Návrh ortopedické pomůcky pomocí CAD/CAM

Návrh a výroba pomocí CA.. technologií proniká snad do každého odvětví činnosti spojené s výrobou produktu v oboru strojírenství. Technologie zpětného inženýrství, tj. získání tvaru na základě skutečného objektu, jsou implementovány v každém větším CAD systému. Právě tyto možnosti nám umožňují přiblížit se co nejblíže požadavkům a potřebám zákazníka. Jedním ze specifických odvětví je protetika v oblasti medicíny.

V oblasti medicíny se mnoho pomůcek a náhrad vyrábí přímo na míru pacienta. Jedná se převážně o protetické pomůcky, endoprotézy a mnoho jiných pomůcek či implantátů. Malou ukázkou implementace použití zpětného inženýrství při návrhu tvaru vložky formy do bot bude tématem následujícího článku. Téma práce byla tématem středoškolské studentské odborné činnosti a šlo o návrh tvaru a způsobu výroby ortopedické vložky do bot z termoplastu.

Účel využití ortopedických vložek do konfekční obuvi je různorodý. Používají se jako vložky tepelně-izolační, eliminující pot, k vyrovnání rozdílu v délce končetin, ale i jako antistresové na odpružování mikronárazů při chůzi, na oporu, odpružení a odlehčení nohy při sportovních aktivitách nebo jako ortopedické s cíleným působením na více či méně deformovanou část chodidla.

Ortopedické vložky slouží ke korekci a léčbě vadného postavení nožního skeletu, které je způsobeno všeobecným oslabením svalstva, přetížením skeletu nebo případnými deformacemi [1].

Trocha teorie z anatomie chodidla

Chodidlo je anatomická část dolní končetiny, na níž spočívá celá tíha těla a její funkce má přímý vliv na stoj, pohyb člověka a tím na celý pohybový systém. Chodidlo vykonává pohyb ve třech základních osách prostoru: x, y, z (obr. 1).

Základní roviny chodidla jsou:

• frontální rovina,
• předozadní rovina,
• transverzální rovina.

Chodidla jsou vzhledem k velkému množství nervových zakončení extrémně citlivá na dotek. Chodidlo dospělého člověka má vyvinutou klenbu. Tvar této klenby může být z různých vrozených i získaných příčin poškozen. Pokud jsou funkce nohy nebo její anatomický vývoj poškozené a operací, rehabilitací ani jinou formou nelze vrátit noze plnou schopnost, nastupuje kalceotika. Jejím úkolem je chybu kompenzovat, zbavit pacienta problémů, ale často také zakrýt kosmetický defekt [1].

Základními funkcemi chodidla jsou:

• statická funkce (opora vzpřímeného těla),
• dynamická funkce (chůze, běh, tlumení nárazů),
• adaptační funkce (přizpůsobení nohy k povrchu podložky).

Obr. 1 Základní roviny a osy chodidla [1]

Místa rozkládání působícího tlaku

Hmotnost těla se přenáší prostřednictvím hlezenního kloubu na nohu, kde se rozkládá do tří míst v oblasti kontaktu s podložkou, které jsou znázorněny na obr. 2.

Místa rozložení tlaku jsou:

1. pata
2. hlavička I. metatarzu
3. hlavička V. metatarzu

Způsob měření působení tlaku na chodidlo

Váha těla, která je známá, se rozloží na ploše chodidla stojícího na skle. Tento tlak není rovnoměrný. Počítač zhotoví barevnou mapu rozložení tlaků chodidla na podložku (obr. 4 – vlevo). Hodnoty tlaků jsou přímo úměrné sytosti barev.

Směr dráhy síly zdravého chodidla

Střed paty – vnější strana nohy – metatarzální hlavičky. V těchto místech se vektor síly stáčí směrem dovnitř. Přibližně 75 % síly pochází z I. a 25 % z V. metatarzální hlavičky. V těchto bodech se chodidlo odráží od terénu. Směr dráhy síly u zdravého chodidla je znázorněn na obr. 4 – střed.

Směr dráhy síly poškozeného chodidla

Na tlakovém snímku obr. 4 – vpravo vidíme různé druhy chorobných změn na chodidle, které mění směr silové dráhy. Vznikají v důsledku narušené statiky chodidla. V případě propadlého kotníku nebo ploché nohy se dráha síly posouvá k vnitřní straně chodidla. U pokleslé příčné klenby se dráha nestáčí směrem k palci, ale k druhému prstu [2].

Statika chodidla

Chyby chodidel jsou zapříčiněny především narušením statiky. Většina běžných problémů chodidel vzniká při ochabnutí některé z kleneb, z důvodu velkého zatížení, oslabení vazů, nadváhy, nesprávné životosprávy apod. Z tohoto důvodu se vazy udržující klenbu prodlouží, klenba klesá a směr rozložení sil se změní (obr. 5).

