РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ЧРЕСКОЖНОГО ИМПЛАНТАТА НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ИНСТРУМЕНТОВ ТРИЗ

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ЧРЕСКОЖНОГО ИМПЛАНТАТА НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ИНСТРУМЕНТОВ ТРИЗ

Кашапова Регина Фильзатовна

студент Московского Политехнического университета,

 РФ, г. Москва

DEVELOPMENT OF A PERCUTANEOUS IMPLANT MODEL BASED ON THE USE OF TRIZ INSTRUMENTS

Regina Kashapova

student, Moscow Polytechnic University, Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрены преимущества и недостатки существующих конструкций имплантатов нижней конечности животных. На основе инструментов теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) предложены решения возникающих проблем в конструкциях, а также разработана модель чрескожного имплантата конечности с учетом предложенных решений.

ABSTRACT

This article discusses the advantages and disadvantages of existing designs of animal lower limb implants. On the basis of the tools of the theory of inventive problem solving (TRIZ), solutions to emerging problems in structures are proposed, and a model of a percutaneous limb implant is developed, taking into account the proposed solutions.

Ключевые слова: остеоинтеграция, чрескожный протез, нижняя конечность животного, костный канал, 3D-модель, ТРИЗ.

Keywords: osseointegration, percutaneous prosthesis, lower extremity of an animal, bone canal, 3D model, TRIZ.

На данный момент в сфере ветеринарии достаточно частым случаем является ампутация конечностей у животных. Причиной для проведения данной операции могут служить совершенно непредвиденные ситуации [1].

С развитием новых технологий стали развиваться новые методы лечения. Альтернативой полной ампутации нижних конечностей животных на сегодняшний день являются артродезирование и чрескожное протезирования. Внутрикостные имплантаты конечностей позволяют передать внешние нагрузки от протеза непосредственно в кость, положительно влияя на тонус мышц [2]. Однако у существующих имплантатов есть свои недостатки и преимущества в конструкциях.

Целью данной работы является создание модели ортопедических имплантов для животных с применением инструментов ТРИЗ. А для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Рассмотреть существующие патенты имплантатов;
2. Выявить корневые проблемы с помощью причинно-следственного анализа и решить их;
3. Смоделировать чрескожный имплантат нижней конечности животного.

Информации по чрескожному протезированию в интернете относительно мало, в связи с этим было принято решение провести патентный и исследовательский поиск конструкций протезов в ветеринарной области. Поиск осуществлялся на базе «Google Patents», «Patentscope», «Patentlnspration», «Hi-New», «eLIBRARY», «Medlinks» по следующим критериям: «остеоинтеграция», «прикрепление к скелету», «вживление в кость/конечность», «протезы трубчатых/губчатых костей», «внутрикостный/ чрескожный имплантат», «кастомизированная модель протеза», «имплант культи». Поиск производился как по полезным моделям и исследованиям, так и по изобретениям в области ветеринарии. Из всего числа найденных патентов и статьей учитывались только те, которые описывали принцип работы конструкции протезов, а также были применены в клинической практике. Этот пункт является важным, потому что для анализа существующих конструкций, необходимо подтверждение эффективности их применения.

Имплантат культи разработан в 2015 году [3], патент, закрепляющий способ имплантации остеинтегрируемого протеза [4], интеллектуальная собственность на чрескожный протез [5], исследования по интеграции протеза «SBIP» [6] имеют общие основные проблемы: не надежное крепление, наличие в конструкции полости для облегчения конструкции, вызывающей инфицирование и отторжение в 50% случаев, отсутствие пористости как основы для остеоинтеграции, проблема с ранней нагрузкой.

Методы ТРИЗ

Для понимания почему появляются нежелательные последствия в процессе остеоинтеграции внутрикостного стержня в кость, следует обратиться к такому инструменту теории решения изобретательских задача, как причинно- следственный анализ.

На рисунке 1 показана диаграмма анализа исходных проблем и найденные решения.

Рисунок 1. Причинно–следственный анализ

Истинными причинами плохой остеоинтеграции протеза служат следующие конструкционные характеристики:

• отсутствие надежного крепления;
• наличие шероховатой или резьбовой поверхности;
• отсутствие пористости.

В ходе анализа найдены несколько решений:

• создание крепления для сохранения положения внутрикостного имплантата;
• разработка пористой поверхности;
• создание гладкой поверхности интрамедуллярного и крепежного фланца. Данное противоречие будет рассматриваться в следующих работах.

Необходимо рассмотреть данные ситуации с помощью программного комплекса «Compinno-TRIZ» (Компас инноваций   на   основе   инструментов   ТРИЗ).

Программа предлагает описать проблему для рассмотрения решения. Представленное ранее описание проблемы звучит следующим образом: чрескожный протез, находящийся в костном канале, под действием сильных вертикальных и осевых нагрузок не сохраняет свое положение, деформируя костную ткань изнутри. В итоге внутрикостный стержень продавливается или выпадает из костного канала.

Исходя из решения ПСА следует предусмотреть крепление интрамедуллярного штифта к кости или надкостнице.

Далее программный комплекс «Compinno-Triz» предлагает следующую формулировку противоречия требований: «если увеличить площадь контакта поверхности штифта с костью, то выполняется требование распределение нагрузки, но не выполняется требование отсутствия продавливания или выпадения штифта из костного канала».

Идеальным конечным результатом данной задачи является то, что штифт при вертикальных и осевых нагрузках, воздействующих на него, сохранит свое положение в костном канале.

