BME Pattantyús-Ábrahám Géza Gépészeti Tudományok Doktori Iskola 

BME GPK, Gép- és Terméktervezés Tanszék

Témavezető: Dr. Váradi Károly

Teherviselő állcsont rekonstrukció végeselemes modellezése 

A kutatási téma néhány soros bemutatása

A szájüregi daganatok esetében életet menthet annak időben történő felismerése. Magyarország területén évente körülbelül 3 ezer embernél diagnosztizálnak szájüregi rákot, és 1700-ra tehető az ebből következő halálos kimenetek száma. A szájüreg kóros eltérései a legkönnyebben felfedezhető tumoros betegségek közé tartoznak, a késői felismerés esetében a radikális beavatkozások miatt a gyógyulás esélye is csökken. A szájüregi daganatok 50 éves kor felett egyre gyakoribbá válnak. A betegség megjelenése a halálozási aránnyal együtt folyamatosan növekedett az elmúlt évek során. Fontos tehát az elváltozások korai felismerése.

Az általam vizsgált orvosi gyakorlatban megjelenő probléma a legtöbbször tumoros betegségekből eredő állkapocs, állcsont (mandibula) rezekciója és ennek valamilyen implantátumos rögzítési technológiával való repozíciója és fixálása.

 

 

1. kép: Mandibula tumor

 

Az ezek által a műtéti technikák által biztosított stabilitási feltételekről, illetve a csontokban kialakuló feszültség és mikromegnyúlás értékekről korábban cadaver, csontszalagos laboratóriumi vizsgálatokkal, mérésekkel próbáltak több információt biztosítani. E vizsgálatok több okból is körülményesen végezhetők, nem is beszélve a felmerülő kegyeleti problémákról. Manapság a biomechanika területén már egyre inkább létjogosult vizsgálati módszer a végeselemes analízis. A klinikai gyakorlatban is alkalmazott rögzítési módszerek megfelelő anyagtulajdonságokkal felépített geometriai modelleken történő vizsgálata igen nagymértékben hozzájárul a betegek felépülési idejének csökkentéséhez, illetve a műtét utáni életkörülmények javításához is.

 

A kutatóhely rövid bemutatása

A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Karának Gép- és Terméktervezés Tanszék egyike a legnagyobb létszámú tanszékeknek. A tanszéken számos külső ipari probléma vár rendszeresen megoldásra, így a műszaki tudományok igen széles területét lefedő mérnöki tevékenység zajlik. A tanszéken több éve szoros együttműködésben, eredményesen folynak vizsgálatok több biomechanikai területen. 

 

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

A fogászati rekonstrukciós implantátumok vizsgálataihoz képest, a szájsebészeti gyakorlatban lényegesen kevesebb tanulmány foglalkozik az állkapocs tumor következtében végrehajtott rezektálásának mechanikai rekonstrukciós vizsgálatával. A kutatások a lehető legoptimálisabb feszültségeloszlások mellett, az implantátumlemez töréseinek és a lemezt rögzítő csavarok kiszakadásának elkerülésére vannak kihegyezve. Az egyszerűbb egyenes csontokénál bonyolultabb geometriára épülő lemezgeometria szinte kivétel nélkül valamilyen egyszerűsített formában tűnik fel az irodalomban található vizsgálatokban. Ugyanez igaz az összetettebb modellekben szereplő csavargeometriákra is. A végeselemes vizsgálatokhoz használt csont modellek palettája viszont igen széles, annak függvényében, hogy a csontszerkezet miként van kialakítva a vizsgálat során. A szakirodalomban a csontállományokat legtöbb esetben lineárisan rugalmas, homogén állományokként közelítik. A két fő megkülönböztetett állomány a corticalis (kemény) és a spongiosa (szivacsos) tartományok. A geometriai kialakításban számtalan módszert használnak, kezdve a geometriai primitívekből felállított modellektől, egészen az orvosi képalkotó rendszereken át (MRI, Computer Tomograf) a több módszert ötvöző hibrid modellekig.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

