Marcin POTOCZNY, Bolesław ZACHARA Zakład Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn

1. Marcin POTOCZNY, Bolesław ZACHARA Zakład Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie KONCEPCJA SYMULATORA PRACY DO BADAŃ ENDOPROTEZ STAWU KOLANOWEGO Urazy narządu ruchu, a głównie stawów, wiążą się z ograniczeniem lub zablokowaniem możliwości normalnego funkcjonowania człowieka. Próby rozwiązania tak zaistniałych zaburzeń doprowadziły do zastąpienia uszkodzonych struktur stawowych sztucznymi protezami wewnętrznymi (endoprotezami). Z czasem protezy te konstruowano w oparciu o coraz rozleglejszą wiedzę, przez co stawały się bardziej doskonałe. Ze względu na specyficzne warunki pracy w stawie stale istnieje potrzeba szczegółowej weryfikacji endoprotez, dlatego równolegle z powstawaniem endoprotez, prowadzone są prace nad urządzeniami umożliwiającymi ich weryfikację. Celem jaki postawili sobie autorzy jest zaprezentowanie powstałej niedawno koncepcji urządzenia umożliwiającego badanie endoprotez stawu kolanowego, która opracowana została w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

2. Marcin POTOCZNY, Bolesław ZACHARA Zakład Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie KONCEPCJA SYMULATORA PRACY DO BADAŃ ENDOPROTEZ STAWU KOLANOWEGO Staw kolanowy (Rys.1) jest jednym z najczęściej podlegającymi uszkodzeniom urazowym, i zwyrodnieniowym stawów, co ściśle wiąże się z obciążeniami na jakie jest narażony (Rys.2). Rys.2. Siły reakcji występujące w poszczególnych stawach podczas chodzenia Rys.1. Staw kolanowy w widoku od boku, bez uwidocznienia torebki maziowej

3. Marcin POTOCZNY, Bolesław ZACHARA Zakład Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie KONCEPCJA SYMULATORA PRACY DO BADAŃ ENDOPROTEZ STAWU KOLANOWEGO Klasyfikacja endoprotez stawu kolanowego

4. Marcin POTOCZNY, Bolesław ZACHARA Zakład Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie KONCEPCJA SYMULATORA PRACY DO BADAŃ ENDOPROTEZ STAWU KOLANOWEGO Funkcjonalność endoprotez opiera się ciągle o ten sam model wymiany zniszczonych struktur stawowych (Rys.3), a dzisiejsze rozwiązania (Rys.4.) przewidują niemal w pełni anatomiczny ruch węzła stawowego. Rys.3. Model wymiany uszkodzonej powierzchni stawowej Rys.4. Endoproteza niezwiązana

5. Marcin POTOCZNY, Bolesław ZACHARA Zakład Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie KONCEPCJA SYMULATORA PRACY DO BADAŃ ENDOPROTEZ STAWU KOLANOWEGO Aby endoprotezy mogły spełniać swoją funkcję, muszą być wytwarzane z materiałów spełniających szereg kryteriów: biotolerancja, brak toksyczności, odporność korozyjna, odpowiedni stan powierzchni, odpowiednie własności mechaniczne, magnetyczne i elektryczne Rys.5. Klasyfikacja stosowanych biomateriałów

6. Marcin POTOCZNY, Bolesław ZACHARA Zakład Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie KONCEPCJA SYMULATORA PRACY DO BADAŃ ENDOPROTEZ STAWU KOLANOWEGO Rys.6. Wartości modułu sprężystości różnych stopów stosowanych w alloplastyce

7. Marcin POTOCZNY, Bolesław ZACHARA Zakład Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie KONCEPCJA SYMULATORA PRACY DO BADAŃ ENDOPROTEZ STAWU KOLANOWEGO Rys.7. Stanowisko do badań endoprotez kolanowych zbudowane w Politechnice Częstochowskiej

