Технологічне забезпечення виготовлення індивідуальних деталей ендопротезів на базі адитивних технологій
| dc.contributor.advisor | Пасічник, Віталій Анатолійович | |
| dc.contributor.author | Бурбурська, Світлана Валеріївна | |
| dc.date.accessioned | 2024-06-18T11:21:30Z | |
| dc.date.available | 2024-06-18T11:21:30Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description.abstract | Бурбурська С.В. Технологічне забезпечення виготовлення індивідуальних деталей ендопротезів на базі адитивних технологій. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 13 – Механічна інженерія за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Дисертація присвячена дослідженню складу, причинно-наслідкові зв'язків та впливу параметрів технологічних операцій комп'ютерно-інтегрованої технології підготовки даних, проектування, технологічного підготовлення та виготовлення деталей індивідуальних ендопротезів та супутнього технологічного оснащення на часові та економічні показники. В дисертації вирішено науковопрактичні завдання: визначення складових комплексної комп’ютерноінтегрованої технології проектування і виготовлення кастомного ендопротезу та супутньої хірургічної технологічної оснастки; встановлено причинно-наслідкові зв'язки між ними та визначено їх параметри, що впливають на якість і продуктивність; запропоновано математичний опис такої технології з позицій системного підходу у виді, придатному для створення комп'ютерно-інтегрованої технології, що включає проектування та виготовлення індивідуальних деталей ендопротезу та хірургічної технологічної оснастки, яка забезпечує вирішення завдання максимуму продуктивності за умови гарантування якості ключових результатів - індивідуального ендопротезу та хірургічної технологічної оснастки; досліджено практичні особливості окремих етапів для окремих клінічних випадків, що потребують кастомного ендопротезування з точки інтеграції до загальної комп’ютерно- інтегрованої технології; здійснено широке практичне впровадження комп’ютерно-інтегрованої технології у практику технологічного підготовлення до операції індивідуального ендопротезування, підтверджено її результативність та ефективність. Зміст роботи складається з чотирьох розділів, у яких викладено та обґрунтовано основні результати дисертації. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі дослідження, описано методи дослідження, надана інформація про наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. У першому розділі проведено аналіз літературних джерел з дослідження існуючих проблем за напрямками. Зокрема визначено різновиди і можливості застосування ендопротезів, складові процесу ендопротезування, які станом на сьогодні застосовуються у вітчизняній та світовій хірургічній практиці. Проведено аналіз сучасних технології та матеріалів для пришвидшеного виготовлення індивідуальних ендопротезів та супутніх елементів. Показані можливості та переваги застосування сучасних адитивних технологій у виготовленні кастомних ендопротезів. Проведено систематизацію сучасного програмного забезпечення для комп’ютерної інтеграції процесів виготовлення індивідуальних імплантатів, а також можливості кожного для реалізації різних етапів створюваної комп’ютерно-інтегрованої технології проєктування і виготовлення пацієнт-специфічних ендопротезів та хірургічної технологічної оснастки. Розкриті техніко-економічні аспекти кастомного ендопротезування та перспективи ринку. У другому розділі наведено опис нової концепції технологічного забезпечення виготовлення індивідуальних деталей ендопротезів на базі адитивних технологій. Для основних етапів такої технології, яка включає Preprocessing, Processing, Post-processing, визначено їхній склад в контексті проектування і виготовлення індивідуальних ендопротезів та хірургічної технологічної оснастки, а також склад обладнання, необхідного для реалізації такої технології. Визначено, що: на етапі Preprocessing необхідним є комп'ютерний томограф, магнітно-резонансний томограф, комп'ютерна техніка зі спеціалізованим програмним забезпеченням для оброблення зображень; на етапі Processing необхідним є комп'ютерна техніка зі спеціалізованим програмним забезпеченням для проєктування та підготовлення моделей для різних типів адитивних технологіях FDM, SLA, SLM/EBM з супутнім обладнанням, відповідні адитивні машини, хірургічний інструментарій для резекції та установки; на етапі Post-processing необхідним є є комп'ютерна техніка зі спеціалізованим програмним забезпеченням, необхідне для забезпечення підготовлення керуючих програм верстатів з ЧПК для механічного оброблення та самих верстатів з відповідним інструментальними забезпеченням, обладнання для термічної обробки, обладнання для нанесення покриттів, обладнання для стерилізації та упаковки. В розділі наведено опис формування віртуальної і натурної моделі анатомічного об’єкту, який передбачає об'єднання моделей, отриманих за допомогою КТ та МРТ, а також їх наступну матеріалізацію за допомогою адитивної технології FDM у масштабі 1:1. Описано процес та особливості планування хірургічної операції з використанням натурних моделей анатомічних об’єктів, виготовлених з використанням адитивних технологій. Для етапу конструювання кастомного ендопротезу визначена його послідовність за зонами - робочою, первинної фіксації, вторинної фіксації-остеоінтеграції, допоміжної. Розглянуті регулярні та стохастичні структури, які можуть відтворюватись в пацієнт-специфічних імплантатах і суттєво розширити можливості інженерного забезпечення з точки зору зниження маси, покращення остеоінтеграції та підвищення ефективності адитивної технології. Визначено, що інженерна перевірка працездатності конструкції кастомного імплантату має включати визначення механічних характеристик виробу, оптимізацію конструкції, розміщення елементів первинної фіксації. Розглянуті