Використання комп’ютерних технологій при розробці імплантату хребців для заднього спондилодезу у грудному відділі хребта

Background. Surgery of the spine requires a regular re-interpretation of approaches to the selection of new materials used in surgical interventions. In case of vertebrectomy, mainly titanium implants are used, both for posterior spine fusion and for interbody fusion. Oncological control is performed not only by laboratory methods, but also by CT, MRI. Therefore, implants, in addition to the durability and biocompatibility characteristics, must meet the above requirements in MRI and CT study. The method of vertebrectomy “en blok” by Tomita allows the use of transpedicular fixation and interbody spinal alignment with posterior access. But according to the literature data, migration or prolongation of the titanium intercostal implant in adjacent vertebral bodies occurs in 9.5 % of cases. The purpose was to solve the problem of migration of an intercostal implant in thoracic vertebrectomy with posterior access using new structural solutions. Materials and methods. A model of the human pectoral pillar was created, which takes into account all the forces that they cause and places of application of these forces. The total number of photos of the spine of the 1st patient is 260, divided into 12 groups, each of which has an average of 35–40 photos. Particular attention was paid to the places of contact between the vertebrae and the transition of the vertebral body to its posterior part. Correct mutual arrangement of the vertebrae was provided by the imaging tomography, which were divided into groups according to the specific vertebrae. Results. The best adhesion of the implant to the surface of the adjacent vertebrae is provided by riveting. The connection of the carbon cylinder and rod was carried out with the help of a titanium rod of variable shape, such construction allowed provide the minimum stresses and evenly distribute them throughout the structure. In order to prevent the unscrewing of the nut, it is proposed to make a thread with a tension, which in the future concentrates the maximum stresses in this place, but is available not exceeding 10 % of the strength of the specified material. Application of such construction allowed minimize the use of titanium in these operations and partially replace it with CCC (carbon-carbon composite). For titanium alloys, used in the developed constructions, permissible load is at average 600 MPa, the highest voltage value is 163 MPa. The maximum operating voltages are 20.318 MPa for metal structures and 1.1288 MPa for HVC elements. Three kits of implants with minimum, average and maximum diameters and relative “dependent” sizes were crea-ted. Conclusions. The results of mathematical modeling demonstra-ted that it is possible and grounded to use carbon-based materials, namely CCC. This article presents a sample of the implant construction made from the specified material, as well as a design solution that allows solving the problem of fixing the implant in the spine, that makes it easier to perform the operation. Simulated technology for obtaining a component with the most complex design in the deve-loped assembly — the chapter “Endoprosthesis”.Актуальность. Хирургия позвоночника требует регулярного переосмысления подходов к выбору новых материалов, используемых при оперативных вмешательствах. При вертебрэктомиях позвоночника используются преимущественно титановые имплантаты как для заднего, так и для межтелового спондилодеза. Для онкоконтроля используются не только лабораторные методы обследования, но и КТ, МРТ. Поэтому имплантаты кроме характеристик прочности и биосовместимости должны соответствовать указанным требованиям при исследовании МРТ и КТ. Способ вертебр­эктомии «en blok» по Tomita позволяет использование транспедикулярной фиксации и межтелового спондилодеза из заднего доступа. Однако, по данным литературы, миграция или пролабирование титанового межтелового имплантата в смежные тела позвонков происходит в 9,5 % случаев. Цель. Решение проблемы миграции межтелового имплантата при вертебрэктомии грудного отдела из заднего доступа за счет новых конструкционных решений. Материалы и методы. Создана модель позвоночного столба человека, учитывающая все силы, которые мышцы вызывают, и места приложения этих сил. Общее количество снимков позвоночного столба одного пациента — 260, разнесенных в 12 групп, каждая из которых в среднем имеет 35–40 снимков. Особое внимание уделялось местам контакта между позвонками и перехода тела позвонка в его заднюю часть. Правильное взаимное расположение позвонков обеспечивалось по исходным кадрам томографии, которые были