Végeselem-analízis

Egyénre szabott protézis

A végeselem-analízis előnye, hogy lehetővé teszi a különböző mechanikai szerkezetek tesztelését még a gyártás előtt. A módszer segítségével idejében kiküszöbölhetők a tervezési hibák, valamint jelentősen lerövidül az egyedi termék előállításának folyamata. Erre pedig az egészségügyben is nagy szükség van.

hirdetés

Egyre többször alkalmaznak végeselem-analízist mint vizsgálómódszert a személyre szabott orvoslás során. Segítségével meg lehet vizsgálni egy beépítésre tervezett alkatrész vagy szerkezet viselkedését úgy, hogy nem szükséges a valóságban a beteg testébe helyezni, ami idő- és munkahatékony lehetőség az orvosoknak is. Legyen szó egyszerű protézisről vagy akár bonyolult struktúráról, a szimuláció kiterjed egyrészt a mechanikai alkalmasságra, másrészt a geometriai összeférhetőségre is.

Külföldön ez a technológia sokkal előrébb jár az iparban és az orvostudományban is. Azok a precíz mérnöki módszerek, amelyekkel eddig csúcskategóriás járműveket hoztak létre, most már az orvosi fejlesztéseket is támogatják és segítik. Például a számítógép választ ad arra, hogy egy tetszőleges geometriájú protézishez a felhasználható anyagok közül melyik felel meg és melyik nem. Ehhez kapcsolódik, hogy ma már az orvostudományban is terjed a 3D-s nyomtatás, amellyel bármilyen – akár organikus – forma is kialakítható, mindenféle szabályszerűségtől mentesen.

Hazánkban vannak már olyan orvosi műhelyek, amelyek tanulva a külföldi sikerekből, fel tudtak nőni szaktudásban ehhez a technológiához, azonban az általános orvosi hétköznapokban ez még nem jelenik meg. Ahogyan maguk a problémák sem egyformák, nem mindegy, hogy vakbél vagy bélrák miatt műtenek valakit – vannak „futószalagon orvosolható” betegségek, és vannak, amelyek komoly, magas szintű technológiát, drága és bonyolult megoldási hátteret igényelnek.

A körültekintő választás

A CAD-Terv Kft. négy éve foglalkozik végeselem-szimulációval, 2014 óta működik együtt az Országos Gerincgyógyászati Központ szakembereivel, akik innovatív módon az országban az elsők között alkalmazták a megoldást gyógyításra. Jelenleg a végeselem-analízishez kétféleképpen férhet hozzá egy gyógyászati központ. Akik házon belül szeretnék és tudják üzemeltetni ezt a technológiát, azoknak a cég saját kapacitás felépítésében segít. Akik belső orvosi tudásukhoz külsős mérnöki tudást kapcsolnának, azokkal külsős szolgáltató partnerként működnek együtt. A felsőoktatási intézmények számára pedig jelképes összegért elérhető ez a szoftver és technológia, bízva abban, hogy ezzel nagyban segítik az elterjedését.

A módszertan valószínűleg a jövő orvoslásának nélkülözhetetlen eleme lesz, és már elérhető. A világszerte számos biomechanikai projektben alkalmazott Simulia-Abaqus szoftver például képes a teljes emberi testet 3D-s modellben megjeleníteni, olyan apró részletességgel, hogy akár tetőtől talpig végigsétálhatunk benne, vagy akár meg is nézhetjük a szív működését munka közben. Ez a felső kategóriás végeselem-szoftver olyan univerzális eszköz, amelyet világszerte elismernek a kutatás-fejlesztési projektekben betöltött szerepéért és a mérnöki munka egyéb területeinek támogatásáért is.

Térdizület
Térdizület

Amennyiben egy team végeselem-szimulációs megoldást keres, érdemes megtudni, hogy a világban hasonló projekthez milyen eszközt használnak. Ma már alapelvárás, hogy a megoldás felhasználóbarát legyen, valamint alkalmas például speciális anyagmodellek kezelésére, egyedi kontaktusmódok analízisére, kompatibilis legyen korszerű képalkotó eszközök adatkimeneteivel – ezek az orvostudományban mindennapi kihívások. Kompromisszumot kötni a technológia minőségében ilyen komplex kihívások világában nem mindig kifizetődő.