8. Marcin POTOCZNY, Bolesław ZACHARA Zakład Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie KONCEPCJA SYMULATORA PRACY DO BADAŃ ENDOPROTEZ STAWU KOLANOWEGO Założenia konstrukcyjne 1. Realizacja ruchów zginania węzła kolanowego w zakresie 0°67° (zakres przy normalnym chodzeniu) oraz możliwość rozszerzenia tego zakresu do 0°93° (zakres przy chodzeniu po schodach i siadaniu). 2. Realizacja obciążeń węzła kolanowego w zakresie 02 kN (zakres obciążeń kolana podczas chodzenia, dla człowieka o wadze 100 kg). 3. Synchronizacja obciążeń węzła kolanowego z odpowiednim stopniem jego zgięcia. 4. Możliwość badania węzła przy dociążeniu jednego kłykcia (obciążenia skośne). 5. Możliwość badania endoprotez związanych i niezwiązanych. 6. Nieskomplikowana wymiana komponentów badanych endoprotez. 7. Praca w otoczeniu cieczy fizjologicznej (Ringera). 8. Zapewnienie temperatury cieczy fizjologicznej na poziomie 37°C. 9. Wymiary urządzenia umożliwiające zamontowanie również endoprotez o długich trzpieniach mocujących.

9. Marcin POTOCZNY, Bolesław ZACHARA Zakład Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie KONCEPCJA SYMULATORA PRACY DO BADAŃ ENDOPROTEZ STAWU KOLANOWEGO Rys.8. Schemat ideowy urządzenia 1 - siłownik obciążający 2 - rama obciążająca 3 - kołyska umożliwiająca ruch zginania 4 - samonastawny uchwyt komponentu piszczelowego 5 - uchwyt komponentu udowego 6 - uchwyt komponentu udowego przy ustawieniu kątowym (dociążenie jednego kłykcia) 7- uchwyt komponentu udowego przy wychyleniu kołyski (zgięcie stawu kolanowego) 8 - siłownik wymuszający ruch zginania 9 - pojemnik na ciecz fizjologiczną (z instalacją podgrzewającą) 10 - mechanizm regulujący ustawienie kątowe komponentu udowego (dociążenia jednego kłykcia endoprotezy)

10. Marcin POTOCZNY, Bolesław ZACHARA Zakład Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie KONCEPCJA SYMULATORA PRACY DO BADAŃ ENDOPROTEZ STAWU KOLANOWEGO Rys.9. Struktura pomiarowo – sterująca podstawowych elementów symulatora

12. Marcin POTOCZNY, Bolesław ZACHARA Zakład Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie KONCEPCJA SYMULATORA PRACY DO BADAŃ ENDOPROTEZ STAWU KOLANOWEGO Istotnym zjawiskiem, jakiego nie można pominąć przy rozważaniu zagadnień symulatora ruchu, jest dynamika układu ruchowego człowieka (Rys.11). Obecnie przedstawiona koncepcja symulatora jest przedmiotem prac nad wprowadzeniem do układu obciążającego staw endoprotezy, zmiennych sił odpowiadających drganiom, które występują w naturalnym stawie. Rys.11.Dynamiczny model człowieka

13. Marcin POTOCZNY, Bolesław ZACHARA Zakład Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie KONCEPCJA SYMULATORA PRACY DO BADAŃ ENDOPROTEZ STAWU KOLANOWEGO • Wnioski • Symulator w opracowanej koncepcji, przy realizacji odpowiednich obciążeń i ruchów węzła stawowego, zapewnia duży uniwersalizm weryfikacji endoprotez związanych i niezwiązanych stawu kolanowego. • Rozwiązanie to umożliwia prowadzenie badań zużycia tribologicznego i zmęczeniowego, odporności na korozję w otoczeniu cieczy fizjologicznej oraz współpracy komponentów endoprotezy, przy równomiernym obciążeniu węzła stawowego lub dociążeniu jednego z kłykci endoprotezy. • Docelowo urządzenie umożliwiać będzie również symulację drgań występujących w stawie kolanowym i badanie zachowania pod ich wpływem endoprotez tego stawu.