разбиты на группы по принадлежности к конкретному позвонку. Результаты. Наилучшее сцепление имплантата с поверхностью соседних позвонков обеспечивается за счет рифления. Соединение углеродного цилиндра и штанги осуществляется с помощью титанового стержня переменного профиля; такая конструкция позволила обеспечить минимальное напряжение и равномерно распределить его по всей конструкции. Для предотвращения раскручивания гайки предложено изготавливать резьбу с натяжением, что в дальнейшем концентрирует максимальное напряжение в этом месте, но доступно, не превышая 10 % от предела прочности для заданного материала. Применение данной конструкции позволило минимизировать использование титана в этих операциях и частично заменить его на углерод-углеродный композит (УУК). Для использованных сплавов титана в разработанной конструкции допустимые нагрузки в среднем σекв = 600 МПа, наибольшее значение напряжения составляет 163 МПа. Максимальное рабочее напряжение 20,318 МПа для металлических конструкций и 1,1288 МПа для элементов с УУК. Создано три комплекта имплантатов с минимальными, средними и максимальными значениями диаметра и соответствующими «зависимыми» размерами. Выводы. Исходя из результатов математического моделирования, возможно и оправданно использование материалов на основе углерода, а именно УУК. В нашей работе показан образец проектирования имплантата из указанного материала, а также конструкторское решение, позволяющее решить проблему фиксации имплантата в позвоночнике, что обусловливает упрощение проведения операции. Смоделированная технология получения детали с наисложнейшей конструкцией в разработанной сборке — деталь «эндопротез».Актуальність. Хірургія хребта потребує регулярного переосмислення підходів до вибору нових матеріалів, що використовуються при оперативних втручаннях. При вертебректоміях хребта використовуються переважно титанові імплантати як для заднього спондилодезу, так і для міжтілового. Для онкоконтролю використовуються не тільки лабораторні методи обстеження, але і КТ, МРТ. Тому імплантати окрім характеристик міцності та біосумісності повинні відповідати зазначеним вимогам при дослідженні МРТ та КТ. Спосіб вертебректомії «en blok» за Tomita дозволяє використання транспедикулярної фіксації та міжтілового спондилодезу із заднього доступу. Але, за даними літератури, міграція або пролабіювання титанового міжтілового імплантату у суміжні тіла хребців відбувається в 9,5 % випадків. Мета. Вирішення проблеми міграції міжтілового імплантату при вертебректомії грудного відділу із заднього доступу завдяки новим конструкційним рішенням. Матеріали та методи. Cтворена модель хребтового стовпа людини, в якій узяті до уваги всі сили, що м’язи викликають, і місця прикладання цих сил. Загальна кількість знімків хребтового стовпа одного пацієнта — 260, рознесених у 12 груп, кожна з яких має 35–40 знімків. Особлива увага приділялась місцям контакту між хребцями і переходу тіла хребця в його задню частину. Правильне взаємне розташування хребців забезпечувалося за вихідними кадрами томографії, які були розбиті на групи за приналежністю до конкретного хребця. Результати. Найкраще зчеплення імплантату з поверхнею сусідніх хребців забезпечується за допомогою рифлення. З’єднання вуглецевого циліндра і штанги здійснюється за допомогою титанового стрижня змінного профілю; така конструкція дозволила забезпечити мінімальне напруження і рівномірно розподілити його по всій конструкції. Для запобігання розкручуванню гайки запропоновано виготовляти різьбу з натягом, що у подальшому концентрує максимальне напруження в цьому місці, але є доступним, не перевищуючи 10 % від межі міцності для заданого матеріалу. Застосування такої конструкції дозволило максимально зменшити використання титану в цих операціях і частково замінити його на вуглець-вуглецевий композит (ВВК). Для використаних сплавів титану у розробленій конструкції допустимі навантаження в середньому σекв = 600 МПа, найбільше значення напруження становить 163 МПа. Максимальне робоче напруження дорівнює 20,318 МПа для металевих конструкцій та 1,1288 МПа для елементів із ВВК. Було створено три комплекти імплантатів із мінімальними, середніми та максимальними значеннями діаметра і відповідними «залежними» розмірами. Висновки. За результатами математичного моделювання, можливо і виправдано використання матеріалів на основі вуглецю, а саме ВВК. У нашій роботі показано зразок проектування імплантату зі вказаного матеріалу, а також конструкторське рішення, яке дозволяє вирішити проблему фіксації імплантату в хребті, що обумовлює спрощення проведення операції. Змодельована технологія отримання деталі з найскладнішою конструкцією в розробленій збірці — деталь «ендопротез»