A kutatásom során nemzetközi és belföldi egyetemekkel együttműködve készül dolgozatom (pl. SOTE, illetve Magyar Honvédség Egészségügyi Központ, University Hospitals of Leicester, University of Leicester (UK), Regea Institute for Regenerative Medicine, University of Tampere és University of Oulu  (Finland), Mid Sweden University, Östersund (Sweden)). Célom az egyenes csonton (human radius) lévő rekonstrukciós megoldások előzetes vizsgálata részleges, tetszőleges geometriájú rezekciók kialakításával. Kutatásom fő témájaként az állkapocs-rekonstrukciók során legtöbbször használt általános rekonstrukciós lemezes technikákat vizsgálom meg végeselemes módszerrel. A vizsgálatnál kitérek a klinikai gyakorlatban alkalmazott összes főbb rezekciós tartományra. Megvizsgálom a napjainkban használt csavarozási rendszereket. Célom a vonatkozó irodalomban fellelhető geometriai modelleknél pontosabb, computer tomográfból nyert pontfelhőre épülő modellek létrehozása. A CT felvételből az anyagmegfeleltetés során nyert Hounsfield egység alapján egyedi, a valóságnak megfelelő modelleket szeretnénk készíteni, hogy azok a valóságot leginkább közelítő terhelés alatti feszültségeloszlásokat eredményezzenek. A validálás human mandibulából származó csont minták nyomóvizsgálatával történik. A modell kialakítása során lehetőséget biztosítok arra, hogy a használt csavargeometria tetszőlegesen változtatható legyen, és a létrehozott almodellekben kisebb számítási kapacitással lehessen javítani az implantátum geometriájának kialakítását. Az eredmények kiértékelése után a létező implantátumok optimalizálására, illetve a csontosodást serkentő új implantátum kialakítására szeretnék javaslatot tenni, esetlegesen prototípust gyártani. 

 

Módszerek

Az állkapocs megerősítésére sok esetben humán csont anyagot használnak, ennek forrása lehet például a humán orsócsont. A kivett csontdarabbal (részleges rezekció) gyengül az orsócsont stabilitása, melyet a teljes rezektáláshoz hasonlóan mechanikailag rekonstruálni kell. Előzetes vizsgálataim során ezen egyenes csontok részleges rekonstrukciójára modelleket készítettem 4 féle rögzítési technika összehasonlítására. A 4 globális modellen belül variálható rezekciós geometriával rendelkező almodelleket hoztam létre. A vizsgálatok során 4 pontos hajlítási és csavarási esetekre tértem ki.

 

        

2. kép: Human radius rekonstrukció

 

A kutatás gerincét képező mandibula rekonstrukció vizsgálat geometriai modelljeinek kialakítása a páciensek computer tomográf felvételeiből nyert ponthalmazból történt, melyek a megfelelő szegmentálás és javítás-pontosítás után CAD szoftverbe lettek importálva. Itt készítettem el a végeselemes analízisekhez szükséges implantátumokkal kiegészített 3 dimenziós modelleket.

 

3. kép: Rezekció tartományok

 

 

4. kép: Mandibula rekonstrukciók

 

A szimulációk készítése során két fő részre lehetett bontani a vizsgálatokat. Az egyik a globális modell, a másik az almodellek vizsgálata. A globális modell vizsgálata során a csavarok modellezésénél a menet kiegyszerűsítésével éltem a számítás meggyorsítása érdekében, melyeket az almodelles szimulációknál, már a menetes geometriára cseréltem. A szimulációkhoz alapul szolgáló heterogén anyagszerkezet vizsgálatára és validálására, humán mandibula csontmintákon nyomóvizsgálatokat végeztem. A szimulációban a csontnál a megfelelő anyagtulajdonságok kinyerése regressziós megfeleltetési függvények segítségével a computer tomográf által nyert egyes pontok által hordozott Hounsfield egység alapján lett biztosítva. A vizsgálatok során 100 különböző szekció részt definiáltam a Hounsfield egység alapon felvett anyagtulajdonsági tartományban, melyet ezután kiosztottam a végeselemes hálón, biztosítva segítségével az egyes elemenként változó anyagmegfeleltetést és ezzel a valóságnak megfelelő heterogén szerkezetet. Ezzel igen pontosan lehet közelíteni például többek között a számunkra fontos, csavar környezetében elhelyezkedő elemek mechanikai tulajdonságait. A kapcsolódó irodalomban fellelhető adatok alapján a csont Young modulusa 0-23000MPa tartományban lett felosztva, az adott esetben állandó 0,3-as Poisson tényezőkkel.  Lineárisan rugalmas izotróp anyagmodell lett alkalmazva a vizsgálat során.

A peremfeltételek és terhelések a rágást és az ahhoz tartozó rágóerőt reprezentálják. A rágás igen bonyolult, és sokrétű izomműködésből fakadó mozgás. Ennek fontosabb elemeit kiemelve lettek elhelyezve a terhelések és a peremfeltételek az anatómiai működésnek megfelelően.