Dynamika chodidla

Hlavním cílem v oblasti dynamiky je usměrnit dráhy sil správným směrem (obr. 5), které vrátí klenbu do původní pozice. Tuto korekci lze dosáhnout korekčním klínem ortopedické vložky a její správným tvarem (obr. 6).

Přenos tělesné hmotnosti

• tělesná hmotnost je přenášena kotníkovými klouby na kotníkovou kost a odtud dále podle stavby nohy na patní kost a přední část nohy,
• měkké tkáně chodidla působí jako viskózní elastický nárazník a přenášejí bodové tlaky hmotnosti těla na větší kontaktní plochy,
• zatížení přední části nohy je menší než zatížení paty,
• plošný tlak pod plochou paty je v rozmezí 11 ~ 40 N/cm²,
• plošný tlak pod hlavičkami metatarzů je v rozmezí 5 ~ 15 N/cm².

Plocha paty se při zatížení sníží až o polovinu a současně se rozšíří, čímž se zmenšuje výsledný tlak. Přizpůsobení chodidla k povrchu vysvětluje vysokou odolnost vůči jednotkovému zatížení, které je na noze bez problémů tolerováno. Při zatížení nohy pružnost klenby prodlužuje chodidlo až o 1,5 cm. Při pomalé chůzi se všechny síly zmenšují, při rychlé narůstají. Při běhu se vertikální síla zvětšuje na dvoj- až trojnásobek tělesné hmotnosti [1].

Rozdělení ortopedických vložek

Rozdělení ortopedických vložek dle účinku na uživatele:

1. Aktivní vložky: nutí svalstvo nohy a holeně k činnosti, která kladně ovlivní chybu provokováním činnosti ochablých svalů.
2. Pasívní vložky: napravují stávající onemocnění a nahrazují práci svalů.

Podle materiálu, ze kterého jsou vložky vyrobeny, se dělí na:

1. Měkké vložky – Jsou zpravidla vyrobeny z jednoho nebo více vrstev elasticky stlačitelných pěnových materiálů. Pěna je v některých oblastech silnější, v jiných tenčí, s ohledem na individuální zvláštnosti nohy. Pro některé aplikace je žádoucí určitá míra odpružení, např. použití do sportovní obuvi, na běh, příp. turistiku. Potřebnou míru kontroly pohybu u měkkých vložek lze dosáhnout podpůrnými prvky z poměrně rigidního materiálu (méně stlačitelného).
2. Tvrdé vložky – Tvrdé ortopedické vložky jsou tenčí než měkké, a proto se více hodí pro použití do vycházkové obuvi. Zvyšují kontrolu pohybu, což je důležité k dosažení maximální eliminace poruch celého pohybového ústrojí. V minulosti se vyráběly z ocelového nebo duralového plechu, v současnosti jsou vyráběny z laminátu [1].

Návrh postupu výroby formy pro vstřikování vložek

Vytvoření sádrového otisku

Sádrový otisk je jednou z nejznámějších metod získání trojrozměrného tvaru otisku chodidla. Použita byla modelářská sádra, jejíž využití je určeno především pro odlévání a výrobu forem a modelů. Otisk byl odebírán vestoje a byl zatížen celkovou hmotností figuranta, což je třeba při správném odběru rozměrových podkladů chodidla.

Obr. 8 Sádrový otisk chodidla připraven na skenování

3D skenování povrchu tvaru otisku

Na to, aby bylo možné daný tvar vložky vyrobit, je třeba vytvořit trojrozměrný CAD model. Toho dosáhneme metodou reverzního inženýrství, kdy nasnímáme tvar sádrového otisku chodidla optoelektronickým skenerem. Takto získané mračno bodů, které nese informaci o tvaru vložky ve formátu STL, následně zpracujeme v CAD systému. Na obr. 9 je znázorněna hlavice ručního skeneru Handy Scan 3D EXAscan.

Obr. 9 Handy Scan 3D EXAscan

V první řadě bylo pořízené mračno bodů importováno do CAD systému, kde bylo následně filtrováno a byla jím přeložena triangulační síť (obr. 10). Následně byly plochy vyhlazeny a byla vytvořena souvislá plocha tvarové vložky (obr. 11).

Obr. 10 Zpracování mračna v CAD systému

Obr. 11 Vyhlazené povrchy tvaru vložky

K vytvoření formy bylo třeba vytvořit tato tělesa: negativní tvar – tvárník a pozitivní tvar zmenšený o tloušťku výlisku – tvárnice.

