зеленый — точка в поле допуска, красный — брак исправимый, синий — брак неисправимый). Применение КИМ и CAI­системы PowerINSPECT позволило эффективно проверить и подтвердить качество изготовления изделия.

Рис. 22. Сравнение результатов обработки с теоретической CAD-моделью

ВылечимСуставы
Добавить комментарий