Egyre nagyobb szükség van a személyre szabott megoldásokra

Számos olyan határterület van a medicinában, amely a tudományos kérdések megválaszolásában interdiszciplináris megoldásokat igényel – az implantátumfejlesztés ilyen.

A művégtagok esetében a személyre szabott orvoslás már nem újdonság. Az amputációt követően a végtagcsonk és az ortézis/protézis illeszkedését (a kapcsolatot biztosító műanyag részt) már most is ilyen eljárással készítik – ennek alapja lehet egy gipszmintavétel, de akár 3D-s szkenneléssel is történhet, sőt komplexebb esetben a művégtagot úgy optimalizálják, hogy a beteg számára normális járásmintát biztosítsanak mozgáselemző rendszerek segítségével – tudtuk meg dr. Éltes Péter Endrétől, az Országos Gerincgyógyászati Központ orvosától.

Új generációs orvosi implantátumfejlesztés a BME-n

Magasabb fokú biokompatibilitást és gyorsabb gyógyulást lehetővé tevő implantátumok – ipari (Varinex Zrt.) és egyetemi összefogás keretében megvalósuló – gyártástechnológiájának fejlesztésére nyert támogatást a BME. A Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alap támogatásából 599 millió forintot fordíthat a projektre a Műegyetem, amely magában foglalja az adatgyűjtést és feldolgozást, a modellezést (CT-felvételek alapján), a virtuális gyártást, a tervek 3D-nyomtatását és az ellenőrző minták validálását. Emellett kutató-fejlesztő és gyártó technológiai mintarendszer, továbbá egy smart üzem kialakítása is cél, ahol rendszerszinten tárják fel a személyre szabott orvoslás lehetőségeit. A projekt különlegessége, hogy a tudományos feladatokban több műegyetemi kar és tanszék is részt vesz.
A műegyetemi kutatók újfajta gyártási technológiája jelenleg pórusos, rácsos belső szerkezetű, hártyaszerű lyukacsos peremfelületű, az emberi csontszerkezet merevségét, rugalmasságát, fajsúlyát, erő- és teherviselő képességét legjobban megközelítő, 3D-nyomtatással műanyag-, illetve fémporrétegekből felépített implantátumok megalkotását vetíti előre. A fémek mellett műanyag alapanyagokkal is kísérleteznek. A modellgyártáshoz a Gépjárműtechnológia Tanszék egyedülálló 3D-s lézersugaras direktolvasztó-berendezést vásárol. A prototípusok tulajdonságait az ún. gyors anyagösszetétel-vizsgáló spektrométerrel kísérik figyelemmel, a finomszerkezet-vizsgálatokat egy új elektronmikroszkóp segíti. A munkadarabok funkcionalitását és viselkedését végeselemes modellezés segítségével tanulmányozzák. A kutatók célja, hogy a protézisek a korábbinál hosszabb élettartammal rendelkezzenek, és az új eszközökkel a páciensek akár újabb operáció nélkül teljesebb életet élhessenek.

„A mozgásszervi sebészetben a nagyízületi totál endoprotézisek várható élettartama átlagosan 15 év, a várható élettartam növekedésével azonban ezt egyre több beteg túlhaladja. Ennek eredményeként az implantátumok előbb-utóbb kilazulnak, törések alakulhatnak ki körülöttük. Emiatt revíziós műtéti beavatkozásra kerülhet sor. Revíziós műtétek elvégzésekor már nem minden esetben használható az iparág által kínált standard megoldás, mivel az nem tudja teljes mértékben kielégíteni az adott eset kapcsán felmerülő specifikus igényeket. A gerincsebészetben főként sorozatgyártott termékeket alkalmazunk, ugyanakkor azt tapasztaljuk, hogy egyre többször van szükség egyénre szabott megoldásokra” – tette hozzá a szakember.

