Разработка автоматизированной системы подбора эндопротеза для тазобедренного сустава

Комплекс параметров для правильного выбора эндопротезов

Материалы, из которых изготавливаются эндопротезы для тотальной замены суставов, натуральные, биологические, максимально совместимые с организмом человека. Чаще всего это медицинские сплавы, полиэтилен и керамика. Эндопротезы бывают полностью металлические или комбинированные с керамикой или пролиэтиленом. Это определяет угол трения, который должен учитываться при выборе эндопротеза. Это зависит от степени тяжести заболевания, от площади поражения сустава, от возраста и индивидуальных особенностей пациента.
Самыми износостойкими являются металлические и керамические эндопротезы, хотя в ряде случаев требуется эндопротез с полиэтиленовым вкладышем.
Возраст пациента – один из важнейших факторов подбора эндопротеза тазобедренного сустав ...

Содержание
Введение…………………………………………………………………………..3
Глава 1. Аналитическая часть……………………………………………………5
1.1 Анатомические особенности и биомеханические
характеристики тазобедренного сустава………………………………………5
1.2 Конструктивные особенности и требования, предъявляемые
к эндопротезам тазобедренного сустава……………………………………….8
Выводы по 3 главе……………………………………………………………….22
Глава 2. Специальная часть…………………………………………………….23
2.1 Структурная схема БТС …………………………………………………….23
2.2 Комплекс параметров для правильного выбора эндопротезов…………..27
2.3 Выводы по 2 главе …………………………………………………………..30
Глава 3. Проектная часть ……………………………………………………….31
3.1 Выбор программного обеспечения для разработки
программы выбор эндопротеза…………………………………………………31
3.2 Алгоритма выбора эндопротеза……………………………………………33
3.3 Разработка программы в среде Access для выбора
эндопротеза по индивидуальным параметрам пациента……………………..34
3.4 Анализ работы программы…………………………………………………37
Выводы по главе 3……………………………………………………………….40
Заключение ………………………………………………………………………41
Список литературы………………………………………………………………42
Приложение ……………………………………………………………………...45

Введение

Современные медицинские организации производят и накапливают огромные объемы данных. От того, насколько эффективно эта информация используется врачами, руководителями, управляющими органами, зависит качество медицинской помощи, общий уровень жизни населения, уровень развития страны в целом и каждого ее территориального субъекта в частности.
Поэтому необходимость использования больших, и при этом еще постоянно растущих, объемов информации при решении диагностических, терапевтических, статистических, управленческих и других задач, обуславливает сегодня создание информационных систем в медицинских учреждениях.
Поражение тазобедренного сустава – причина выраженного болевого синдрома, значительного снижения качества жизни, существенного ограничения возможности передвижения, самообслу живания, утраты трудоспособности больных ревматическими заболеваниями.
Травматизм и заболевания опорно-двигательного аппарата занимают второе место среди причин временной нетрудоспособности населения и третье среди причин инвалидности и смертности населения. Болезни органов опоры и движения составляют 13,5% всех заболеваний, из них заболевания и повреждения тазобедренного сустава – 8,1% [1].
По официальным данным Министерства здравоохранения в России примерно 143 млн жителей, из них остеоартритом страдают около 2,2%. Эффективным методом лечения такой категории больных является эндопротезирование. Потребность в операции оценивается приблизительно в 100 000 в год, при этом в 2012 году было выполнено около 60 000 эндопротезирований крупных суставов [2].
По прогнозам Всемирной организации здравоохранения, количество подобных операций во всех странах будет неуклонно увеличиваться в силу старения населения планеты, распространённости остеопороза, увеличения уровня травматизма, доступности данного метода лечения для большого количества нуждающихся, улучшения раннего выявления и диагностики заболеваний опорно-двигательного аппарата.
