Design and manufacturing of the human bone endoprothases using computer-aided systems

• Autorzy: Dietrich M. , Kędzior K. , Skalski K.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Basing on the results obtained previously, the authors present both research and application issues of modern computer-aided design and manufacturing of human bone replacements (endoprotheses). The first stage of the procedure consist in identifying the geometry (dimensions, shapes) and material (composition of the tissue, i.e. cortical and cancellous bone fractions) of the elements of human bone to be replaced with implants. For this purpose, the X-ray Computerized Tomography (CT) and Coordinate Measuring Machine (CMM) are used. In the second stage by means of a Computer-Aided Design (CAD) system, a geometrical model of the bone under consideration is constructed, representing both external and internal (marrow cavity) shapes and areas of cortical and cancellous bones. At this stage it is possible to change the shape of the endoprothesis to fit exactly the patient's anatomic features. Also, the strength can be estimated, using the Finite Element Method package included in the Computer -Aided Manufacturing (CAM) system, the technological process is designed and then the endoprothesis, e.g. using a Computer Numerical Controlled (CNC) machine is manufactured.

PL

Na podstawie wyników prac własnych przedstawiono zastosowanie współczesnych inżynierskich systemów komputerowych do wspomagania projektowania i wytwarzania endoprotez elementów kości człowieka. Pierwszy etap zintegrowanego procesu projektowo-wytwórczego obejmuje identyfikację własności geometrycznych (wymiary, kształt) i materiałów tych elementów kości człowieka, które na skutek choroby lub uszkodzenia mają być zastąpione implantowaną na ich miejsce endoprotezą. Stosuje się do tego rentgenowską tomografię komputerową (CT) i skomputeryzowane współrzędnościowe maszyny pomiarowe (CMM). W drugim etapie za pomocą systemu do komputerowo wspomaganego projektowania (CAD) tworzy się model geometryczny powierzchni zewnętrznej i wewnętrznej (jamy szpikowej) zidentyfikowanej w poprzednim etapie kości. Ten etap obejmuje także dobór typowej (spośród dostępnych na rynku implantów) lub zaprojektowanie indywidualnej, anatomicznie dopasowanej endoprotezy. Drugi przypadek dotyczy pacjentów o nietypowych, np. ze względu na zaawansowane zmiany chorobowe, własnościach geometrycznych kości. Następnym krokiem w tym etapie jest komputerowo wspomagana analiza inżynierska (CAE) układu kość-implant metodą elementów skończonych, której wyniki mogą doprowadzić do zmian w doborze typowego lub w konstrukcji indywidualnego implantu. System CAD umożliwia także symulację zabiegu chirurgicznego wszczepienia dobranej lub nowozaprojektowanej endoprotezy. Ułatwia to przeprowadzenie zabiegu wszczepienia i zmniejsza ryzyko powikłń pooperacyjnych. W trzecim etapie, za pomocą systemu komputerowo wspomaganego wytwarzania (CAM) projektuje się proces obróbki endoprotezy, a następnie steruje się jej wytwarzaniem na sterowanej numerycznie (cnc) obrabiarce.

Słowa kluczowe

EN

endoprothesis; computer aided design of implants; custom-design; geometrical modelling of bones

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 1999
• Tom: nr 3
• Strony: 481--503
• Opis fizyczny: Bibliogr. 41 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Dietrich M.

• Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, Warsaw University of Technology

autor

Kędzior K.

• Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, Warsaw University of Technology

autor

Skalski K.

