Biomechanický výkon dané konstrukce lze s pomocí řešení Abaqus Knee Simulator od Dassault Systèmes vyhodnotit i bez drahých a zdlouhavých testů.
Lidská kolena jsou schopná doslova zázraků. Dokážou ustát zatížení trojitého axelu špičkových krasobruslařů i vypořádat se s ostrým nárazem tvrdého hokejového bodyčeku. A samozřejmě hravě zvládají běžné zatížení každodenního života: výstup do schodů, chůzi, stání, sezení, zatížení lidského těla. Dlouhodobé zatěžování se ale na kolenech odráží, a proto implantace náhradních kolenních kloubů patří v současnosti mezi velmi časté operace. Ještě před tím, než se dají do práce chirurgové, musejí vývojáři a výrobci vyvinout kolenní protézy s co možná nejdelší životností. Pro tento proces je dnes nepostradatelná realistická simulace využívající software pracující s metodou konečných prvků. Ten testování výrazně zrychluje a umožňuje snížit rozsah fyzického prototypování. Biomechanický výkon dané konstrukce je totiž s jeho pomocí možné vyhodnotit bez nutnosti drahých a zdlouhavých testů. Jednou z firem v oboru, které pomáhá řešení Abaqus Knee Simulator (AKS, součást aplikace SIMULIA) společnosti Dassault Systèmes zvyšovat efektivitu vývoje, je šanghajská MicroPort Orthopedics. MicroPort patří mezi přední čínské vývojáře a poskytovatele ortopedické techniky a implantátů. Vedle osvědčené nabídky páteřních implantátů se chce nově zaměřit také na kolenní náhrady. V první fázi testování MicroPort ověřuje, na který typ protézy by se měl v budoucnosti orientovat. Tým se soustředil na dva nejrozšířenější druhy náhrad: Fixed Bearing (FB) a Mobile Bearing (MB). Obě konstrukce využívají kovové tibiální plató, které je nasazeno na horní konec holenní kosti. Kluzné ložisko z vysokomolekulárního polyethylenu slouží jako náhrada menisku. Dolní konec stehenní kosti spočívá na kluzném ložisku. U náhrady typu Fixed Bearing je kluzné ložisko na tibiálním plató fi xováno. Naopak pohyblivé kluzné ložisko na něm může snadno rotovat. Právě na rozdíly mezi dvěma typy konstrukce se s pomocí řešení AKS MicroPort zaměřil. Modelování metodou konečných prvků Před rozšířením virtuálních simulací pocházela většina testovacích dat o výkonnosti kolenních náhrad z nástroje Kansas Knee Simulator (KKS). Jde o komplexní mechanické zařízení, které umožňuje dynamické zatěžování podobné tomu reálnému při běžných aktivitách. Simulátor využívá zpravidla lidský kloub dárce. Testy probíhají zejména proto, aby se ověřilo plnění předpisů, především pak ISO norem. Simulátor sice poskytuje kvalitní data, ale testování konstrukčních prototypů s jeho pomocí je v laboratoři fi nančně a časově značně náročné. Metoda konečných prvků dokáže z velké části nahradit KKS a další fyzické testy, protože o kolenních implantátech už bylo nashromážděno obrovské množství dat v laboratořích i lékařských zařízeních. V říjnu 2012 byl na trh uveden kolenní simulátor Abaqus, který umožnil tato dostupná data plnohodnotně využít. Řešení dokáže provádět základní, ale i pokročilé analýzy kolenních náhrad včetně poloautomatických pokročilých analýz. To výrazně zvyšuje efektivitu simulací. Simulace náhrad typu Fixed Bearing a Mobile Bearing se zaměřují na dynamické analýzy fyziologického zatížení a využívají funkce základního zatížení kolenních náhrad. Cílem simulací bylo zhodnotit tibiofemorální a patellodemorální kinematiku, kontaktní mechaniku mezi díly implantátu a končetinou a zatížení komponentů, vždy v rámci fyziologické zátěže běžných každodenních aktivit. Primárně se simulace orientují na chůzi, ale protože společnost MicroPort působí především na asijském trhu, pracovala také se simulacemi podřepu, který je v této části světa mnohem častějším typem zatížení než jinde. Chůze a podřep jsou relativně jednoduché úkony, ale ve skutečnosti jde o vysoce komplexní fyziologické procesy, na kterých se podílejí kosti, svaly, šlachy a samozřejmě i pohyb. S ohledem na to jsou i jejich modely nelineární analýzy složité, protože musejí obsáhnout sílu svalů, realistická data živých testů a tuhé těleso pro strukturu kostí. K modelování implantátů importovali inženýři vlastní geometrie kolenních náhrad společnosti Micro- Port. Abaqus Knee Simulator každý díl automaticky zasíťoval a propojil ho s odpovídajícími kostmi. Vše může být zobrazeno v 1D nebo 2D. Realistická povaha virtuálních až týden, zatímco nyní jde o jeden, maximálně dva dny. Časových úspor bylo možné dosáhnout i během už probíhající analýzy. AKS dokáže většinu analýz provést během několika hodin, maximálně dnů, v závislosti na složitosti modelu a dostupném výkonu počítače. Fyzické testování jen jediného prototypu implantátu by naproti tomu mohlo trvat i měsíce. Další kroky s řešením AKS Simulace dvou typů kolenních implantátů potvrdily, že konstrukce Mobile Bearing umožňuje větší, ačkoli nikoli zásadně větší rotaci. Při testování zátěže při podřepu byl stanoven jen nepatrný rozdíl. Simulace nepoukázaly na lepší výkon Mobile Bearing implantátů v porovnání s obvyklejšími Fixed Bearing implantáty. Zkoumání obou typů prostřednictvím nástroje Abaqus Knee Simulator bude ve společnosti MicroPort i v nemocnicích a na univerzitách pokračovat. Nasazení nástroje AKS u společnosti MicroPort ukázalo, že metoda konečných prvků není výhodná jen pro konstrukční vývoj. Může z ní profi tovat také byznys. Simulace pomohla ve společnosti MicroPort omezit nutnost fyzického prototypování a mechanických testů. Pomáhá navíc zkrátit čas nutný pro vývoj nových implantátů, a šetří tak náklady. Konstruktéři se proto mohou zaměřit na konstrukci a optimalizaci výrobku. Tomáš Ivančík Dassault Systèmes, www.3ds.com/cz-cz/