De nemcsak a bonyolult, daganatos megbetegedések vagy komplex veleszületett rendellenességek esetén van létjogosultsága a személyre szabott orvoslásnak. A módszer és elemei a standard termékek előállításán dolgozó mérnökcsoportok számára is fontosak. „A sorozatgyártott implantátumok továbbfejlesztésében – például újabb méretsorozatok kialakításához – is nagy segítség, csökkenti ugyanis a legyártandó prototípusok számát és a szükséges modellek tesztelését” – tette hozzá a szakember. „A végeselem-analízis részletes optimalizálásra nyújt lehetőséget, olyan kérdésekre adva meg a választ, mint például a fiatal, illetve a már csontritkulásban szenvedő páciensek számára készülő implantátumok esetén a különböző geometriai kialakítás (pl. menetkialakítás: mélység, szélesség stb.).

Sokkal hatékonyabb virtuális modelleken méréseket végezni, predikciókat felállítani, mint ha utólag derülne ki, a legyártott munkadarabon, rosszabb esetben a piacra került termék esetén, hogy nem megfelelő” – részletezte dr. Éltes Péter Endre.

Sztent
Sztent

Kijelenthetjük, hogy amikor az ipar által kínált standard megoldások nem kielégítőek, ott a személyre szabott megoldások nemcsak tudományos, hanem költséghatékonysági szempontból is előnyösebbek, mivel az ilyen jellegű műtétek drágák, ez a megoldás viszont a leghatékonyabban szolgálja a betegek gyógyulását.

Bár bonyolultnak tűnhet, ezek a folyamatok hatékonyan integrálódnak majd a klinikumba, egyrészről választ adva a sebész kérdéseire, másrészt elősegítve a beteg gyógyulását anélkül, hogy a gyakorló orvos elveszne a komplex informatikai, fizikai, mérnöki problémák mélységében. Ezen dolgoznak az Országos Gerincgyógyászati Központban. „Házon belül olyan infrastruktúrát és tudományos hátteret hozunk létre, amely az In Silico Biomechanikai Laboratóriumban koncentrálódik azzal a céllal, hogy támogassuk a sebészek munkáját komplex esetek megoldásában, legyen szó akár műtéti tervekről vagy a meglévő kezelési stratégiák kapcsán felmerülő tudományos kérdések megválaszolásáról. Az intézetben a különböző mérnöki területeket olvasztjuk a sebészi gondolkodásba, műtéti tervezésbe vagy adott esetben implantátumfejlesztésbe. A munkacsoportnak tagjai lesznek többek között a műszaki egyetemről, illetve az informatikai karról érkező szakemberek is. Azon dolgozunk, hogy megteremtsük mindazt a hátteret, amely lehetővé teszi a személyre szabott megoldások rutinszerű alkalmazását. Munkacsoportunknak már most nagyon komoly kapcsolatai vannak a Sheffieldi Egyetem In Silico Medicinával foglalkozó intézetével (https://insigneo.org/), ahonnan szakmai segítséget kapunk.

Átszabott orvoslás

A fejlett protézisgyártásnak számos pozitív hozadéka van a gyakorlatban. Míg az endoprotézis-beültetésekről az ortopéd traumatológus szakorvos dönt, addig a műtétet követően a rehabilitáció a kapott információk és utasítások – mikortól és mennyire terhelhető az adott mozgásszerv – alapján kezdi meg az egészség helyreállítását célzó munkát az izomerő és a teljes ízületi mozgáspálya visszaállítása mellett.

Dr. Fazekas Gábor, a Magyar Rehabilitációs Társaság elnöke úgy véli, a személyre szabott orvosláson belül megjelenő fejlett protézisgyártás révén a kompromisszumos megoldások egyre ritkábbak. Korántsem mindegy ugyanis, hogy milyen műtéti technikával, milyen protézist kapott egy beteg. „Minél hamarabb kezdődik meg a rehabilitáció, és minél jobban terhelhető a beteg, annál gyorsabb a felépülése. Ez nemcsak azért jó, mert hamarabb hazatérhet, hanem a szövődmények is kiküszöbölhetők – azaz nagy eséllyel előzhetők meg olyan komplikációk, mint a trombózis, a kórházi fertőzés vagy épp a tüdőgyulladás” – részletezte dr. Fazekas Gábor.