Abychom mohli začít obrábět, musela být vytvořena tělesa polotovarů a byly zadány parametry nutné k vygenerování CNC kódu pro řídicí systém frézky (obr. 12).

Obr. 12 Definice obrábění dutiny na hrubo

'
Dále byl vytvořen polotovar pro tvárnici i tvárník formy a byla vygenerována dráha nástroje pro CNC obráběcí stroj. Příklad simulace dráhy nástroje pro operaci obrobení tvaru tvárnice nahrubo je na obr. 13.

Obr. 13 Simulace dráhy nástroje při hrubování tvárnice (nahoře) a tvárníku (dole)

Nakonec bylo simulováno obrobení komponentů na základě vygenerované dráhy nástroje operací obrábění nahrubo a načisto – tvárnice (obr. 14) a tvárníku formy (obr. 15).

Obr. 14 Obrábění nahrubo a následně načisto tvárnice formy

Obr. 15 Obrábění nahrubo a následně načisto tvárníku formy

Finální sestava 3D modelu formy pro vstřikování vložky do bot je na obr. 16. Forma se skládá z rámu formy, tvárníku a tvárnice formy, vodicích tyčí, dosedací podložky, kotevní desky vyhazovače, vyhazovacího pístu, vyhazovacích kolíků a vstřikovací trysky.

Obr. 16 3D model vstřikovací formy

Materiál pro výrobu vložky do bot – vstřikovací plast

Jako materiál byl zvolen polyetylén (PE), což je termoplast vhodný na vstřikování. Velkou výhodou je možnost výroby v různých tuhostech a pevnostech, proto polyetylén je možno vyrábět jako tvrzený plast, ale také jako pěnu. Tuhost plastu závisí na tlaku vstřikování do formy, proto ho dělíme na polyetylén nízké hustoty a polyetylén vysoké hustoty.

Jeho charakteristické vlastnosti jsou:

• vysoká houževnatost i při nízkých teplotách
• odolnost vůči zátěži
• dobrá životnost
• fyziologicky přijatelný
• nízká nasákavost vodou
• všeobecné využití
• dobrá obrobitelnost
• možnost dodatečné povrchové úpravy

Odolný vůči:

• mikroorganismům
• plísním
• baktériím

Závěr

Musíme konstatovat a zopakovat myšlenku z úvodu, a to: „Návrh a výroba pomocí CA.. technologií proniká snad do každého odvětví činnosti spojené s výrobou produktu v odvětví strojírenství.“ Ukázka problematiky v článku řešeného problému je jen zlomek toho, na co se dají využít CAD/CAM systémy ve zdravotnictví. Jsme přesvědčeni, že zanedlouho se budou dělat některé protetické pomůcky na míru. Použije se mračno bodů např. z tomografického záznamu zdravé končetiny, udělá se zrcadlový obraz a začne se vyrábět protetická náhrada. Vše závisí na materiálech vhodných pro rapid prototyping. Pokud k tomu dokáže věda přidat umělé svaly, nervy a nervová zakončení… Možná jsme příliš povolili uzdu fantazii, možná ani ne. Čas ukáže, nechme se překvapit.

Článek byl vypracován v rámci řešení grantové úlohy VEGA 1/0085/12 a VEGA 1/0500/12.

Literatura:

[1] Živčák, J., Bednarčíková, L., Michalíková, M.: Protetika a ortotika-kalceotika. Technická univerzita v Košiciach, Strojnícka fakulta, Košice 2010, ISBN 978-80-553-0532-5.
[2] Výroba ortopedických vložiek na základe počítačového vyšetrenia chodidla, [cit. 10. 1. 2012]. Dostupné na: <http://www.pedikom.cz/>.
[3] Tóth, T., Michalíková, M., Bednarčíková, L., Petrík, M., Živčák, J.: Verification of measuring system for automation intra – abdominal pressure measurement. In: MEDICON 2010, May 27.–30. 2010, Chalkidiki, Greece, Springer, 2010. P. 513–516. – ISBN 978-3-642-13038-0.
[4] Stanová, E.: Axonometrické zobrazovanie. In: Základy strojného inžinierstva. TU Košice 2001, ISBN 80-7099-661-7.
[5] Pokorný, P., Peterka, J., Václav, Š.: Issue of 5-axis milling. In: TEAM 2011 – CO-MAT-TECH 2011, Trnava Slovakia. – Slavonski Brod: University of Applied Sciences of Slavonski Brod, 2011, p. 126–130, ISBN 978-953-55970-4-9.
[6] Fedorko, G., Molnár, V.: Catia základy projektovania, ES/AMS, TU Košice 2006, ISBN 80-8073-648-0.