• Institute of Mechanics and Design, Warsaw University of Technology

Bibliografia

• 1. BARRY P.J., BEATTY J.C., GOLDMAN R.N., 1992, Unimodal Properties of B-Spline and Bernstein - Basis Functions. CAD, 24, 12, 627-636.
• 2. BRZESKI P., ĆWIEK D., KĘDZIOR K., SKALSKI K., SMOLIK W., SZABATIN R., ŚWIĘSZKOWSKI W., 1998, Application of X-Ray Computer Tomography to Anthropometric Study of Elbow Joint Bones, Proc. 8th Int. IMEKO TC-1S Conf. on Measurement in Clinical Medicine, 1998, 10-10-10-13.
• 3. DELIGIANNI D.D, MARIS A., MISSIRLIS .F., 1994, Stress Relaxation Behaviour of Trabecular Bone Specimens, J. Biomechanics, 27, 1469-1476.
• 4. DIETRICH M., KĘDZIOR K., SKALSKI K., WERNER A., 1998, Modelowanie geometryczne kości i projektowanie endoprotez stawu biodrowego, Biology of Sport, 15, 217-220.
• 5. ELBER G., COHEN E., 1996, Toolpath Generation for Freeform Surface Models, CAD, 26, 6, 490-496.
• 6. FAGER R.S., PEDDANARAPPAGANI K.V., 1993, Pixel-Based Reconstruction (PBR) Promising simulations Techniques for CT Reconstruction, IEEE Trans, on Med.Imag., 12, 1, 4-9.
• 7. HARRIS L.D., 1993, Computed Tomography and Three-Dimensional Imaging. Biodynamic Research Unit, Rochester.
• 8. HUISKES R., 1988, Biomechanics and Artificial Joint Fixation, Raven Press Ltd., New York.
• 9. HUO M., 1993, Custom Design Femoral Prosthesis in Total Hip Arthoplasty Done with Cement for Severe Dysplasia of the Hip, Journal of Bone and Joint Surgery, 75-A, 10, 1497-1504.
• 10. KANG Y.K., PARK H.C., YOUM Y., LEE I.K., AHN M.H., IHN J.C., 1993, Three Dimensional Shape Reconstruction and Finite Element Analysis of Femur Before and After the Cementless Type of Total Hip Replacement, J. Biomed. Eng., 15, 497-504.
• 11. KEAVENY T.M., HAYES W.C., 1993, A 20-Year Perspective on the Mechanical Properties of Trabecular Bone, J. of Biomechanical Engineering, 115, 534-542.
• 12. KEYAK J.H., SKINNER H.B., 1992, Three-Dimensional Finite Element Modelling of Bone: Effects of Element Size, J. Biomed. Eng., 14, 483-489.
• 13. KĘDZIOR K., KRZESIŃSKI G., ZAGRAJEK T., 1995, 3D Finite Element Analysis of Orthopaedic Endoprosthesis, Proceedings of the 9-th World Congress on Machines and Mechanisms, Politécnico di Milano, 3, 2425-2449.
• 14. KNETS I., 1987, Viscoelastic Properties of Compact Bone Tissue, Lecture at the CISM Course on Bone Mechanics, Udine.
• 15. KRZESIŃSKI G., 1995, Mechanical Stimuli and Computational Modelling of Bone Functional Adaptation as an Optimisation Process, 9th World Congress on the Theory of Machine and Mechanisms, Milano, 2383-2386.
• 16. LECHNIAK Z., WERNER A., SKALSKI K., KĘDZIOR K., 1998, Methodology of the Off-Line Software Compensation for Errors in the Machining Process on the CNC Machine Tool, Journal of Materials Processing Technology, Elsevier, 76, 142-48.
• 17. LIN F., HEWITT W.T., 1994, Expressing Coons-Gordon surface as NURBS, CAD, 26, 2, 145-155.
• 18. MC DONALD W., TRUM C.B., HAMILTON S.G.L., 1989, Designing an Implant by CT Scanning and Solid Modelling, J. Bone Jt. Surg., 68B, 208-212.
• 19. NATALI A.N., MEROI E.A., 1989, A Review of the Biomechanical Properties of Bone as a Material, J. Biomech. Eng., 11, 266-274.
• 20. PFEIFER T., HEMDT A., 1990, Berechnung der Basiselemente und die Tasterkompensation in der Koordinatenmesstechnik, Techniksches Messen, 57, R.Oldenburg Verlag, 114-123.
• 21. PIEGL L., 1991, On NURBS - A Servey, IEEE Computer Graphics and Applications.
• 22. PISZCZATOWSKI S., SKALSKI K., SŁUGOCKI G., WAKULICZ A., 1998, Finite Element Method Formulation for the Interactions Between Various Elastic-Viscoelastic Structures in Biomechanical Model, Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2, Middleton J., Jones M.L., Pande G.N. (edit.), Gordon and Breach Science Publishers, 313-320.
