Инновационная разработка ученых поможет проектировать эндопротезы под конкретного человека

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.