та проаналізовані особливості вибору і застосування технологій на етапі виготовлення та при простобробленні, а також забезпечення їх якості шляхом технічного контролю. У третьому розділі представлено результати досліджень, спрямованих на формалізацію і математичний опис комп'ютерно-інтегрованої технології проєктування і виготовлення індивідуальних деталей ендопротезу та хірургічної технологічної оснастки. Тут основними складовими є модель такої технології, створена на базі системного підходу та математичний опис взаємозв'язків етапів такої технології з точки зору ймовірності досяжності запланованого результату. Зокрема, представлена нова модель комп'ютерно-інтегрованого процесу технологічного підготовлення і виготовлення індивідуальних ортопедичних імплантів, яка за допомогою нотації BPMN дозволяє математично описати різні аспекти виробничого процесу – від звернення замовника до відвантаження упакованого виробу. Виділені п’ять послідовних етапів: 1. Ініціювання розробки і отримання вхідних даних; 2. Реверс-інжиніринг і підготовка технічного завдання; 3. Проєктування; 4. Прототипування і виготовлення хірургічних навігаторів; 5. Виробництво кастомного імплантату. На кожному з цих етапів визначені ключові виконавці - Медичний заклад, Розробник (Лабораторія), Субпідрядник(и) виробництва. Узагальнено взаємодія ключових виконавців на кожному з етапів конструкторсько-технологічного підготовлення і виготовлення імплантатів. Визначені групи і підгрупи ресурсів, які мають забезпечувати реалізацію запропонованої технології. Обґрунтовано, що: до складу людських ресурсів мають входити медичні, проєктні, виробничі; до складу інформаційних ресурсів мають входити ті, що забезпечують розробку та виготовлення; до складу матеріальних ресурсів мають входити медичні, проєктні, виробничі. Для кожного виду визначено їх деталізований склад. В кожному з 5-ти етапів технології визначені ролі, які виконують певні задачі, а також взаємодіють між собою шляхом обміну даними та результатами прототипування і виготовлення. Це в сукупності для кожного етапу окремо і для всієї технології в цілому дозволило визначати перелік необхідних ресурсів, тривалість виконання, вартість використання ресурсів. Показано, що після того, як визначені основні ресурси, які безпосередньо впливають на час виготовлення кастомного імплантату від звернення пацієнта до доставки готового виробу і медичний заклад, може бути вирішена задача оптимізації процесу розробки, яка в якості цільової функції може визначити мінімізацію часу або мінімізацію вартості. Для вирішення задачі прогнозування тривалості набору робіт побудована Баєсова мережа комп'ютерно-інтегрованої технології проєктування та виготовлення індивідуальних ортопедичних імплантів та хірургічно технологічної оснастки, яка представляє собою орієнтований ациклічний граф = в якому кожній вершині відповідає випадкова змінна, а дуги графа кодують відношення умовної незалежності між цими змінними. Визначено етапи, події та причини, що впливають на ймовірність події, побудовано граф зв'язків між подіями, на основі практичного досвіду визначено ймовірності настання відповідних подій. У четвертому розділі наведені описи прикладів практичної реалізації комп'ютерно-інтегрованої технології проєктування та виготовлення пацієнтспецифічних імплантів та хірургічної технологічної оснастки. Зокрема подана інформація про 4-и практичні випадки практичного застосування системи інженерної підтримки при виготовленні індивідуальних імплантатів ацетабулярного компоненту на базі адитивних технологій. Наведені приклади передові інженерно-технічні рішення кастомного ендопротезування, реалізовані в широкому контексті можливостей, зокрема ті, що стосуються окремо ендопротезування зони кульшового суглобу, а також заміни діафізу кістки, кастомного ендопротезування колінного суглобу. Окрема увага приділена системі управління якістю, яка забезпечує реалізацію комп'ютерно-інтегрованої технології проєктування та виготовлення кастомних імплантів та хірургічної технологічної оснастки, реалізованої в ТОВ “Остеоніка” цілим набором робочих інструкції. Подано опис і приклади практичної реалізації системи забезпечення якості виготовлення кастомних ендопротезів. Визначено вимоги до основного документу - робочої інструкції, яка має містити: вимоги до вхідних даних; правила узгодження систем координат; вимоги до конструктивних елементів; обмеження та застереження; вимоги до контролю вихідних даних. Виділено основні показники якості імпланту: показники ергономічності; показники надійності; показники технологічності; показники безпеки. Визначено елементи, які можуть стати основою для подальшої автоматизації процесу контролю якості виробу. Результати дисертаційного дослідження широко впроваджені у практику хірургічного втручання у понад 300 випадків, інженерно-технологічне забезпечення яких виконано здобувачкою. | |
| dc.description.abstractother | Burburska S.V. Technological support for the manufacturing of individual components of endoprostheses based on additive technologies. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Thesis for the scientific degree of the doctor of philosophy, the field of study 13 – Mechanical Engineering, program subject area 131 – Applied Mechanics. National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2024. The dissertation explores the composition, cause-effect relationships, and influence of the parameters of technological operations of computer-integrated technology for data preparation, design, technological preparation, and manufacture of parts of individual endoprostheses and related technological equipment on time and economic indicators. The thesis solves addresses scientific and practical tasks: defining the components of a comprehensive computer-integrated technology for designing and manufacturing a custom endoprosthesis and associated surgical technological equipment; establishing cause-and-effect relationships between them and determining parameters, which are affecting the quality and productivity; proposing a mathematical description of such a technology from the standpoint of a systematic approach in a form suitable for creating a computer-integrated technology which includes the design and manufacture of individual components of endoprostheses and surgical technological equipment and ensures the achievement of maximum productivity while guaranteeing the quality of key results - the custom endoprosthesis and surgical technological equipment; investigating practical features of individual stages for specific clinical cases requiring custom endoprosthesis, from the standpoint of integrating them into the overall computer-integrated technology; extensive practical implementation of computer-integrated technology in the practice of technological preparation for custom endoprosthesis operations is carried out, confirming its effectiveness and efficiency. The dissertation consists of four chapters presenting and justifying the main results of the thesis. The introduction demonstrates the relevance of the dissertation topic, formulates the purpose and objectives of the study, describes the research methods, and provides information on the scientific novelty and practical significance of the obtained results. The first chapter analyzes literature sources on existing problems in various areas. It identifies types and applications of endoprostheses, components of the endoprosthesis process currently used in domestic and global surgical practice, analyzes modern technologies and materials for accelerated manufacturing of individual endoprostheses and accompanying elements, and demonstrates the possibilities and advantages of applying modern additive technologies in the production of custom endoprostheses. The chapter systematizes modern software for computer integration of processes of manufacturing individual implants, as well as the capabilities of each for implementing different stages of the created computer-integrated technology for designing and manufacturing custom endoprostheses and surgical technological equipment, addressing technical and economic aspects of custom endoprosthesis and market prospects. The second chapter describes a new concept of technological support for the manufacturing of individual endoprosthesis parts based on additive technologies. The composition of the main stages of such technology, including Preprocessing, Processing, and Post-processing, is defined in the context of designing and manufacturing custom endoprostheses and surgical technological equipment, as well as the composition of the equipment necessary for implementing such technology. The following conclusions were reached: in the Preprocessing stage, computer tomography, magnetic resonance tomography, and computer equipment with specialized software for image processing are required; in the Processing stage, computer equipment with specialized software for designing and preparing models for various types of additive technologies (FDM, SLA, SLM/EBM) with accompanying equipment, relevant additive machines, surgical instruments for resection and installation are necessary; in the Postprocessing stage, computer equipment with specialized software is required to prepare control programs for CNC machines for mechanical processing and the machines themselves with corresponding tooling, thermal treatment equipment, coating equipment, sterilization and packaging equipment. The chapter describes the formation of virtual and physical models of the anatomical object, which involves merging models obtained through CT and MRI, as well as their subsequent materialization using FDM additive technology at a 1:1 scale. The process and features of planning a surgical operation using full-scale models of anatomical objects manufactured using additive technologies are described. The sequence of constructing a custom endoprosthesis is determined by zones - working, primary fixation, secondary fixation-osseointegration, and auxiliary. Regular and stochastic structures that can be reproduced in custom implants, significantly expanding the capabilities of engineering support in terms of reducing weight, improving osseointegration, and increasing the efficiency of additive technology, are considered. The chapter shows proof that the engineering verification of the usability of the custom implant design should include the determination of the mechanical characteristics of the product, optimization of the design, and placement of primary fixation elements. The features of selecting and applying technologies in the manufacturing and post-processing stages, as well as ensuring their quality through technical control, are considered and analyzed. The third chapter presents the results of research aimed at formalizing and mathematically describing the computer-integrated technology for designing and manufacturing individual components of endoprostheses and surgical technological equipment. The main components here are the model of such technology, created based on a systemic approach, and the mathematical description of the relationships between the stages of this technology in terms of the probability of achieving the planned result. In particular, a new model of the computer-integrated process of technological preparation and production of individual orthopedic implants is presented. This model, using BPMN notation, allows for a mathematical description of various aspects of the manufacturing process – from customer inquiry to shipment of the packaged product. There are five consecutive stages: 1. Initiation