• 23. PISZCZATOWSKI S., SKALSKI K., ŚWIĘSZKOWSKI W., 1998, Load Transfer Between Elastic Hip Implant and Viscoelastic Bone, Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2, Middleton J., Jones M.L., Pande G.N. (edit.), Gordon and Breach Science Publishers, 123-130.
• 24. PISZCZATOWSKI S., 1998, Analiza wpływu niejednorodności struktury, anizotropii i Teologicznych właściwości tkanki kostnej na konstrukcję endoprotez stawu biodrowego człowieka, Praca Doktorska, Politechnika Białostocka, Białystok.
• 25. RUBIN P.J., RAKOTOMANANA R.L., LEYYRAZ P.F., ZYSSET P.K., CURNIER A., HEEGAARD J.H., 1993, Frictional interface Micromotions and Anisotropic Stress Distribution in a Femoral Total Hip Component, J. Biomechanics, 24, 725-739.
• 26. SAITO Y., AZUMA H., TANETA H., IGARASHI H., NARUTOMI K., 1995, Solid Freeform Fabrication Based on 3-Dimensional Measuring and its System, 9th World Congress on the Theory of Machines and Mechanisms, Milano, Italy, 2392-2396.
• 27. SARKAR B., MENG CH., 1991, Parameter Optimization in Approximating Curves and Surfaces to Measurement Data, CAGD, 8, 267-290.
• 28. SASAKI N., NAKAYAMA Y., YOSHIKAWA M., ENYO A., 1993, Stress Relaxation Function of Bone and Bone Collagen, J. Biomechanics, 26, 1369-1376.
• 29. SKALSKI K., FILIPOWSKI R., ŚWIĘSZKOWSKI W., KĘDZIOR K., DĄBROWSKI A., ZAWORA J., 1998, Identification and Geometrical Modelling of Complex Shape Surfaces using CMM and CAD/CAM Systems, J. Materials Processing Technology, Elsevier, 76, 49-55.
• 30. SKALSKI K., KĘDZIOR K., FILIPOWSKI R., ŚWIĘSZKOWSKI W., ZAWORA J., 1998, Metodyka pomiaru elementów kości promieniowej stawu biodrowego człowieka za pomocą współrzędnościowych maszyn pomiarowych, Pol. Łódzka filia w Bielsku-Białej, Zeszyty Naukowe, 28, 44, 173-182.
• 31. SKALSKI K., KRZESIŃSKI G., PISZCZATOWSKI S., 1997, Numeryczne modele mechaniki endoprotez stawu biodrowego, Mater. X. Konf. Naukowa Biocybernetyki i Inżynieria Biomedyczna, Warszawa, 461-465.
• 32. STRONG A.B., LABREGOT S., ZONNEVELD F.W., 1990, Applications of Three Dimensional Display Techniques in Medical Imaging, J. Biomed. Eng., 12, 233-238.
• 33. ŚWIĘSZKOWSKI W., SKALSKI K., KĘDZIOR K., PISZCZATOWSKI S., 1998, Medical Imaging and Reconstruction Toolkit as a Mean for Designing Geometric Models of Human Joint Elements, Middleton J. et al. (edit.), Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Eng-2, Gordon and Breach Science Pub., 487-494.
• 34. ŚWIĘSZKOWSKI W., SKALSKI K., KĘDZIOR K., POMIANOWSKI S.., 1996, Identification of Geometric Parameters of Human Bone Elements using Coordinate Measuring Machine (CMM), Proceed, of the 9-th Int.Conf. on Mechanics in Medicine and Biology, Ljubljana, 553-556.
• 35. VAN RIETBERGEN B., HUISKES R., WEINANS H., SUMNER D.R., TURNER T.M., GALANTE J.O., 1993, The Mechanism of Bone Remodelling and Resorption Around Press-Fitted THA Stems, J. Biomechanics, 26, 369-382.
• 36. WEINAS H., HUISKES R., GROOTENBOER H.J., 1992, The Behaviour of Adaptive Bone Remodelling Simulation Models, J. Biomechanics, 25, 1425-1441.
• 37. WERNER A., LECHNIAK Z., SKALSKI K., KUKIEŁKO M., 1996, Technika wytwarzania endoprotezy stawu biodrowego na obrabiarce sterowanej numerycznie, Mater. XV Ogólnopol. Konf. Naukowo-Dydakt. Teoria Maszyn i Mechanizmów, BiaJystok-Białowieża, 522-530.
• 38. WERNER A., SKALSKI K., KĘDZIOR K., 1997, Application of Geometrical Modelling of Human Bones to Custom Design of Endoprosthesis, Proc. 2nd Int. Conf. of Mechnical Eng. Mechnics'97, Vilnius, 68-75.
• 39. WERNER A., SKALSKI K., PISZCZATOWSKI S., ŚWIĘSZKOWSKI W., LECHNIAK Z., 1998, Reverse Engineering of Free-Form Surfaces, J. of Materials Processing Tech., 76/1-3, 128-132.
• 40. WERNER A., 1998, Analiza wpływu metod opisu powierzchni przy projektowaniu dopasowanej endoprotezy stawu biodrowego, Praca Doktorska, Politechnika Białostocka, Białystok.
• 41.. WOOLSON S.T., DEV P., FELLINGHAM L., VASSILIADIS A., 1989, Three-Dimensional Imaging of Bone from Computerized Tomography, Clin. Orthop., 202, 239-248.