Gyógyítás gépészszemmel

A bevezetőben említett problémáknak több oka is lehet. Az egyik például a csontritkulás (osteoporosis), ahol a csontok összetétele megváltozik, mechanikai ellenálló képességük csökken, ami megnöveli a törések esélyét. Ez a jelenség az idősebb korosztálynál figyelhető meg leginkább. Törés után a gerinc egyes részeiben a túlterhelés hatására a nociceptív reflexutakon fájdalomérzet keletkezik, vagyis a törésfelszín mozgásai állandóan ingerlik a fájdalomérző receptorokat.

A páciensek fájdalmának csökkentésére, életminőségének javítására több beavatkozást fejlesztettek ki. Az egyik ilyen a csigolyatestbe történő csontcement-injektálás, ahol a megszilárduló kétkomponensű anyag veszi át a csont tartószerepét. Igen ám, de milyen készülékkel valósítható meg az anyag bejuttatása?

Szó szerint szűk keresztmetszet

Egy ilyen eszközzel szemben számos feltétel áll fenn, amelyek mindegyikét figyelembe kellett venni a tervezés során. Az egyik legfontosabb szempont a beteg épsége, egészségének megőrzése, illetve javítása. Egy ilyen komplex munkához a tervezőnek segítségre van szüksége, mégpedig egy olyan 3D-s tervezőszoftverre, amellyel képes modellezni az eszközt, ellenőrizni tudja a működését, különböző szimulációkat végezhet rajta – mozgási, illeszkedési, áramlási stb. –, ezenfelül pedig végeselem-analízissel lehetőséget ad a deformációk megjelenítésére.  A következőkben bemutatott eszköz minden darabját a SolidWorks 3D-s parametrikus gépészeti tervezőprogrammal tervezték. A konkrét feladat egy nagy viszkozitású anyag, a már említett csontcement bejuttatása a csigolyatestbe. Ez a két hátranyúló keskeny nyúlványon – pediculus arcus vertebrae – keresztül oldható meg, amelyek keresztmetszete megközelítőleg 5-7 mm. Ez a rendkívül szűk keresztmetszet kihívás elé állítja mind az orvost, mind a mérnököt.

Injektálás részegységei

A csontcement bejuttatásához több részegység megtervezésére volt szükség: egy kanülre csatlakozási lehetőséggel, egy, a csontcementet átpréselő hidraulikus rendszerre és egy vezérlőegységre, amelynek segítségével az orvos szabályozhatja a csontcement mennyiségét. Az orvos feladata bejuttatni a kanült a csigolyába, amihez mérnöki munkával kellett biztosítani, hogy a kanül megfelelő merevséggel és szilárdsággal rendelkezzen. A menetes csatlakozást fröccsöntéssel alakították ki a cső végén. A SolidWorks segítségével egy gombnyomással beállítható a falferdeség, és ellenőrizhetők a fröccsöntő szerszám alámetszései.

Az orvosok kérésére kiegészítő eszközöket is terveztek a rendszerhez, amelyekkel mintát lehet nyerni a csontszövetből, illetve bővíthető a csontcement számára a hely. A kanül végét úgy tervezték meg, hogy egy fogantyú elforgatásával behajlik, így olyan területekre is elérhetünk vele, amelyek egyébként a morfológiából adódóan nehezen hozzáférhetők. Tehát mostanra sikerült bejutnunk a csigolyába, mintát venni belőle, és nagyobb helyet előkészíteni a csontcementnek.  Ezután következik a csontcement beinjektálása, amihez nagy nyomásra van szükség, a csontcement nagy sűrűségéből és a kanül kis keresztmetszetéből adódóan. Ehhez egy olyan hidraulikus rendszert kellett létrehozni, amely képes elviselni a nagy nyomásokat (mintegy 100-120 bar). A SolidWorks segítségévvel azonban előre modellezni lehetett a deformációkat (végeselem-analízis).

Hidraulikus rendszer működése

A működés lényege, a rendszer részletes ismertetése nélkül, hogy a csontcement egy kisebb átmérőjű fecskendőbe kerül, amelyet hozzácsatlakoztatunk egy nagyobb átmérőjű fecskendőhöz. Amikor hidraulikus folyadékot pumpálunk a nagyobb fecskendőbe, az előretolja a dugattyút, és kinyomja a csontcementet. Az átmérőkülönbségre a nyomásáttételezés miatt van szükség: p1×A1=p2×A2. A nagyobb cementnyomás eléréséhez így alacsonyabb munkanyomást lehetett alkalmazni a meghajtórendszerben. Ezután a csontcement áthalad egy fűtőegységen, tovább növelve a csontcement konzisztenciáját, ami azért jó, mert a sűrűbb anyag nem tud kifolyni a csigolyatest repedésein, és képes lehet a kompressziós deformáció csökkentésére.