 

 

5. kép: Főbb rágáshoz használt izmok

 

Eddigi eredmények

Kutatásaim során halottból származó állkapocs szeletekkel és az ebben elhelyezett ismert sűrűségű validáló elemek segítségével computer tomográf felvételeket készítettem, majd ennek kiértékelése során bebizonyítottam, hogy az akár 50 vagy 100-szor kisebb sugárterheléssel dolgozó nyaki és fej régiókra használt Cone Beam Computer Tomográf és a hagyományos nagyobb sugárterhelésű Medical Computer Tomográf között a végeselemes modellezéshez használt heterogén anyagszerkezethez felhasznált sűrűségi értékekben nem mérhető lényeges különbség.

A korábbi biomechanikai vizsgálataim során alkalmazott egyszerűsített csontmodellezési módszer javítására, végeselemes csontmodellek fejlesztéséhez, validálásához, human állkapocs mintákon nyomóvizsgálatokat végeztem, azok computer tomográfos szkennelését követően. A vizsgálatot számítógépes szimulációval állítottam párhuzamba, és segítségével megállapítottam az alsó állcsont teherviselő kemény állományának az irodalomban jelenleg széles értékek között ingadozó rugalmassági modulusának pontosabb, heterogén értékét.

 

 

6. kép: Csontminták nyomóvizsgálata

 

Létrehoztam a klinikai gyakorlatban alkalmazott legfontosabb állcsontrezekciók olyan komplex végeselemes modelljét, melyben a gold standardként alkalmazott direktlemezhez tartozó csavarok környezetében kialakított almodell részek segítségével tetszőleges rögzítéshez használandó csavarimplantátum vizsgálható meg, támogatva ezzel a csavarimplantátumok tervezését és a helyes geometriai kialakítást a csont terhelésének tekintetében. A tetszőlegesen módosítható paraméterek között szerepel a csavar teljes geometriai kialakítása, mind mono, mind bicorticalis esetben, Lockos és Non lockos rendszereknél. A computer tomográf adatain alapuló egyedi anyagmegfeleltetési értékekkel, lineáris regresszióval végesen sok részre bontható inhomogén anyagtulajdonságot hoztam létre a végeselemes modellhez, melynek spektruma a csontsűrűség függvénye. 4 fő rezekciós eset lett megvizsgálva az állkapocsra, az említett lemezelési és csavarozási rendszerekkel.

 

 

7. kép: Ébredő feszültségek

 

A bemutatott módszer a korábbi egyenes csontok vizsgálata során, a humán radius csontra (orsócsont) és azon belül 4 féle lemezelési technikára is ki lett dolgozva.

Az ismertetett modelleken elvégzett végeselemes vizsgálatok segítségével jó képet kaptam az állcsontban és az implantátumokban kialakuló feszültségekről, a főbb rezekciós típusok esetében, mely információk segítenek optimálisabb implantátumcsoportok tervezésében. Javaslatot lehet tenni az implantátumok elhelyezésére is, adott rezekciótípusoknak megfelelően. Az egyenes human orsócsonton végzett vizsgálattal megállapítottam, hogy a vizsgált 4 eset közül melyik rögzítési technika jár a legkisebb terheléssel, illetve mely rezekciós kialakítás során ébred kisebb feszültség a csontban. Ez a részleges rezekciós geometriai vizsgálat átültethető az állkapocscsontra is.

A kinyert eredmények a jövőre tekintve hasznos információkkal szolgálnak a csontregenerálódást serkentő új vagy módosított implantátumgeometriák kialakításához. 

Várható impakt, további kutatás

Az általam létrehozott keretrendszer alkalmas, graft beültetés hatásának vizsgálatára, illetve  meglévő, vizsgált implantátumok optimalizálására, új csavargeometriák tesztelésére a rögzítési ponttól függően tetszőleges kialakítással, Lock-os és Non lock-os rendszerrel, mono- és bicorticalis megoldással egyaránt. Megvizsgálhatóak teljes, illetve részleges rezekciós esetek, melyeket a klinikai gyakorlatban alkalmaznak.  Az eredmények segítségével biztosítható továbbá a csont túlterhelésének, törésének és az implantátum kiszakadásának elkerülése. A stabilabb rögzítéssel gyorsabb felépülés érhető el.

Az eddigi vizsgálatok eredményeire alapozva keresem a lehetőséget egy csontregenerálódást serkentő habosított vagy hálós struktúra tervezésére, melyet beépítése után a csont a lehető legnagyobb mértékben képest be- illetve átnőni, fokozva ezzel a létrehozható stabilitás mértékét.

