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Applicazioni di tecniche CAE/RE nella
progettazione di moderne protesi in ambito
sanitario
Ing. Tommaso INGRASSIA
Dipartimento di Ingegneria Chimica, Gestionale,
Informatica, Meccanica - Palermo
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Contenuti della presentazione
• CAE/RE
• Laboratorio e attrezzature
• Principali attività di ricerca relative a:- Protesi di spalla
- Protesi di ginocchio
- Chiodo endomillare
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CAE/RE
• CAE - Computer Aided Engineering (CAD, FEM, CFD, etc..)
• RE – Reverse Engineering
Modello reale
Acquisizione dei dati
Point cloud Meshing Modello CAD
Laboratorio di Realtà Virtuale «F. Cappello»
Laboratorio di Realtà Virtuale – Principali attrezzature
• Sistema Barco-Gemini - Schermo retroproiettato
• Sistema di tracciamento ottico - ART
• Workstation per grafica e calcolo numerico – DELL Precision
• Sistemi haptic : Phantom – Virtuose by Haption
• 2 Scanner 3D
Sistema Barco-Gemini - Schermo retroproiettato
Sistemi haptic
Scanner 3D
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Strumenti hardware/software:
- Sistemi di reverse engineering
- Modellatori CAD
- Codici numerici (FEM)
- Sistemi Haptic
- Sistemi di visualizzazione 3D
REALTA’
VIRTUALE
PROTOTIPAZIONE
VIRTUALE
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• Principali attività di ricerca relative a:- Protesi di spalla
- Protesi di ginocchio
- Chiodo endomillare
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OBIETTIVO
STUDIO CINEMATICO DI UNA PROTESI INVERSA DI SPALLA INNOVATIVA
ANALISI DI UNA PROTESI DI SPALLA
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PROCEDURA
ACQUISIZIONE DEL MODELLO 3D E MODELLAZIONE CAD
ANALISI DI UNA PROTESI DI SPALLA
Acquisizione Superfici
Trattamento superfici con opacizzante
Calibrazione dello strumento (se necessario)
Scansione superfici
ACQUISIZIONE DEL MODELLO 3D
Ridistribuzione dei punti nelle posizioni statisticamente corrette imponendo un limite di deviazione standard.
Eliminazione dei punti «spuri».
Ottimizzazione della spaziatura dei punti settando un offset predefinitito.
POST-PROCESSING
Creazioni delle superfici Modello CAD
Importazione scapola ed omero da
modello CAD di scheletro umano
Simulazione Artroplastica
Resezione della testa omerale e
modellazione della diafisi
Spianatura cavità glenoidea
Assemblaggio
Omero
Stelo
Metaglena
Inserto in polietilene
Sfera glenoidea
Scapola
Assemblaggio completo
Cambia l’offset tra l’asse dell’omero ed il centro
di rotazione della sfera glenoideaPreviste quattro posizioni studio
Grado 12 Offset Basso
Grado 3 Offset Sinistro
Grado 6 Offset Alto
Grado 9 Offset Destro
Analisi delle posizioni limite
Offset Destro
Offset Alto
Offset sinistro
Offset Basso
angoli formati tra l’asse dell’omero (mosso parallelamente al
piano frontale) e l’asse longitudinale nelle posizioni di massimo
spostamento
Abduzione sul piano verticale
Abduzione sul piano verticale
Offset Basso 62,08°
Offset Sinistro 67,26°
Offset Alto 73,23°
Offset Destro 69,02°
Adduzione
Adduzione sul piano verticale
Offset Basso 86,38°
Offset Sinistro 85,00°
Offset Alto 87,05°
Offset Destro 87,30°
Rotazione esterna
Rotazione esterna
Offset Basso 68,97°
Offset Sinistro 68,02°
Offset Alto 68,36°
Offset Destro 67,95°
Rotazione interna
Offset Basso 25,77°
Offset Sinistro 25,96°
Offset Alto 25,08°
Offset Destro 24,99°
Rotazione interna
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OBIETTIVO
STUDIO NUMERICO FEM DI UNA PROTESI INVERSA DI SPALLA
ANALISI DI UNA PROTESI DI SPALLA
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OBIETTIVO
