Kloubní náhrady budoucnosti
9. 6. 2010
Rok 2010 je posledním rokem „dekády kostí a kloubů,“ tu vyhlásila na přelomu tisíciletí Světová zdravotnická organizace. Jednou z jejích ambicí bylo inspirovat vědce a lékaře, aby se zaměřili na zdokonalování náhrad kloubů a kostí. Se zlepšující se zdravotní péčí i výživou se totiž stále více lidí dožívá vysokého věku. Chtějí zůstat dlouho aktivní jak v práci, tak třeba ve sportu. Lidské tělo a jeho části ale mají svou životnost a někdy začnou vypovídat službu dřív, než by si jejich majitel přál. Moderní medicína má ale řešení – porouchané klouby nahradit umělými stejně, jako se nahrazují součástky v přístrojích.
Aby kloubní náhrady dobře sloužily, vyvíjejí chemici stále nové a lepší materiály. To ale nestačí. Protéza musí mít i dokonalý tvar a velikost a musí být přesně umístěna. Lékaři však mají na její zavedení jen jeden pokus. V posledním desetiletí se proto součástí výzkumu stalo biomechanické výpočtové modelování. Lidské tělo je jako stroj a stejně tak se dá i studovat. Místo šroubů a matic se tady ale hýbou svaly a klouby.
Prof. Ing. Přemysl Janíček, DrSc., Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky, FSI VUT Brno, Ústav termomechaniky AV ČR: Lékař nemá plné možnosti na to, aby nějak teoreticky ten pohyb lidského organizmu, zejména pohyb svalově kosterní soustavy, v ní pohyb kloubů, aby nějak zkoumal. On jen může operovat a klinickými pozorováními zjišťovat, zda to bylo dobré, či ne, ale proniknout přímo do podstaty, co se tam děje, jak se to pohybuje, tak tady je jediná cesta skutečně to výpočtové modelování v té biomechanice.
Pro vytváření numerických modelů se obvykle používá metoda konečných prvků. Povrch zkoumaného tělesa, v tomto případě kloubu s voperovanou náhradou, se rozsíťuje jemnou mřížkou. V každém jejím bodě se pak počítají síly, které na dané těleso působí v určité situaci. Na inženýry z Ústavu termomechaniky Akademie věd a Fakulty strojního inženýrství v Brně se například před několika lety obrátili lékaři, kteří se u svých pacientů setkávali s neobvykle častými problémy s keramickými hlavicemi náhradních kyčelních kloubů. Hlavice praskaly a pacienti museli být znovu operováni. Lékaři pro tento problém neměli vysvětlení.
Ing. Vladimír Fuis, Ph.D., Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky, FSI VUT Brno, Ústav termomechaniky AV ČR: Nejprve jsme museli analyzovat ty lomové plochy, které byly k dispozici hned po těch destrukcích keramických hlavic, které jsme dostali od doktorů, a z nich vyplynulo, že maximální tahové napětí, které způsobí lom tohoto keramického materiálu, musí mít obvodový směr, takže se hledal parametr, který by způsoboval nárůst tohoto tahového napětí v keramických hlavicích, a tím se zdálo být samosvorné spojení mezi hlavicí a dříkem.
Jinými slovy: Keramická hlavice je poměrně malá kulička, ve které je otvor tvaru kužele. Do toho zapadá kužel kovového dříku. Ten se upevňuje do stehenní kosti pacienta. Dutý kužel v hlavici ale může mít o trochu jiný úhel než kužel dříku a právě tak může vzniknout problém. Další analýzy ukázaly, že napětí, které působí na keramickou hlavici, se zvýší i tehdy, pokud se na povrchu kontaktních ploch hlavice a dříku nacházejí mikroskopické nerovnosti. Výrobce proto musel problémy odstranit.
Na brněnské biomechaniky se brzy začali obracet ortopedi z moravských nemocnic i s dalšími problémy, na které mohlo najít odpověď jen výpočtové modelování. Obtíže může například způsobit špatně umístěná kloubní náhrada.
Na tomto modelu vědci řeší, co se stane, pokud operatér zavede do stehenní kosti pod nevhodným úhlem takzvanou povrchovou náhradu. Ta se používá hlavně u mladších pacientů, kteří mají zdravé kosti. Stačí odstranit pouze povrchové části kloubu. Mladí lidí by se jinak museli podrobit i několika reoperacím, neboť životnost totální kloubní náhrady je asi jen patnáct let.