 

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény 

Kapcsolódó saját publikációk listája

 

[1] Bujtar Peter, Christopher Avery, Janos Simonovics, George K Sandor, Jingzhe Pan: Refinements in osteotomy design to improve structural integrity: a finite element analysis study. The British Journal of Oral & Maxillofacial Surgery 10/2012; DOI:10.1016/j.bjoms.2012.09.015. IF= 2.717

 

[2] C. M. E. Avery, P. Bujtár, J. Simonovics, T. Dézsi, K. Váradi, G. K. B. Sándor, és J. Pan, „A finite element analysis of bone plates available for prophylactic internal fixation of the radial osteocutaneous donor site using the sheep tibia model”, Med. Eng. Phys., 2013 Apr 23. pii: S1350-4533(13)00076-3. doi: 10.1016/j.medengphy.2013.03.014. IF= 1.623

 

[3] Bodzay, T., G. Sztrinkai, T. Gál, J. Simonovics, and K. Váradi. 2013. How Bilateral Iliolumbar Fusion Increases the Stability of Horizontal Osteosynthesis in Unstable Pelvic Ring Injuries? Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. ISSN: 0936-8051. DOI: 10.1007/s00402-013-1762-1. IF= 1,37

 

[4] Simonovics János, Dr. Váradi Károly, Dr. Bujtár Péter: Biomechanikai csontmodell építésének lehetőségei. GÉP, LXII. Évfolyam (2011/11), II. kötet 24-27. old.,  (ISSN 0016-8572)

 

[5] Simonovics János, Dr. Váradi Károly, Dr. Bodzay Tamás: Study and examination of the implements used for securing pelvis bone. Biomechanica Hungarica, 2010. III/1; 215-223. old., (ISSN 2060-4475)

 

[6] Simonovics János, Dr. Váradi Károly, Dr. Bodzay Tamás: Medencetörés rögzítési technikák vizsgálata. GÉP, LXI. Évfolyam. (2010/9-10), I kötet 90-93. (ISSN 0016-8572)

 

[7] J Simonovics, K Váradi - Finite element analysis of the lower jaw implant in different resection scenarios, Pollack Periodica, Vol.8.No.2. (2013) (in press) ISSN: 1788-1994. old.

 

[8] J Simonovics, P Bujtár, K Váradi – Effect of  preloading on lower jaw implant. Biomechanica Hungarica, 2013. VI/1; (ISSN 2060-4475)

 

[9] Simonovics János, Dr. Váradi Károly, Dr. Bodzay Tamás - Massa lateralis medencetörés implantátumainak vizsgálata. OGÉT 2010 XVIII. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Nagybánya, 2010. április 22-25. 372-375. ISSN: 2068-1267. old.

 

[10] J Simonovics, P Bujtár, GK Sándor, K Váradi. - Egyedi teherviselő állkapocs implantátum vizsgálata. Study of a customized lower jaw implant. OGÉT 2012 XX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó- Románia 2012. ápr. 21. 402-405. ISSN: 2068-1267. old.

 

[11] J Simonovics, P Bujtár, CME Avery, GK Sándor, J Pan, K Váradi: Study and examination of the implements used for prophylactic internal fixation. GÉPÉSZET 2012, Budapest, 2012. máj. 24-25. 482-487. old., ISBN: 978-963-313-055-1

 

[12] Simonovics János, Dr. Bujtár Péter, Dr. Váradi Károly - A rágás hatása az állkapocs implantátum terhelésénél/ Effect of biting in case of lower jaw implant loading. OGÉT 2013 XXI. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, 2013. április 25-28., Arad, Románia. 342-345. old., ISSN: 2068-1267.

 

[13] P Bujtár, CME Avery, J Simonovics, GK Sándor, O Lukáts, A Szűcs, G Zombori - A two phase human follow-up study with ceramic porous implants made of hydroxyapatite (HA) and aluminium-oxide. -A method for CBCT/DVT standardization and histology assessment. BAHNO – British Association of Head and Neck Oncology 2012 – 27th April, London, UK.

 

[14] Bujtár P, Avery CME, Simonovics J, Sándor GK, Pan J, Váradi K - The relative strengths of differing types of osteotomy design. BAHNO – British Association of Head and Neck Oncology 2012 – 27th April, London, UK.

 

[15] Avery CME, Bujtár P, Simonovics J, Sándor GK, Pan J, Váradi K - A finite element analysis of the plates used for prophylactic internal fixation of the radial osteocutaneous donor site. BAHNO – British Association of Head and Neck Oncology 2012 – 27th April, London, UK.

