Цифровые технологии проектирования индивидуальных эндопротезов крупных суставов
Группа научных исследований: Передовые Цифровые технологии. Цифровое проектирование, математическое моделирование и управление жизненным циклом изделия или продукции (Smart Design) и технологии «умного» производства (Smart Manufacturing).
Срок реализации: 2020-2025 гг.
Исполнитель: Инжиниринговый центр «Центр компьютерного инжиниринга» (ИЦ ЦКИ)
Решаемые научно-технические задачи, полученные и ожидаемые результаты
В 2020 году
Выполнены работы по разработке концепции расчета долговременной прочности биомеханических систем «кость-имплантат» на основе математических моделей крупных суставов скелета человека в части подготовки аналитического обзора в области моделирования регенерации костной ткани и формулировки общего плана концепции выполнения расчета.
1. Важнейшие результаты по направлению научных исследований, полученные в период реализации соглашения в отчётном году с момента заключения соглашения.
Разработаны теоретические основы математического моделирования регенерации костной ткани в условиях эндопротезирования пористыми имплантатами и проведен аналитический обзор методов и подходов математического моделирования регенерации костной ткани. Рассмотрены особенности индивидуального эндопротезирования тазобедренного сустава, проведен обзор типов индивидуальных имплантатов и замещаемых дефектов, проанализированы биомеханические особенности конструкций индивидуальных эндопротезов. Предложена концепция компьютерного анализа долговременной прочности системы «кость-имплантат» на основе цифрового проектирования индивидуальных эндопротезов крупных суставов, оценки усталостной прочности биомеханической конструкции, математического моделирования регенерации костной ткани в поровом пространстве имплантата.
Существенной особенностью рассматриваемой задачи реконструкции костной ткани является наличие биосовместимого имплантата, обладающего сложной внутренней структурой в виде регулярной или хаотичной системы поровых каналов. Это приводит к необходимости учитывать регенерацию ткани не только вокруг имплантата, но и в его объеме.
|
|
|
Рисунок 7.1 – Концепция цифрового проектирования индивидуальных ЭПТС.
2. Сопоставление полученных результатов по направлению научных исследований с мировым уровнем
Предлагаемая концепция расчета подразумевает разработку цифровых двойников крупных суставов скелета человека как комплексной математической модели, включающей достоверные физико-механические свойства тканей, динамические нагрузки, методику оценки циклической прочности, интеграцию с программами компьютерного моделирования мирового уровня. Особое внимание в модели уделено возможности расчета регенерации костной ткани вблизи и внутри порового пространства имплантата, что должно обеспечивать остеоинтеграцию и, в конечном счете, необходимую долговременную стабильность всей биомеханической конструкции, что практически отсутствует в известных публикациях российских и зарубежных исследователей.
Несмотря на наличие общей концепции и экспериментальных подтверждений механочувствительности живых тканей, универсальной математической теории, адекватно и всесторонне описывающей механизмы структурной перестройки живых тканей и механохимических регуляций на системном и локальном тканевом уровнях, не разработано. Не созданы и цифровые двойники для реалистичного моделирования таких сложных механобиологических процессов как репаративная регенерация костной ткани, в том числе при эндопротезировании крупных суставов человека, управляемая внешним силовым воздействием и законами дифференциацией костных клеток.
Необходимо отметить, что в ведущих европейских и американских странах вопросу математического моделирования регенерации кости уделяется большое внимание с конца 20 века, в то время как в России такие исследования не проводятся. Поэтому путем выполнения данного проекта предполагается выход исследований по данному вопросу в России на международный уровень и ускоренное развитие отечественных исследований за счет использования авторских программных модулей, специализированных под компьютерное моделирование регенерации костной ткани в зоне имплантации.
3. Публикации с момента заключения Соглашения:
Ильина Е.Э., Маслов Л.Б., Сабанеев Н.А. Конечно-элементное моделирование регенерации костной ткани в пористом имплантате // XIV Всероссийская (с международным участием) конференция "Биомеханика - 2020", г. Пермь, 3–5 декабря 2020 г. – Пермь, Изд-во Пермского национ. иссл. политехн. ун-та, 2020. – С. –. (в печати)
Маслова И.Л., Маслов Л.Б., Жмайло М.А. Исследование напряженно-деформированного состояния ацетабулярного компонента персонализированного эндопротеза тазобедренного сустава при движении человека // XIV Всероссийская (с международным участием) конференция "Биомеханика - 2020", г. Пермь, 3–5 декабря 2020 г. – Пермь, Изд-во Пермского национ. иссл. политехн. ун-та, 2020. – С. –. (в печати)
- Разработана концепция расчета (теоретические основы и методы) долговременной прочности биомеханических систем «кость-имплантат» на основе математических моделей крупных суставов скелета человека и современных вычислительных подходов механики деформируемого твердого тела. В качестве основного объекта исследования предполагается рассматривать тазобедренный сустав человека.
- Изучены принципы современных аддитивных технологий и экспериментального оборудования для аддитивного производства. Разработаны общие принципы применения аддитивных технологий для быстрого производства опытных образцов эндопротезов тазобедренного сустава на основе биосовместимых углеродно-полимерных композитных материалов
- Разработаны математические модели и алгоритмы репаративной регенерации костной ткани, управляемой законом дифференциации клеток и действием внешней механической нагрузки периодического характера, с учетом особенностей реконструкции кости с помощью имплантатов с развитой пористой поверхностью.
- Разработан прототип лабораторного 3D-принтера для печати конструкций из полимерных биосовместимых материалов сложной трехмерной формы и внутренней структуры
- Разработаны цифровые двойники компонент сложной биомеханической системы, включающей тазобедренный сустав и основные типы имплантатов, используемых в операции эндопротезирования, для проведения всесторонней оптимизации конструкции эндопротеза (стандартного или персонализированного), исследования процессов регенерации кости в объеме и вокруг имплантата.
- Разработаны эскизы и структуры планируемых перспективных имплантатов, изготовляемых аддитивными методами из полимерных биокомпозитных материалов.
- Проведена наладка и тестирование прототипа лабораторного 3D-принтера для печати конструкций из полимерных биосовместимых материалов сложной трехмерной формы и внутренней структуры
- Разработаны алгоритмы, реализующие полученные математические модели регенерации костной ткани в условиях протезирования на основе встроенных средств универсальных конечно-элементных комплексов и систем разработки программного обеспечения высокого уровня, предназначенных для многопроцессорного компьютерного анализа процесса репаративной регенерации костной ткани в условиях протезирования пористыми имплантатами под действием периодической нагрузки.
- Разработана технология получения композитных полимерных структур методами аддитивных технологий на простых механических объектах.
- Проведены прочностные испытания на стандартном экспериментальном оборудовании: растяжение, сжатие, изгиб, кручение. Проведено исследование физико-механических упругих и прочностных свойств новых однородных и композитных материалов, получаемых в результате разработанной технологии производства.
- Осуществлен анализ и выбор оптимальных материалов с точки зрения технологичности будущего производства имплантатов и их физико-механических свойств
- Разработаны аддитивные методы формирования биосовместимых трехмерных конструкций сложной топологической структуры, включая создание поверхностных слоев заданной пористой структуры на достаточную глубину, обеспечивающих требуемые физико-механические характеристики создаваемых гетерогенных материалов и эффективное врастание костной ткани.
- Проведен конечно-элементный анализ разработанных конструкций эндопротезов тазобедренного сустава при учете различных свойств однородных и композитных материалов, получаемых на основе аддитивных технологий. Проведён статический расчет прочности элементов эндопротеза согласно стандартам расчета эндопротезов (ISO 7206 и т.п.) и распределения напряжений в пространственной модели биомеханической системы «кость-имплантат».
- Проведён расчет контактных напряжений на интерфейсе между костной тканью и материалом элементов конструкции эндопротеза тазобедренного сустава при моделировании различных вариантов двигательной активности человека: походка по горизонтальной поверхности, подъем-опускание по лестнице, приседание.
- Проведение компьютерного имитационного моделирования процессов репаративной регенерации костной ткани при реконструкции поврежденного участка с помощью пористых имплантатов со сложной поверхностной структурой с применением разработанных цифровых двойников.
- Разработаны методики оптимизации процесса восстановления костной ткани путем поиска характеристик периодического воздействия, приводящего к реалистичному и устойчивому восстановлению формы и опорной функции кости, определяемой прочностными и упругими свойствами образующихся тканей. Изготовлены оптимизированные образцы имплантатов с использованием разработанных технологий аддитивного производства.
- Проведён динамический конечно-элементный анализ конкретных образцов эндопротезов тазобедренного сустава, включающий циклическую прочность, расчет собственных форм и частот колебаний биомеханической системы «кость-имплантат», осуществлён расчет динамических напряжений при моделировании бега и других быстрых движений