Ing. Tomáš Návrat, Ph.D., Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky, FSI VUT Brno, Ústav termomechaniky AV ČR: Jeden z problémů, kterým jsme se zabývali, bylo řešení ustavení komponenty vůči stehenní kosti, což je tady zobrazeno na tomto obrázku. Tento problém je významný z toho pohledu, že pokud se ta komponenta umístí špatně, dojde k podříznutí během operace, k podříznutí krčku, a to má potom za následek zlomení krčku.
Podklady pro výpočtový model se získávají pomocí počítačové tomografie. Další data, která je potřeba získat, vypovídají o vlastnostech materiálu – jak vlastní kosti, tak použité náhrady. Vědce zajímá, jak poloha klínu náhrady v kosti ovlivňuje rozložení sil a které stavy ohrožují nebo znemožňují správné fungování kloubu. To se pak porovnává se zdravým kloubem.
Kdyby neexistovalo počítačové modelování, měli by lékaři jen velmi omezené možnosti, jak se o mechanických vlastnostech lidského těla dozvědět něco víc. I v současnosti se v omezené míře provádějí experimenty. Jeden z nich probíhá právě teď. Podobné pokusy mají za úkol buď ověřit fungování počítačových modelů, nebo pro ně získat podklady. V tomto případě se testuje pevnost šlachových stehů.
Ing. Zdeněk Florián, CSc., Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky, FSI VUT Brno, Ústav termomechaniky AV ČR: Provádí se to z důvodu rekonstrukce horní končetiny a jedná se o napojení svalu a šlachy. Používá se to třeba u tetraplegiků, kteří ztratí možnosti pohybu, ale přesto mají některé svaly inervované a tyto svaly se potom využívají k nějakému získání jednoduchých pohybů.
Novou operační techniku v praxi rozvíjí olomoucký chirurg Igor Čižmář. Funkční svaly ochrnutých lidí v podstatě přišije na jiné místo, a ti pak s jejich pomocí mohou zvládnout některé jednoduché úkony. Biomechanické experimenty pomohou najít optimální řešení operace – třeba právě vybrat dostatečně pevné a přitom pružné stehy.
Mottem dekády kostí a kloubů je najít ideální řešení pro pacienty budoucnosti. Rehabilitace je součástí léčby pacientů po operacích kloubů. Vědci z brněnského centra mechatroniky se nyní snaží vyvinout speciální robotizovanou ortézu, která by měla rehabilitaci usnadnit.
Ing. Jiří Krejsa, Ph.D., Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky, FSI VUT Brno, Ústav termomechaniky AV ČR: Pacienti, kteří mají nitrokloubní zlomeninu, tak většinou mají potom omezenou pohyblivost toho kloubu třeba po operaci a většinou se to řeší pomocí nějakého fyzioterapeuta a rehabilitací a my jsme s kolegou docentem Čižmářem, primářem traumatologie fakultní nemocnice Olomouc vymysleli, že bychom mohli naše zkušenosti z robotiky, protože primárně se zabýváme robotikou, využít k tomu, abychom s tímto problémem něco udělali.
Ortéza by pacienta motivovala k aktivní spolupráci. Dnešní metody nechávají většinu práce na fyzioterapeutovi. Aktivní ortéza by měla fungovat podobně jako posilovač řízení v automobilu. Práci by sice odvedla za pacienta, ale až poté, co by vyvinul aspoň minimální potřebné úsilí. Tady vidíte model, který slouží k otestování algoritmů.
Ing. Jiří Krejsa, Ph.D., Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky, FSI VUT Brno, Ústav termomechaniky AV ČR: Ta ortéza by měla být použitelná několika způsoby, ten základní jsem říkal. Dá se to samozřejmě použít i jenom tím pasivním způsobem, jak je to běžné v nemocnicích v současné době. No a nějaká vize do budoucna – samozřejmě té řídící jednotce je lhostejné, odkud získává snímač ty řídící signály, čili nemusí to být snímače umístěné na té ruce, ale mohlo by to být – to je opravdu hodně daleko, hodně daleké budoucnost – napojeno přímo na ten nervový systém.
Ochrnutý člověk by jen pomyslel na to, že chce vzít sklenici ze stolu, a přístroj by pohyb udělal za něj. Inspirací pro vědce byly exoskeletony, vnější kostry, které používají američtí vojáci, aby snesli vyšší zátěž.
Pokud patříte k mladší generaci, máte důvod k radosti. Na tom, abyste své stáří mohli strávit co nejaktivněji, teď pracují vědci na všech frontách. Podle některých odhadů se totiž víc než polovina dětí, které se v současnosti rodí v bohatých zemích, dožije sta let. Až se jim v padesáti začnou rozpadat klouby, ucpávat tepny a vypadávat zuby, budou pro ně mít lékaři jednoduché řešení – vytvoří jim kvalitní náhradní díl.
Autor: Tereza Pultarová