 

[16] Christopher Avery, Péter Bujtár, János Simonovics, Tamás Dézsi, Andrew Peden, Jingzhe Pan, Károly Váradi, Attila Bojtos, Claire Robinson: Finite Element Analysis of Bone Plates Suitable for Prophylactic Internal Fixation of the Radial Osteocutaneous Donor Site using a Sheep Tibia Model. 2011 Simpleware Users Meeting, Bristol, Anglia, The Watershed Media Centre, 2011.11.9.

 

[17] Bujtár Péter, Simonovics János, Sándor K.B., Jan Wolff, Christopher Avery, Szűcs Attila, Barabás József: Hosszú csöves csontokon (mandibula) végzett oszteoszintézisek biomechanikai vizsgálata. 8. Nemzetközi Danubius Kongresszus és a Magyar Arc-, Állcsont- és Szájsebészeti Társaság 15. Nemzetközi Kongresszusa, Debrecen - Kölcsey Konferencia Központ, 2011. 08. 25-27., 53. old.

 

[18] Bujtar P., Sandor GK., Avery C., Simonovics J, Lukats O. - A standardized method with CBCT/DVT for porous implant follow-up. A two phase human study with hydroxyapatit (HA) and aluminium-oxide ceramic porous implants. BAOMS - British Association of Oral and Maxillofacial Surgery, 20-22 June 2012.

 

[19] Bujtár P, Avery CME, Simonovics J, Sándor GK, Pan J, Váradi K - An assessment of the stability of differing types of fixation following segmental resection of the mandible. BAOMS - British Association of Oral and Maxillofacial Surgery, 20-22 June 2012.

 

[20] J Simonovics, K Váradi - Finite element analysis of the lower jaw implant in different resection scenarios. 8th International PhD & DLA Symposium, Pécs, 29th-30th October, 2012

 

[21] P Bujtar, C Avery, J Simonovics, J Pan, G K Sandor, K Váradi -  Biomechaniacal evaluation of mandible segmental reconstructions using different methods of fixation. 2013.OP111. Oral Oncology 49: S47–S48. ISSN: 13688375. DOI: 10.1016/j.oraloncology.2013.03.119. 4th World Congress  of the IAOO (International Academy of Oral Oncology), 15-18 May, 2013. Rhodes Island, Greece

 

[22] P Bujtar, C Avery, J Simonovics, J Pan -  A failure-proof surgical technique for marginal resections and angulated osteotomies? 2013.OP084. Oral Oncology 49: S38. ISSN: 13688375. DOI:10.1016/j.oraloncology.2013.03.092. 4th World Congress  of the IAOO (International Academy of Oral Oncology), 15-18 May, 2013. Rhodes Island, Greece

 

[23] J Simonovics, P Bujtár - Examination of mandible resections from biomechanical point of view/ Mandibula rezekciók vizsgálata biomechanikai nézőpontból. II. Interdisciplinary Doctoral Conference 2013, 15-17 May, 2013. Pécs, Hungary

 

[24] J Simonovics, P Bujtár, K Váradi - Examinations of lower jaw reconstructions/ Állkapocs rekonstrukciók vizsgálata. TAVASZI SZÉL Konferencia (Doktoranduszok Országos Szövetsége), 2013. május 31 - június 2.   Sopron

 

Hivatkozások listája

 

[1] Avery, C.M.E., et al., Biomechanical study of prophylactic internal fixation of the radial osteocutaneous donor site using the sheep tibia model. British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, 2007. 45(6): 441-446. old.

 

[2] Avery, C., A Review of the Radial Free Flap: Still Evolving or Facing Extinction? Part Two. Osteocutaneous Radial Flap. Br J Oral Maxillofac Surg, 2010. 48: 253-260. old.

 

[3] Bujtar, P., et al., Finite element analysis of the human mandible at 3 different stages of life. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod, 2010. 110(3): 301-9. old.

 

[4] Ramos, A., et al., The influence of condylar geometry and positions of bone fixation screws on a TMJ implant. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2010. 13: 115-116. old.

 

[5] Keller, T.S., Predicting the compressive mechanical behavior of bone. Journal of biomechanics, 1994. 27(9): 1159-1168. old.

 

[6] Rho, J.Y., M.C. Hobatho, and R.B. Ashman, Relations of mechanical properties to density and CT numbers in human bone. Medical engineering & physics, 1995. 17(5): 347-355. old.

 

[7] Lienau, J., et al., Initial vascularization and tissue differentiation are influenced by fixation stability. Journal of Orthopaedic Research, 2005. 23(3): 639-645. old.

 

[8] Shirazi Adl, A., M. Dammak, and G. Paiement, Experimental determination of friction characteristics at the trabecular bone/porous coated metal interface in cementless implants. Journal of biomedical materials research, 1993. 27(2): 167-175. old.