Ресурсный идеально-конечный результат звучит следующим образом: X-ресурс (из ресурсов системы) на месте элемента внутрикостный штифт, сохраняя его требование «распределение нагрузки», должен сам в течение оперативного времени в пределах оперативной зоны обеспечивать возможность выполнять требование «отсутствие продавливания/выпадения/деформация».

Программа предложила следующие приемы для решения поставленной задачи из матрицы Альтшуллера:

01. Принцип дробления;

07. Принцип матрешки;

26. Принцип копирования.

Имея представление о каждом приеме матрицы, выбрано несколько решений:

Один из принципов дробления заключается в разделении объекта на независимые части. Необходимо предусмотреть разделение крепежного элемента и штифта, то есть вынести крепежный элемент выше области расположения штифта. Так крепежный фланец будет прикрепляться через надкостницу к кости, выше интрамедуллярного стержня, с помощью с помощью винтов. Такой способ крепления не повлияет на прочность самого штифта, как в одном из рассмотренных патентов, а также устранит его выпадение из костного канала.

Принцип копирования можно применить следующим образом: заменить объект другим объектом (его копией), который будет частично выполнять его действие. Крепежный элемент можно заменить пластиной, которая будет крепиться винтами на внешней стороне кости. Небольшая толщина крепежного штифта не повлияет на естественные ощущения передвижения животного, придаст прочность протезу. Также часть функции интрамедуллярного штифта перейдут к пластине.

Принцип матрешки заключается в размещении одного объекта внутри другого, который, в свою очередь, находится внутри третьего и так далее. Также один объект может проходить сквозь полость в другом объекте. Таким образом, можно рассмотреть аналогию с зубными имплантатами. Интрамедуллярный штифт с внутренней полостью вставляется в костный канал. В качестве абатмента выступает крепежный штифт с артодезной пластиной, который вкручивается в стержень. На него надевается экзопротез.

Результат моделирования

В процессе работы в специализированной программе «Materialise Magics» совмещены изображения КТ грудной конечности, с обозначение осей, выявлены показатели по внешнему диаметру кости и интрамедуллярного канала, определены диапазонные значения глубины штифта. Оптимальный диапазон размеров пор равен от 400 мкм до 800 мкм. На рисунке 2 представлена модель чрескожного остеоинтегрирующего протеза. В ней предусмотрены решения, наеденные с помощью инструментов ТРИЗ.

Рисунок 2. Остеоинтегрирующий чрескожный протез

В программе продемонстрирована интеграция протеза в лучевую кость нижней конечности кошки, показанная на рисунке 3. Материалом для имплантата служит титановый сплав «Ti6Al4V» (Ti-64).

Рисунок 3. Остеоинтегрирующий чрескожный протез в кости

Исследования показали, что имплантаты из пористого титанового сплава обладают хорошей способностью к прорастанию костной ткани, поддерживают рост костных клеток человека и образуют прочный соединение имплантатами и костями [49]. Представленный чрескожный протез имеет надежное крепление к кости.

Выводы

В результате работы с помощью инструментов ТРИЗ разработана модель ортопедического имплантата. После формирования новой конструкции предстоит провести испытания сначала на лабораторных животных, а затем и в ветеринарных клиниках. Оценить результат работы возможно после завершения исследования продолжительностью полгода.

Список литературы:

1. Барсегян Л.С. Протезирование дистального сегмента конечности [Электронный ресурс]. – Режим доступа: [https://vetproff.ru/protezirovanie-distalnogo-segmenta-konechnosti; дата обращения: 20.03.2021] –  Загл. с экрана.
2. Протезы для животных, зачем они нужны? [Электронный ресурс]: 2013. – Режим доступа: [http://Помощь животным. Животные-инвалиды – LiveJournal; дата обращения: 20.03.2021] –  Загл. с экрана.
3. Пат. 152558. Россия. МПК A61F 2/28. Имплантат культи трубчатой кости / Кузнецов Виктор Павлович, Губин Александр Вадимович, Корюков Александр Анатольевич, Горгоц Владимир Георгиевич - №2014142216/14, заявл. 20.10.2014; опубл. 10.06.2015 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: [https://yandex.ru/patents/doc/RU152558U1_ 20150610; дата обращения:  05.04.2021] –  Загл. с экрана.
4. Пат. 2018132211. Россия. МПК A61F 2/28. Способ имплантации остеинтегрируемого протеза / Горшков Сергей Сергеевич, Уланова Наталья Владимировна – № 2695623, заявл. 10.09.2018; опубл. 24.07.2019 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: [https://yandex.ru/patents/doc/RU2695623C1_ 20190724; дата обращения: 10.04.2021] –  Загл. с экрана.
5. Пат. 2003101908/14. GB. Чрескожный протез / Бланн Гордон, Кобб Джастин, Гудшип Аллен, Анвин Пол – № 2288673, заявл. 22.06.2001, опубл. 10.12.2006 [Электронный ресурс] . – Режим доступа: [https://yandex.ru/patents/doc/RU2288673C2_20061210; дата обращения: 10.04.2021] –  Загл. с экрана.
6. Recent Progress in Animal Studies of the Skin- and Bone-integrated Pylon With Deep Porosity for Bone-Anchored Limb Prosthetics With and Without Neural Interface  / Mark Pitkin  [и др.] / [Электронный ресурс]: PubMed.gov,  2021 Jan 25; 186(Suppl 1):688-695. doi: 10.1093/milmed/usaa445. – Режим доступа: [https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33499499/; дата обращения: 10.04.2021] –  Загл. с экрана.