of development and receipt of input data; 2. Reverse engineering and preparation of technical specifications; 3. Design; 4. Prototyping, and manufacturing of surgical navigators; 5. Production of a customized implant. At each of these stages, the key performers are identified - Medical Institution, Developer (Laboratory), and Production Subcontractor(s). The interaction of key performers at each stage of design and technological preparation and manufacturing of implants is summarized. Groups and subgroups of resources that should ensure the implementation of the proposed technology are identified. The following conclusions were reached: human resources should include medical, design, and production resources; information resources should include those that ensure development and manufacturing; material resources should include medical, design, and production resources. For each type, their detailed composition is defined. Each of the 5 stages of the technology defines business roles that perform certain tasks and interact with each other by exchanging data and the results of prototyping and manufacturing. This allows for determining the list of required resources, the duration of execution, and the cost of resource utilization for each stage individually and for the entire technology as a whole. It is shown that after identifying the main resources directly influencing the time of custom implant manufacturing from patient inquiry to the delivery of the finished product to the medical institution, the optimization task of the development process can be solved, with the target function being the minimization of time or cost. To solve the problem of predicting the duration of a set of works, a Bayesian network of computer-integrated technology for the design and manufacture of individual orthopedic implants and surgical technological equipment was built, which is an oriented acyclic graph G =V, E, in which each vertex V corresponds to a random variable, and the arcs E of the graph encode the relationship of conditional independence between these variables. Stages, events, and causes affecting the probability of an event are identified, and a graph of relationships between events is constructed. Based on practical experience, probabilities of the occurrence of corresponding events are determined. The fourth chapter describes examples of the practical implementation of computer-integrated technology for the design and manufacture of custom implants and surgical technological equipment. Specifically, information is presented on four practical cases of applying engineering support systems in the manufacturing of custom acetabular component implants based on additive technologies. Examples of advanced engineering and technical solutions for custom arthroplasty implemented in a wide range of possibilities are presented, including those related to hip arthroplasty, diaphysis replacement, and custom knee arthroplasty. Special attention is given to the quality management system that ensures the implementation of computer-integrated technology for designing and manufacturing custom implants and surgical technological equipment, implemented by Osteonica LLC through a complete set of workflow instructions. Descriptions and examples of the practical implementation of the quality assurance system for manufacturing custom endoprostheses are provided. Requirements for the main document - the workflow instruction - are defined, which should include: requirements for input data; rules for matching coordinate systems (CAD environment coordinate system and anatomical objects coordinate system); requirements for structural elements; limitations and warnings; and requirements for controlling output data. The main indicators of implant quality, such as ergonomic indicators, reliability indicators, technological indicators and safety indicators, have been identified. Elements that can serve as a basis for further automation of the product quality control process have been defined. The results of the dissertation research have been widely implemented in the practice of surgical interventions in over 300 cases, with the engineering and technological support carried out by the doctoral candidate. | |
| dc.format.extent | 164 с. | |
| dc.identifier.citation | Бурбурська, С. В. Технологічне забезпечення виготовлення індивідуальних деталей ендопротезів на базі адитивних технологій : дис. … д-ра філософії : 131 – Прикладна механіка / Бурбурська Світлана Валеріївна. – Київ, 2024. – 164 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/67237 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | Адитивні Технології | |
| dc.subject | Адитивне Виробництво | |
| dc.subject | 3D імітаційна модель | |
| dc.subject | Оптимальне проєктування | |
| dc.subject | Планування технологічного процесу | |
| dc.subject | Параметри якості | |
| dc.subject | Формоутворення | |
| dc.subject | Біоінженерія | |
| dc.subject | Ендопротез | |
| dc.subject | Кастомний Імплант | |
| dc.subject | Хірургічний інструмент | |
| dc.subject | Additive Technologies | |
| dc.subject | Additive Manufacturing | |
| dc.subject | 3D simulation model | |
| dc.subject | Optimal design | |
| dc.subject | Technological process planning | |
| dc.subject | Quality parameters | |
| dc.subject | Forming | |
| dc.subject | Bioengineering | |
| dc.subject | Endoprosthesis | |
| dc.subject | Custom Implant | |
| dc.subject | Surgical instrument | |
| dc.subject.udc | 616-089.843:681.6-3-023.5](043.3) | |
| dc.title | Технологічне забезпечення виготовлення індивідуальних деталей ендопротезів на базі адитивних технологій | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Burburska_dys.pdf
- Розмір:
- 5.01 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: