titobr1. 8. 2011
Kostná chirurgia vyžaduje precíznu techniku. Jednoduché klasické delenie konvenčnými nástrojmi, spôsobujúce nežiaduce silové účinky na kostné tkanivo, nevedie k uspokojivým výsledkom. Súčasné aplikované techniky osteotómie v chirurgickej ortopédii sa v posledných desaťročiach, napriek zvýšeným požiadavkám zmenili len minimálne. Zatiaľ čo v prvej polovici minulého storočia boli preferované dláta a ručné píly, dnes sa používa pneumaticky ovládaná píla so špeciálnymi indikáciami a vysokorýchlostná fréza.

 

 

Pre ortopedické operačné zákroky, štandardnými metódami delenia tvrdých biologických tkanív, ako sú kosti, sa stále využívajú napr. oscilačné píly. Avšak kosť veľmi citlivo reaguje na teplo. Dôsledkom prekročenia kritických hodnôt sú ireverzibilné poškodenia kostných tkanív. Konvenčné nástroje, ako píly a iné inštrumenty používajúce tuhý člen pri obrábaní kostí, generujú teplotu v niektorých prípadoch vyššiu ako 100°C. Nepriaznivým dôsledkom je vrstva zničených buniek na deliacej stene. Tieto teplotné traumy sú zodpovedné za nedostatočné vrastenie kostného tkaniva do protézy, čo predlžuje proces hojenia a rekonvalencenciu.

Veľkou výhodou hydroabrazívneho delenia oproti klasickým spôsobom delenia kostí je možnosť vytvárať presné atermické rezy kostných tkanív. Použiteľnosť hydroabrazívneho delenia ako nástroja pre ortopedické účely, ktorý môže vytvárať akúkoľvek želanú geometriu s vysokou presnosťou, je dokázaná v experimentálnej časti a v niekoľkých štúdiách zahraničných bádateľov. Hodnoty drsnosti sú regulovateľné pomocou riadenia faktorov hydroabrazívneho delenia a priemerná drsnosť Ra podľa našich predikčných výpočtov sa pohybujú pod hranicou 20 mm. Malé silové pôsobenie v technologickom uzle: stroj - nástroj - biologický materiál naznačuje použitie moderných manipulačných systémov a „ortopedických robotov“. V tejto ex- vivo experimentálnej štúdii sa potvrdilo, že hodnoty tlaku musia byť nad 100 MPa a je potrebné nové technické riešenie, ktoré by zabezpečovalo plynulé dávkovanie biokompatibilného abrazívu, aby bolo možné riziko prípadnej embólie eliminovať. Preto je nevyhnutné pri príprave kostných tkanív pracovať s vyššími tlakmi, čím sa zvyšuje množstvo transformovanej energie.

Navrhované riešenie

Problematika totálnych endoprotéz a ich opotrebenia - poškodenia je veľmi rozsiahla. Preto sa zameriavame hlavne na problematiku totálnych endoprotéz bedrového kĺbu, hoci niektoré aspekty týkajúce sa opotrebenia sú v podstate podobné s ostatnými kĺbovými náhradami.

Opotrebenie umelých kĺbových náhrad, obzvlášť totálnych endoprotéz bedrového kĺbu, je závažným klinickým problémom. Produkty opotrebovania implantátu zapríčiňujú nepriaznivé tkanivové reakcie, ktoré môžu viesť k značnému úbytku kostného tkaniva v oblasti blízkosti implantátu a následne k uvoľneniu fixovanej endoprotézy. Uvedený dôvod je indikáciou vyžadujúcou tzv. reimplantáciu revíznu operáciu, počas  ktorej je uvoľnená endoprotéza operačne vymenená za revíznu endoprotézu. Reoperácie sú pomerne náročné a finančne nákladné, často s neuspokojivými výsledkami. Počet revíznych operačných zákrokov cementovaných  a necementovaných endoprotéz neustále narastá. Podmienkou na to, aby bola extrahovateľná poškodená totálna náhrada je nevyhnutné rozrušiť rozhranie medzi kosťou alebo kostným cementom. Za týmto účelom sa využívajú klasické nástroje, ako vrtáky alebo oscilačné píly, používanie ktorých ma viacero nevýhod, ako napr. to, že  stúpa riziko trieštivosti, praskania a rôznych ďalších komplikácií  súvisiacich s reimplantáciou totálnej náhrady.

obr1Vzhľadom na selektivitu úberu je možné využiť vodný prúd aj s nízkymi tlakmi na narušenie rozhrania (Obr. 1) tvoreného kostným cementom, ktorého fyzikálno-mechanické vlastnosti sú diametrálne odlišné od kostného tkaniva či titánovej endoprotézy.

Dezintegrácia povrchu kostných tkanív a iných biomateriálov vysokorýchlostným kvapalinovým prúdom je problematika zasahujúca do viacerých odborov klinickej praxe. Klasické využitie kontinuálneho kvapalinového toku sa týka dezintegrácie povrchu, delenia rôznych druhov materiálov a odstraňovania povrchových vrstiev pri čistení povrchov. Účinnosť (alebo efektívnosť) pôsobenia kontinuálneho kvapalinového toku môžeme významne zvýšiť jeho moduláciou.

Generovanie vysokofrekvenčných tlakových pulzácií v systémoch pre generovanie vysokorýchlostných vodných prúdov predstavuje jednu z možností zvýšenia efektivity technológie v medicínskych aplikáciách na odstraňovanie povrchových vrstiev, čistenie a objemové dezintegrácie materiálov, napríklad kostného cementu pri reimplantáciách totálnych náhrad. Dôvodom je skutočnosť, že vďaka týmto tlakovým pulzáciám vystupuje vodný prúd z trysky síce ako kontinuálny prúd vody, ale má v dôsledku pulzácie premennú axiálnu zložku rýchlosti. V určitej vzdialenosti od trysky potom dochádza k rozpadu tohto pôvodne kontinuálneho vodného prúdu na jednotlivé zhluky vody a prúd sa začne správať ako pulzujúci. Dezintegračná schopnosť takéhoto pulzujúceho prúdu sa výrazne zvýši, a to z dôvodu skutočnosti, že impaktný (rázový) tlak generovaný dopadom zhluku vody na rozpojovanie materiálu je výrazne vyšší, ako je tlak stagnačný, generovaný dopadom kontinuálneho prúdu rovnakých parametrov.

Vzhľadom na jeho široké využitie, sa javí možnosť využitia tejto technológie najmä pri reimplantáciách. Priemer vodného prúdu do 0,5 mm je veľkou výhodou pri prácach vo veľmi obmedzených priestoroch na rozhraní protézy a kostného tkaniva. Proces delenia je v podstate studený, čím sa odstraňuje tepelný efekt, sily a reakcie sú pomerne nízke. Presná manipulácia s aplikátorom je možná ručným, ako aj robotickým spôsobom. Uvedené fakty ukazujú, že je možné odstrániť protézu touto technikou delenia rýchlejším a šetrnejším spôsobom. Problémovou oblasťou však ostáva vývoj sterilných púmp a pri osteotómiách kostného tkaniva kontinuálnym vodným prúdom kontrola hĺbky rezu.

Nasledujúci obrázok 2, znázorňuje návrh pracoviska s aplikáciou automatizovaného on-line riadenia operačnej resekcie bedrového kĺbu s využitím technológie hydroabrazívneho prúdu, riešenej v rámci tematického zamerania diplomovej práce v súčasnosti už Ing. Martiny Blichovej.

obr2

Návrh spôsobu automatizovanej kontroly a riadenia výkonu a kvality zákroku znázorňuje nasledujúci obrázok 3.

obr3

Na základe analýzy a interpretácie získaných dát z povrchu vzoriek je odvodený analytický tvar topografickej funkcie Ra = f (vp, vdef, E, σrz, h) pre daný materiál. V nasledujúcom grafe na obr. 4 je uvedený príklad vypočítanej predikcie distribúcie drsnosti a napätosti kosti potrebnej pre on-line riadenie v chirurgickej ortopédii.

obr4V implicitne zapísanej rovnici Ra = f (vp, vdef, E, σrz, h) je v [mm/min] rýchlosť posuvu technologickej hlavice, vdef [s-1] je deformačná rýchlosť v kostných tkanivách pri daných technologických podmienkach delenia hydroabrazívnym prúdom, E [MPa] je Youngov modul pružnosti deleného kostného materiálu, σrz [MPa] je prirodzený deformačný odpor a h [mm]  okamžitá hĺbka deliaceho rezu. Uvedené faktory v rovnici je potrebné poznať pre následné predikčné výpočty a pre potreby on-line riadenia technológie AWJ. V rámci interpretácie nameraných hodnôt sú v súčasnosti v rámci mnohých diplomových, ako aj dizertačných prác systematicky analyzované vzťahy medzi týmito faktormi a parametrami. Následne sú novoformulované fyzikálno-mechanické distribučné princípy, ktorými sa budú riadiť. Zovšeobecnenie týchto princípov sa uskutoční pomocou analyticky, korelačne a regresne empiricky odvodených rovníc s grafickou prezentáciou distribúcie ich funkcií. Finálnym výsledkom bude projekt riadenia delenia tkanív hydroabrazívnym prúdom pomocou spätnej väzby podľa priebežného on-line merania hladiny akustického tlaku Laeq [dB], vibrácií prípadne akustickej emisie. Výber najvhodnejšej spätnej väzby sa v súčasnosti realizuje v spolupráci s Assoc. Prof. Hakanom Tozanom, PhD. z Naval University and Marmara University - Turecko. Okamžitá informácia o stave deliaceho rezu podľa okamžitej hodnoty amplitúdy parametrov spätnej vazby (yspi) umožní automatickú reguláciu rýchlosti posuvu technologickej hlavice v [mm/min], ktorá je s tlakom p [MPa] jedným z najvýznamnejších technologických faktorov riadenia technológie výroby po stránke ekonomických indikátorov i kvalitatívnych ukazovateľov kvality povrchu kostných tkanív. Riadiacim systémom bude zaistená regulácia rýchlosti posuvu v [mm/min] technologickej hlavice a tým i regulácia výkonu, dosiahnutej hĺbky rezu h [mm] a finálnej drsnosti povrchu Ra [μm] podľa implicitne zapísanej funkcie yspi = f (vp, h, Ra). Za týmto účelom je v rámci uvedeného projektu taktiež navrhnutý adekvátny regulačný obvod a vybraný vhodný regulátor. Teoretické základy projektu sú pôvodným riešením spracované tak, že umožňujú matematickú predikciu a vytvorenie časopriestorového matematického modelu priebehu celého procesu pre ľubovoľný biomateriál.

Záver

Nové technológie sú neustále zavádzané aj do ortopedickej praxe s prísľubom lepšej zdravotnej starostlivosti o pacientov, ale často s obmedzenými informáciami. Nemocnice, zdravotné systémy a chirurgovia preto čelia potrebe vyhodnotiť relatívne výhody nových technológií a zvážiť možný prínos pre pacientov, či už z hľadiska zníženia finančných nákladov, ako aj  potenciálne nežiaducich klinických dôsledkov spojených s ich používaním. Základom tejto vedecko-výskumnej práce je upriamiť pozornosť na možnosti aplikácie technológie hydroabrazívneho delenia. Sú v nej uvedené výsledky bádania a možnosti aplikácie technológie hydroabrazívneho delenia s cieľom zodpovedného a rentabilného zavedenia tejto technológie do ortopedickej praxe.

Medzi prioritné výhody tejto technológie patrí absencia tepelného vplyvu na obrábaný materiál. Možnosti jej ďalšieho využitia však nekončia. Jednou z oblastí, v ktorej sa táto technológia zatiaľ málo využíva, je medicína. Táto etapa výskumu sa vykonáva v spolupráci s Fakultou výrobných technológií TU v Košiciach so sídlom v Prešove, Fakultou zdravotníckych odborov Prešovskej univerzity v Prešove, Fakultnou nemocnicou s poliklinikou J.A. Reimana v Prešove, Ústavom Geoniky Akademie věd České republiky v Ostrave a  s Fakultou výrobných technológií TU v Košiciach so sídlom v Prešove, Engineering Faculty in Slavonski Brod - Chorvátsko, Marmara University - Turecko. Vedecko výskumné aktivity boli financované v rámci výzvy: Podpora vědy a výskumu v Moravskoslezském kraji 2010 (RRC/03/2010) - dotační titul 1 a VEGA 1/0972/11.

TEXT/FOTO: Sergej Hloch, Fakulta výrobných technológií, TU, Prešov a kol.

Ďalší spoluautori: Dagmar Magurová a Jozef Živčák, Prešovská univerzita, Fakulta zdravotníckych odborov, Jan Valíček, Institut geoniky akademie věd České republiky, Ostrava, Ján Kľoc, Fakultná nemocnica s poliklinikou J. A. Reimana v Prešove, Dražan Kozak, J. J. Strossmayer university of Osijek Mechanical engineering faculty in Slavonski Brod.