STUDIARE L’INFLUENZA DEL POSIZIONAMENTO DI UNA PROTESI INVERSA DI SPALLA
ANALISI DI UNA PROTESI DI SPALLA
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PROCEDURA
ACQUISIZIONE DEL MODELLO 3D E MODELLAZIONE CAD
ANALISI DI UNA PROTESI DI SPALLA
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PROCEDURA
SIMULAZIONE NUMERICA FEM
ANALISI DI UNA PROTESI DI SPALLA
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RISULTATI
VALUTAZIONE DEI RAPPORTI DI STABILITA’
R=Ft/Fc
ANALISI DI UNA PROTESI DI SPALLA
θ Rv Ro
0° 1.21 1.06
20° 1.37 1.69
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OBIETTIVI
CONFRONTARE LO STATO DI SOLLECITAZIONE NEGLI INSERTI IN PE DI DUE PROTESI DI GINOCCHIO
MIGLIORARE LE PRESTAZIONI MODIFICANDO LA GEOMETRIA DI UNA PROTESI
ANALISI ED OTTIMIZZAZIONE DI PROTESI DI GINOCCHIO
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PROCEDURA
ACQUISIZIONE DEL MODELLO 3D E MODELLAZIONE CAD
ANALISI ED OTTIMIZZAZIONE DI PROTESI DI GINOCCHIO
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PROCEDURA
SIMULAZIONE NUMERICA FEM (Condizioni di carico e Vincoli)
ANALISI ED OTTIMIZZAZIONE DI PROTESI DI GINOCCHIO
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RISULTATI
STIMA DELL’USURA
ANALISI DI UNA PROTESI DI SPALLA
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RISULTATI
MODIFICA GEOMETRIA -> MIGLIORAMENTO PRESTAZIONI
ANALISI DI UNA PROTESI DI SPALLA
0
20
40
60
80
100
120
140
60 90 120
Co
nta
ct
str
ess [
MP
a]
Flexion angle [deg]
Stryker orig.
Stryker mod.
0
20
40
60
80
60 90 120
Co
nta
ct
str
ess [
MP
a]
Flexion angle [deg]
Stryker orig.
Stryker mod.
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OBIETTIVO
PROGETTARE UN NUOVO SISTEMA PER IL BLOCCAGGIO DISTALE DEI CHIODI ENDOMIDOLLARI
PROGETTAZIONE DI UN CHIODO ENDOMIDOLLARE
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PROCEDURA
METODOLOGIA DI PROGETTAZIONE STRUTTURATA BASATA SULLA MESSA A PUNTO DI DIVERSI CONCEPT SELEZIONABILI A MEZZO DI TECNICHE DI VALUTAZIONE QUALITATIVA E QUANTITATIVA
PROGETTAZIONE DI UN CHIODO ENDOMIDOLLARE
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PROCEDURA
MODELLAZIONE CAD PARAMETRICA
PROGETTAZIONE DI UN CHIODO ENDOMIDOLLARE
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PROCEDURA
SIMULAZIONE NUMERICA FEM
PROGETTAZIONE DI UN CHIODO ENDOMIDOLLARE
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RISULTATI
IL CHIODO PROGETTATO PERMETTE IL FISSAGGIO DISTALE IN MODO SEMPLICE ED EFFICACE PERMETTENDO UNA RIDUZIONE DEI TEMPI
OPERATORI E UNA RAPIDA MOBILIZZAZIONE DELL’ARTO
PROGETTAZIONE DI UN CHIODO ENDOMIDOLLARE
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OBIETTIVI
CREARE UNA APPLICAZIONE HAPTIC BASED A SCOPO DI TRAINING CHE SIMULA LA TECNICA DIAGNOSTICA DELLA PALPAZIONE
SIMULATORE HAPTIC BASED
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COS’È HAPTIC?
La tecnologia Haptic introduce il senso del tatto nelle simulazioni di realtà virtuale
SIMULATORE HAPTIC BASED
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PROCEDURA
È STATO CONSIDERATO UNO TRATTO DI CORPO UMANO (SEMPLIFICATO), UN NODULO SOTTOCUTANEO ED IL DITO
DELL’OPERATORE
CREAZIONE DEI MODELLI CAD E DEI SISTEMI MASSE E MOLLE
SIMULATORE HAPTIC BASED
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PROCEDURA
È STATO CONSIDERATO UNO TRATTO DI CORPO UMANO (SEMPLIFICATO), UN NODULO SOTTOCUTANEO ED IL DITO
DELL’OPERATORE
CREAZIONE DEI MODELLI CAD E DEI SISTEMI MASSE E MOLLE
SIMULATORE HAPTIC BASED
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RISULTATI
ATTRAVERSO L’APPLICAZIONE È POSSIBILE VALUTARE LA POSIZIONE, LA CONSISTENZA E LA GEOMETRIA DI ORGANI E FORMAZIONI
SOTTOCUTANEE
SIMULATORE HAPTIC BASED