Térdprotézis
Térdprotézis
Bár a rehabilitáció nagyban függ a beépített protézis precízségétől, ugyanakkor a páciens általános állapota, kísérő betegségei, életkora, tanulási képességei, illetve az érintett mozgásszerv és az alkalmazandó segédeszköz – bot, mankó, járókeret – sem elhanyagolható tényező. „Abszolút egyéni, kinek hogyan zajlik a rehabilitációja. Olykor a legtökéletesebb protézis sem teszi lehetővé a gyors rehabilitációt például egy komoly kísérő betegség mellett” – tette hozzá a szakember.

„Azonban az vitathatatlan, hogy a rehabilitáció munkáját nagyban segíti az olyan protézis, amely stabilan tart és hamar terhelhető, a már említett szövődményeken túl a gyors mobilizálhatóság miatt. „Nem mindegy, hogy a beteg csak leérintheti a lábát, lábsúllyal vagy akár már teljes testtömeggel terhelhető, rövidebb idő alatt ugyanis jobb eredményeket érhetünk el, több idő jut a rehabilitációra – például a sík terep mellett már lépcsőzni is megtaníthatjuk az ellátás során.”

A Magyar Rehabilitációs Társaság elnöke szerint a fejlődő protézisgyártás és műtéti technikák révén egyre jobban lerövidül egy beteg tehermentesítést igénylő időszaka, a rehabilitáció így egyre hamarabb tudja megkezdeni a munkát, azaz a felépülésben is jobb eredmények érhetőek el.

„A tapasztalatom az, hogy az utóbbi években egyre hamarabb engedélyeznek nagyobb mértékű vagy akár teljes terhelést, mint régebben, jól végigkövethető a javulási tendencia. Természetesen, a rehabilitációs módszerek terén is születnek forradalmi újítások, amelyekről a Magyar Rehabilitációs Társaság fórumain rendszeresen szó esik, mindazonáltal a kórházakban a rendelkezésre álló fejlesztőeszközök és gyógytornászlétszám a finanszírozás bővítésével tovább javítható lenne” – zárta szavait dr. Fazekas Gábor.

Eddig a beteget igazították a protézishez

Az orvosi eszközök és gyógyászati kellékek gyártásában az ipari 3D-nyomtatás egyik jelentős területének, a fémnyomtatásnak van komoly szerepe, ezen belül a gyors prototípusokhoz és a kis térfogatú gyártáshoz alkalmazott szelektív lézerszinterezés bír a legnagyobb jelentőséggel.

„Az implantátumgyártást három kategóriába sorolhatjuk. A teljesen egyedi megoldásokat például baleseti műtétek során alkalmazzák. Egy koponyatörésnél a hiányzó csont pótlásához a speciális titánport rétegről rétegre kiszinterezik, és az így elkészült implantátumot építik be az idegsebészek.

A részben személyre szabott protézisek esetében az eszköznek csak egy részét igazítják a beteghez. Ilyen egyediesített implantátum például a térdprotézis, amelynek mindössze a combcsonthoz rögzítendő részét szabják a beteg CT-felvétele alapján személyre. A harmadik csoportba tartoznak a sorozatgyártott implantátumok, amelyeket több cég számos méretben is gyárt” – mondta Falk György, a Varinex Zrt. stratégiai igazgatója.

„A fémporos szinterező technológia emellett a speciális operációkhoz szükséges segédeszközök – például fogók – gyártásának egyik leghatékonyabb és költségkímélő módja. Az ilyen, betegségtípusonként egyedi eszközökből ugyanis mindössze pár darabra van csak szükség.”

Bár a fémporok közül a titán a legkorszerűbb megoldás, ugyanis komplikáció nélkül integrálódik az emberi szervezetbe, a műanyagok esetében is alkalmazzák ezt az eljárást poliamid modelleknél. „Lézerszinterezéssel állítanak elő például egy adott beteg CT-felvétele alapján olyan, koponyára illeszthető egyedi készülékeket, amelyeket különböző agyi műtétek során alkalmaznak a kockázatok csökkentése érdekében. De például térdprotézis beültetésékor az egyszer használatos, teljesen egyedi vágósablont is ilyen eljárással készítik” – tette hozzá a szakember.

(A cikk eredetileg a GyártásTrend magazin január-februári lapszámának MediTech mellékletében jelent meg.)

Sós Éva
a szerző cikkei

hirdetés
Ha hozzá kíván szólni, jelentkezzen be!
 
hirdetés
hirdetés
hirdetés
hirdetés