Naukowcy z dofinansowaniem w ramach konkursu SONATA - dr inż. Krzysztof Żerdzicki | Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechniki Gdańskiej

Projekt pt. „Mechanika zespoleń złamań przezkrętarzowych kości udowej: połączona analiza in vivo, in vitro oraz in silico.” jest wynikiem współpracy pomiędzy inżynierami z Politechniki Gdańskiej a lekarzami Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego podjętej w celu zrozumienia biomechaniki złamań przezkrętarzowych. Złamania te zaliczyć można do najczęściej spotykanych złamań człowieka wymagających operacji. Występują one najczęściej u osób w podeszłym wieku z zaawansowaną osteoporozą. Jedną z najpopularniejszych metod leczenia jest zespolenie złamania przy użyciu krótkiego gwoździa śródszpikowego (gamma nail). Niestety, komplikacje w okresie pooperacyjnym są wciąż częste i mogą prowadzić do wtórnego złamania kości. Konsensus dotyczący najlepszej metody zespolenia złamań przezkrętarzowych wciąż nie został osiągnięty. Głównym celem projektu jest rozwinięcie metodologii budowania wiarygodnego modelu obliczeniowego celem realizacji analizy numerycznej (in silico) zespolenia złamania przezkrętarzowego oraz przeprowadzenie powiązanych laboratoryjnych (in vitro) badań biomechanicznych. Z medycznego punktu widzenia, najważniejszym celem badań jest przeprowadzenie klinicznej (in vivo), laboratoryjnej oraz numerycznej analizy biomechaniki przezkrętarzowego niestabilnego złamania zespolonego krótkim gwoździem śródszpikowym.

W części doświadczalnej projektu kompozytowe kości sztuczne zostaną wykorzystane do stworzenia fizycznych modeli złamań przezkrętarzowych zespolonych przy użyciu krótkiego gwoździa. Dodatkowo, zastosowanie wzmacniającej pętli z kabla zostanie przeanalizowana dla wybranych przypadków złamań. Obciążenia fizycznych modeli zespoleń podczas badań laboratoryjnych mają odzwierciedlić siły generowane na kość udową podczas poruszanie się pacjenta w okresie po operacji, czyli podczas wstawania z krzesła i chodzenia. Uzyskane wyniki eksperymentalne będę następnie użyte do walidacji modelu numerycznego zespolenia złamania. Siły generowane przez mięśnie również będą brane pod uwagę w modelach doświadczalnych i numerycznych. Następnie, zostaną uwzględnione niepewności dotyczące różnorodności właściwości mechanicznych i geometrycznych kości ludzkich oraz zostanie sprawdzony ich wpływ na ocenę stabilności zespolenia. Końcowo, wyniki badań laboratoryjnych i numerycznych zostaną zestawione z obserwacjami klinicznymi pacjentów ze złamaniami przezkrętarzowymi. Przed-, śród- i pooperacyjne oraz kontrolne zdjęcia radiologiczne zostaną przeanalizowane pod względem jakości wykonanego zespolenia oraz położenia jego elementów.

Zrealizowana połączona metodologia in vivo, in vitro oraz in silico będzie zawierała zaproponowany zestaw badań eksperymentalnych, wiarygodny model obliczeniowy uwzględniający niepewności dotyczące zmienności materiałowych i geometrycznych właściwości zespoleń oraz analizę niezawodności, a także dane kliniczne do skontrolowania uzyskanych wcześniej wyników.

Projekt charakteryzuje się kilkoma innowacyjnymi aspektami. Po pierwsze, nowe stanowiska badawcze zostaną zbudowane w celu zasymulowania działania siły mięśni oraz odwzorowania skomplikowanego schematu ruchu ludzkiego ciała. Po drugie, rejestracja przemieszczeń podczas prób laboratoryjnych będzie cechowała się wysoką jakością gromadzonych danych dzięki zastosowaniu metod bazujących na cyfrowej korelacji obrazu. Następnie zostanie zaproponowany model obliczeniowy zespoleń złamań przezkrętarzowych sprawdzony pod kątem wiarygodnego przewidywania zachowania tego typu zespoleń. Model ten będzie mógł zostać zastosowany w przyszłości w celu optymalizacji leczenia złamań przezkrętarzowych.

Współpraca inżynierów mechaników z lekarzami ortopedami w celu poszerzenia wiedzy na temat zespoleń złamań kości udowej powinna korzystnie wpłynąć na efektywność leczenia złamań przezkrętarzowych. Rezultaty projektu będą bazą do opracowania nowych wytycznych dla lekarzy operatorów stosujących zespolenie krótkim gwoździem oraz dla inżynierów projektujących nowe implanty bazujących na wiarygodnych modelach obliczeniowych.

Kierownikiem całego projektu jest dr inż. Krzysztof Żerdzicki z Katedry Mechaniki Budowli, WiLIŚ PG, a za część medyczną odpowiada dr hab. n. med. Marcin Ceynowa z Katedry i Kliniki Ortopedii i Traumatologii Narządu Ruchu GUM.