Разработки эндопротезов ведутся по различным направлениям конструктивного исполнения элементов имплантата, способов фиксации, использования различных материалов, разнообразных видов обработки поверхности имплантатов, что позволяет оперирующим ортопедам выбирать из широкого спектра моделей продукцию, наиболее подходящую к индивидуальным особенностям конкретного пациента.
С применением эндопротезов стали появляться сообщения об осложнениях этого вида лечения. Основными из них являются нестабильность вертлужного и бедренного компонентов, переломы ножек протезов, повышенный износ полиэтилена в узле трения, возникновение дебриса, металлоза и другие.
Все это говорит о том, что тема выбора материала для имплантата и технологии его производства, обеспечивающих создание высокофункциональных эндопротезов актуальна.
До недавнего времени в российском здравоохранении почти полностью отсутствовали хоть какие-то признаки автоматизации. Карты, бюллетени, процедурные отчеты, учет пациентов, лекарственных препаратов – весь документооборот производился на бумаге. Это сказывалось на скорости, а следовательно, и качестве обслуживания пациентов, затрудняло работу врачебного, медицинского персонала, что вело к врачебным ошибкам, большим затратам времени на заполнение карт, составление отчетов. Это осложняло руководство ЛПУ (отсутствие контроля работы подразделений, недостаток оперативной, аналитической информации) и работу контролирующих органов.
Цель проекта – это создание ИС для поиска эндопротезов.

Рис. 1.9 - Форма ножек эндопротезов тазобедренного сустава: а – цилиндрическая бесцементной фиксации; б – плоская клиновидная цементной фиксации [1]Большинство фирм изготавливает ножки цементной фиксации в форме двух- или трехмерного клина с полированной поверхностью без выступающих элементов в виде воротника, рёбер и т.п. Клиновидная форма ножки способствует наиболее равномерной передаче нагрузки от имплантата на цементную мантию и костные структуры.Эндопротез тазобедренного сустава необходимо рассматривать как единую биотехническую систему. Установка эндопротеза может привести к тому, что из-за разных модулей упругости материала и кости на определенный участок кости действуют большие нагрузки и это вызывает гипертрофию нагружаемого участка. В то же время другой участок кости, который испытывает меньшие по сравнению с нормой нагрузки, атрофируется. Такая реакция костной ткани носит название stress- shielding и приводит к нестабильности имплантата [1].Следует отметить, что чем выше модуль упругости материала ножки, тем выше вероятность развития stress – shielding. С этой точки зрения титановые сплавы по сравнению со сталями и кобальтовыми сплавами наиболее предпочтительны для изготовления ножек эндопротезов. Титановые сплавы обладают более высокой механической совместимостью. Их модуль упругости (110 МПа) практически в 2 раза ниже, чем у стали (200 МПа) и кобальтовых сплавов (220 МПа). Некоторые ножки имеют воротник. В этом случае часть нагрузки передаётся на кортикальную кость посредством воротника, что более физиологично.Воротник способствует более стабильному положению ножки и способствует предотвращению развития stress-shielding. При бесцементной фиксации воротник необходим для создания покоя в костном ложе и обеспечения костного врастания в структурированную поверхность.Различают первичную механическую стабильность эндопротеза, достигаемую путём плотной посадки имплантата в костной ткани – фиксация по типу «Пресс-фит». Стабильным положение ножки будет тогда, когда её поверхность будет иметь плотный контакт с кортикальной костью, и чем больше площадь такого контакта, тем более стабильной будет имплантат. Вторичную стабильность – биологическую, обеспечивает врастание костной ткани в структурированную поверхность (шероховатость, сетка, шарики, плазменное напыление на поверхность металла, отверстия, углубления и др.) имплантата. Для создания такой поверхности ножки и чаши используются плазменное напыление, диффузионное спекание и другие методы.Из многочисленных экспериментальных исследований известно, что пористое покрытие должно отвечать определенным геометрическим требованиям. Открытые поры на поверхности должны иметь размер 100 – 500 мкм, а ножка должна быть покрыта на 30 – 70% поверхности. При использовании костного цемента для фиксации ножки эндопротеза добиваются его равномерного распределения вокруг имплантата. Нагрузки при этом передаются с ножки на костный цемент и далее на кость. Передача нагрузки происходит на всём протяжении, в связи с чем костная ткань равномерно воспринимает их как в проксимальной, так и в дистальной части диафиза [1].Существует три основных типа ножек эндопротезов цементной фиксации (рис. 1.10). Форма ножки определяет способ передачи функциональной нагрузки от имплантата на костные структуры. Рис. 1.10 – Типы ножек ЭПТБС цементной фиксацииПервый тип – ножка с воротником, которая плотно прилегает к опилу шейки и обеспечивает передачу нагрузки не только на цементную мантию, а также на кортикальную и спонгиозную кость [1]. Наиболее рациональная цель воротника - обеспечение лучшего перераспределения нагрузки на проксимальный отдел бедра и цементную мантию [5].Ножки второго типа имеют небольшой воротник. Передача нагрузки от которого осуществляется на цементную мантию.У ножек третьего типа отсутствует воротник, и они имеют клиновидную форму с полированной поверхностью. Примером такой ножки может быть эндопротез «СФЕН» разработанный в МАТИ. Ножка «СФЕН» выполнена в форме клина во фронтальной и сагиттальной плоскостях и имеет прямоугольную форму поперечного сечения со скругленной медиальной стороной. Поверхность полированная, коррозионно-, износостойкая, бактериостатическая. Использованы титановые сплавы Ti-6Al-4V (ИСО 5832-3), ВТ6, ВТ20 (ГОСТ 19807).Нагрузка от клина передается на цементную мантию, от цементной мантии на спонгиозную и на кортикальную кость. Отсутствие воротника позволяет полированной ножке немного оседать в цементной мантии, стимулируя таким образом положительное адаптивное ремоделирование кости [5].Ножки цементной фиксации, как правило, изготавливаются из нержавеющей стали или кобальтовых сплавов. Титановые сплавы имеют плохие триботехнические свойства и не работают в парах трения с костным цементом. Ножки, изготовленные из титановых сплавов, при работе в условиях трения о костный цемент подвергаются износу или фреттинг – коррозии. Износостойкость титановых ножек может быть повышена за счет специальных видов обработки.В последние годы в клинической практике используются ножки и чаши бесцементной фиксации с танталовой поверхностью. С помощью специальной технологии тантал наносится на поверхность имплантата, что увеличивает общую площадь контакта с костной тканью. Поры такого покрытия напоминают трабекулы, поэтому этот металл назвали трабекулярным [1]. Бедренные компоненты эндопротеза бесцементного крепления фиксируются за счёт плотного контакта ножки с эндостальными структурами бедренной кости. Наиболее оптимальной формой имплантата является форма максимально соответствующая индивидуальным анатомическим особенностям костномозгового канала бедренной кости и костного ложа [6].Ножки бывают геометрические, как правило, прямые и анатомические – изогнутые по форме костномозгового канала. Преимущество прямых ножек состоит в том, что их можно использовать как для правого, так и для левого сустава, а недостатком является сложность ориентации в канале, когда требуется установить шейку в положении антеверсии 15-20°. Изогнутые ножки заполняют бедренный канал в соответствие с его анатомическим строением и обеспечивают плотный контакт кости с имплантатом. Кроме того, в этих ножках учитывается антеверсия шейки. Существует правый и левый варианты изготовления анатомических ножек. При их применении отмечается меньше вывихов головки в положении наружной ротации бедра и исключается ротация ножки внутри канала. Известно, что поверхность металла в среде организма подвергается коррозии с выходом ионов в окружающие ткани. Ионы кобальта и хрома являются сильным аллергеном и обладают канцерогенными свойствами. С целью ограничения нежелательного контакта металла с костью, а также для улучшения биологической фиксации (костного врастания) на поверхность ножек наносится биоактивный материал - гидроксиапатит. Гидроксиапатит является сильным стимулятором синтеза костной ткани вокруг имплантата. Химическая связь между костью и гидроксиапатитом улучшает передачу компрессионных, дистракционных и торсионных нагрузок с имплантата на кость.Поскольку модуль упругости гидроксиапатита меньше, чем титана, а его связь с костью очень сильна, гидроксиапатит может скалываться с поверхности ножки, нарушая таким образом зону интеграции и ослабляя фиксацию ножки в целом. Кроме того, фрагменты покрытия могут мигрировать в узел трения и вызывать сильный износ полиэтилена. Таким образом, успех применения гидроксиапатита в качестве пористой структуры зависит от толщины слоя, химической чистоты гидроксиапатита и качества костной ткани.Наряду с гидроксиапатитом на ножки наносится резорбируемый биоактивный трикальций фосфат [1].Бесцементные вертлужные компоненты фиксируют в кости за счёт плотной посадки и создания press-fit-эффекта. Первичная механическая фиксация чаши достигается за счет того, что размер имплантата примерно на 3% превышает размер подготовленного костного ложа. Существует два типа фиксации чаш в вертлужной впадине: винтовая и устанавливаемые по типу press-fit. В первом случае чаша имеет вид усечённого конуса с резьбой высотой 2-3 мм и шагом резьбы 3-4 мм. Наличие резьбы обеспечивает прочную первичную фиксацию, а микроструктурированное покрытие – вторичную за счет остеоинтеграции. Второй тип имплантата, более распространённый, имеет форму полусферы с различными вариантами покрытия для врастания костной ткани. Некоторые модели имеют дополнительные элементы крепления в виде ребер, штифтов, различных выступов и т.д. Толщина пористого покрытия составляет 0,5-1,0 мм, а размер пор колеблется от 100 до 500 микрон. В качестве покрытия применяют металлические шарики, титановую проволоку, сетку, плазменное напыление и др. [6]. Для увеличения площади контакта кости с поверхностью чаши и ускорения остеоинтеграции чаши покрывают гидроксиапатитом. В настоящее время многие фирмы используют такие чаши для более надёжной вторичной биологической фиксации имплантатов. В последние годы появилось много данных об отслаивании пористого напыления чаш от металлической основы под действием циклической функциональной нагрузки. Отслаивающиеся частицы покрытия (титан, комохромовые шарики и гидроксиапатит), попадая в узел трения приводят к повышенному износу полиэтилена. Отечественная фирма «Имплант МТ» для исключения отслаивания напылённого слоя чистого титана от основы чаши из титанового сплава использует термоводородную обработку [1].Внутренняя сферическая поверхность чаш должна быть полированной. Шероховатость поверхности создает предпосылки для образования продуктов износа полиэтилена при его микроподвижности внутри чаши. А наружная наоборот, шероховатой для удержания чаши в ложе. Пористая поверхность способствует более лучшей остеоинтеграции. В чашах выполняют кольцевые и радиальные пазы для повышения осевой и ротационной стабильности.Чаши с конической внутренней поверхностью нашли наиболее широкое применение с вкладышами как из СВМПЭ, так и из керамики. Полиэтилен подвергается при изготовлении термической обработке ниже температуры плавления с целью сохранения перекрестных (cross-link) связей и содержит витамин Е для стабилизации свободных радикалов и предотвращения окислительных реакций. Продукты трения керамики практически нетоксичны, но керамика является хрупким материалом. Так, при падении, что может случиться с каждым пациентом, возможно раскалывание керамической детали эндопротеза. Образовавшиеся при этом осколки очень сложно удалить из тканей. В чашах, имеющих форму полусферы, устанавливают вкладыши только из полиэтилена, так как керамические невозможно зафиксировать.Чаши могут быть выполнены как с отверстиями для дополнительной фиксации винтами, так и без них. Однако наличие отверстий может иметь негативные последствия: продукты износа полиэтилена могут мигрировать в губчатую кость и привести к макрофагальному воспалению, появлению гранулём и развитию остеолиза. Поэтому в некоторых моделях чаш предусмотрена установка в отверстия заглушек [6]. Исходя из выше сказанного, можно сделать вывод о том, что при установке имплантата важно обеспечить первичную механическую фиксацию, т.е. покой в костном ложе, чтобы произошла вторичная биологическая фиксация эндопротеза за счет остеоинтеграции. Материал имплантата должен обладать хорошими триботехническими свойствами, быть биосовместимым, износостойким, коррозионостойким. Тип эндопротеза подбирается в зависимости от возраста пациента, анатомических особенностей строения сустава, массы тела, а также желания самого пациента. Оптимальной конструкцией эндопротезов бесцементной фиксации являются ножки из титановых сплавов. Для повышения остеоинтеграционного потенциала на поверхность чаш и ножек наносится гидроксиапатит. Выводы по 1 главеЭндопротезирование – это хирургическая операция, во время которой разрушенный первичным заболеванием или травмой сустав заменяется на качественный искусственный протез. Эндопротезирование – это едва ли не единственный способ вернуть подвижность конечности в случае обширного повреждения тазобедренного сустава. Эндопротез тазобедренного сустава наиболее часто устанавливают больным, страдающими дегенеративно-дистрофическими заболеваниями, которые наиболее остро проявляются у людей старшего возраста. Учитывая тот факт, что дегенеративно-дистрофические заболевания суставов стремительно молодеют, квоты на проведение операций по замене суставов с каждым годом увеличиваются.Стоит отметить, что основная сложность протезирования тазобедренного сустава заключается именно в возрасте пациентов. Все дело в том, что молодые люди легче переживают подобные операции, и процесс реабилитации у них значительно сокращается, так как организм имеет массу резервов для восстановления. Люди старшего возраста, которым данная операция показана намного чаще, переживают ее значительно тяжелее, так как процессы старения приводят к снижению способности организма к регенерации. Больным старшего возраста требуется длительный курс реабилитации.Глава 2. Специальная часть2.1 Структурная схема БТСБиотехнические системы (БТС) – сложные системы, включающие биологические и технические подсистемы, которые функционируют совместно для достижения общей цели. Элементами БТС могут быть различные биологические объекты – бактерии или дрожжи в системах микробиологического синтеза, биодатчики в системах контролирования или поддержания параметров среды обитания, человек, управляющий сложными техническими устройствами, и др. Для медицины наибольший интерес представляют системы человек – машина (СЧМ), иногда называемые БТС технической ориентации, или человеко-машинными комплексами, которые позволяют наилучшим способом согласовать и использовать возможности человека для управления техническими устройствами, а также системы медико-биологической ориентации (инженерно-физиологические системы), предназначенные для создания и поддержания определенных условий функционирования организма, отдельных физиологических систем или органов.По назначению системы человек – машина весьма разнообразны: управляющие, обслуживающие, обучающие, информационные, исследовательские, экспертные и др. Их разработка ведется с привлечением результатов медицинских исследований (антропометрических, физиологических, психофизиологических), что позволяет улучшить организацию рабочего места (выбор формы управляющего пульта, расположение на нем средств отображения информации и органов управления, устранение отвлекающей информации). По мере развития автоматизированных систем управления в организации рабочего места возникают новые проблемы, связанные с компьютеризацией и организацией программной поддержки различных элементов деятельности оператора. Переход к новым информационным технологиям во многих случаях переносит центр тяжести работы человека в СЧМ от простых действий к реализации функций управления более широкого плана. Это относится, в частности, к проблеме автоматизации рабочего места врача, где характер работы специалиста с информационными массивами определяется не только аппаратными и программными возможностями ЭВМ, но и психологическими особенностями человека. Изучение проблем создания СЧМ с учетом анатомических, физиологических, интеллектуальных и социально-психологических качеств оператора или группы операторов, рассматриваемых в качестве элемента БТС технической ориентации, является задачей инженерной психологии (эргономики).Инженерно-физиологические БТС подразделяют на системы, восстанавливающие функции целостного организма, и системы, поддерживающие жизнедеятельность отдельных систем и органов. Среди первых можно выделить системы коррекции информационных потоков (протезирование зрения, слуха); вспомогательные системы и системы управления естественными органами (пейсмекеры, электростимуляторы, вспомогательные системы дыхания и кровообращения, системы индивидуальной тепловой защиты); технические устройства и аппараты, заменяющие естественные органы и системы (биопротезы, искусственная почка и т.д.).Создание БТС помощи рецепторным системам связано с успехами микроэлектроники, позволяющими конструировать протезы сенсорных систем. Ранее попытки вернуть человеку утраченное зрение или слух были направлены на разработку технических средств, заменяющих функции неработающего анализатора другими, работающими нормально (например, путем перевода зрительных сигналов в тактильные ощущения). В последние годы были выполнены научные программы по восстановлению утраченных функций без перевода одной модальности сигналов в другую. Наибольший прогресс достигнут в области протезирования слуха – разработаны системы, вызывающие звуковые ощущения с помощью стимулирования окончаний слухового нерва фокусированным ультразвуком или электрическим током. Создание систем реабилитации двигательного аппарата и некоторых других функций с помощью технических средств визуализации информации ведется на принципах биологической обратной связи. Ускорение процесса восстановления нормальных двигательных или иных навыков после различного рода нарушений в нервно-мышечном аппарате осуществляется путем перевода сигналов управления в организме, отражаемых, например, миограммой, в зрительные образы, которые с помощью дисплея ЭВМ предъявляются больному. Пробуя разные способы управления движениями, пациент сравнивает получающиеся миограммы с идеальной и стремится ее воспроизвести. Это позволяет быстро найти и освоить наиболее удобные для конкретного человека способы управления мышцами. Системы типа биологической обратной связи используют и здоровые люди для скорейшей выработки двигательных или других навыков (например, спортсмены при отработке навыков выполнения сложных комплексов движений).Наибольшее распространение в медицине получили БТС, облегчающие функционирование естественных органов или стимулирующие их работу. К этому типу БТС кроме массажеров и систем электростимуляции органов относятся системы принудительной вентиляции легких, искусственного кровообращения, внепочечного очищения крови, а также системы жизнеобеспечения и средства индивидуальной защиты, используемые при работе человека в экстремальных условиях – под водой, в открытом космосе и т.п.Среди БТС, заменяющих естественные органы или утраченные функции, наиболее известны биоуправляемые аналоги органов движения, разрабатываемые с конца 50-х гг. 20 в., но они еще не вышли за рамки экспериментальных образцов. Искусственные внутренние органы представляют собой чаще всего системы типа насосов, доставляющие в организм необходимые для жизнедеятельности вещества (искусственное сердце, искусственная поджелудочная железа) или выводящие из организма продукты обмена.Главным направлением инженерной физиологии как научной дисциплины является анализ процессов взаимодействия физиологических систем организма с техническими устройствами и системами, т.е. анализ процессов обеспечения жизни в техносфере. Основными методами анализа являются математическое моделирование поведения систем организма при взаимодействии с техническим окружением и вычислительные эксперименты.Важной задачей разработки БТС является проблема согласования биологических объектов с техническими компонентами – выбор алгоритмов управления техническими средствами в соответствии с потребностями живых систем.Рис. 2.1 – Схема БТСПрогресс в конструировании и применении БТС биомедицинского направления обусловлен как достижениями биологии, физиологии и кибернетики в понимании сущности жизненных процессов, так и успехами микроэлектроники и компьютерной техники как средств использования накопленных знаний для медицинских целей.Проанализируем схему БТС.БТС разделена на две части: 1 часть Биологическая подсистема;2 часть Техническая или компьютерная подсистема.1 часть Биологическая подсистема: анализирует работу врача который обследует пациента, и дает указанию медсестре или медбрату по проведению дальнейшего курса лечения.