Розробка легкої шини для відведення кісток для дітей з ДКШ за допомогою топологічної оптимізації

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2026.351704

Ключові слова:

дисплазія, абдукційна шина, оптимізація, метод скінченних елементів, адитивне виробництво, педіатрія

Анотація

Об'єктом дослідження є структурна геометрія абдукційної шини для дітей з дисплазією розвитку. Вирішена проблема – існуючі комерційні ортопедичні вироби мають надмірну вагу та неналежний розподіл контактного тиску, що призводить до пошкодження м’яких тканин, подразнення шкіри та низької прихильності до лікування у дітей. Основні наукові результати – для перепроектування геометрії шини було застосовано топологічну оптимізацію на основі ізотропного твердого матеріалу з використанням методу штрафування. Три медичні полімери (ABS Medical, PETG Medical та PP) були порівняно оцінені за допомогою статичного аналізу методом скінчених елементів (FEA). ABS Medical було обрано як оптимальний матеріал завдяки його початковому коефіцієнту безпеки 14,95. Ітераційний процес оптимізації, що охопив 81 цикл, дозволив зменшити масу на 18,96% (з 395,34 г до 320,38 г) при збереженні коефіцієнта безпеки 13,69, що значно перевищує мінімальне значення 2,52, встановлене за методом Пагслі для педіатричних медичних виробів. Піковий контактний тиск досяг 0,962 кПа, що значно нижче критичного порогу капілярної оклюзії в 5,2 кПа. Інтерпретація – зменшення ваги є результатом перерозподілу матеріалу вздовж головних векторів напруження, визначених за допомогою аналізу методом скінченних елементів. Відмінні риси – цей підхід дозволяє досягти майже подвійного зменшення маси порівняно з аналогічними дослідженнями (18,96% проти 9,58%). Практична цінність – ці результати забезпечують перевірену методологію для виготовлення легких і безпечніших ортопедичних пристроїв за допомогою адитивного виробництва методом наплавлення (FDM), що дозволяє мінімізувати дерматологічні ускладнення

Спонсор дослідження

  • Universidad Nacional de San Agustin de Arequipa

Біографії авторів

Alex Condori Lopez, Universidad Nacional de San Agustin de Arequipa

Bachelor in Mechanical Engineering

Mechanical Engineering Professional School

Eber Mejia Tola, Universidad Nacional de San Agustin de Arequipa

Bachelor in Mechanical Engineering

Mechanical Engineering Professional School

Yuri Silva Vidal, Universidad Nacional de San Agustin de Arequipa

Doctor of Science with a Mention in Mechatronic Engineering

Mechanical Engineering Professional School

Erick Valdeiglesias Flores, Universidad Nacional de San Agustin de Arequipa

Ерік Х. Вальдейгеліас народився в Арекіпі 15 листопада 1999 року. Він є інженером-механіком, закінчив Національний університет Сан-Агустін (UNSA), Арекіпа, Перу.
Він отримав стипендію Backus і San Juan (2015-2021) – Вища університетська та технічна ступінь Системи управління освітніми пільгами (SABE). У 2020 році працював помічником інженера-проектувальника в Codimsur S.R.L. У 2021 році працював молодшим науковим співробітником у 406-й ескадрильї технічного обслуговування 4-ї повітряної групи ВПС Перу (FAP).
Він брав участь як дослідник у Міжнародному проекті співпраці 2021 року з використанням додатків платформи 3D Experience, організованому Технологічним інститутом Мауа, Бразилія. Він також співпрацював як молодший науковий співробітник у проекті UDEX Bomb Defusal Robot.
В даний час він проводить наукові дослідження в Національному університеті Сан-Агустін-де-Арекіпа (UNSA) в галузі робототехніки, біотехнології, адитивного друку та аеродинаміки.

Daniela Ponte Lopez, Universidad Nacional de San Agustin de Arequipa

Bachelor of Science in Nursing

Nursing Professional School

Trunks Vasquez Llave, Universidad Nacional de San Agustin de Arequipa

Mechanical Engineer

Mechanical Engineering Professional School

Посилання

  1. Ionescu, A., Dragomirescu, M.-C., Herdea, A., Ulici, A. (2023). Developmental Dysplasia of the Hip: How Many Risk Factors Are Needed? Children, 10 (6), 968. https://doi.org/10.3390/children10060968
  2. Burden of Disease. Global Hip Dysplasia Registry. Available at: https://www.hipregistry.com/burden-of-disease
  3. Tao, Z., Wang, J., Li, Y., Zhou, Y., Yan, X., Yang, J. et al. (2023). Prevalence of developmental dysplasia of the hip (DDH) in infants: a systematic review and meta-analysis. BMJ Paediatrics Open, 7 (1), e002080. https://doi.org/10.1136/bmjpo-2023-002080
  4. Kraus, T., Chiari, C. (2024). Universal screening for developmental dysplasia of the hip in Austria: what have we learned? Exploration of Musculoskeletal Diseases, 2 (3), 208–215. https://doi.org/10.37349/emd.2024.00049
  5. Talal Ahmad Amer, M.D., A. R. M. M. D., Elaziz Elsaaid, M.D., M. A. (2021). Role of Ultrasound in Screening of Infantile Developmental HipDysplasia. The Medical Journal of Cairo University, 89 (3), 329–336. https://doi.org/10.21608/mjcu.2021.153946
  6. Hip dysplasia. Mayo Clinic. Available at: https://www.mayoclinic.org/diseases-conditions/hip-dysplasia/symptoms-causes/syc-20350209
  7. Guías de Salud. Available at: https://www.lne.es/salud/guia/
  8. Jacobsen, K. K., Laborie, L. B., Kristiansen, H., Schäfer, A., Gundersen, T., Zayats, T., Rosendahl, K. (2024). Genetics of hip dysplasia – a systematic literature review. BMC Musculoskeletal Disorders, 25 (1). https://doi.org/10.1186/s12891-024-07795-2
  9. Pavone, V., de Cristo, C., Vescio, A., Lucenti, L., Sapienza, M., Sessa, G. et al. (2021). Dynamic and Static Splinting for Treatment of Developmental Dysplasia of the Hip: A Systematic Review. Children, 8 (2), 104. https://doi.org/10.3390/children8020104
  10. Drobniewski, M., Gonera, B., Olewnik, Ł., Borowski, A., Ruzik, K., Triantafyllou, G., Borowski, A. (2024). Challenges and Long-Term Outcomes of Cementless Total Hip Arthroplasty in Patients Under 30: A 24-Year Follow-Up Study with a Minimum 8-Year Follow-Up, Focused on Developmental Dysplasia of the Hip. Journal of Clinical Medicine, 13 (21), 6591. https://doi.org/10.3390/jcm13216591
  11. O’Brien, M. J., Semciw, A. I., Mechlenburg, I., Tønning, L. C., Stewart, C. J., Kemp, J. L. (2023). Pain, function and quality of life are impaired in adults undergoing periacetabular osteotomy (PAO) for hip dysplasia: a systematic review and meta-analysis. HIP International, 34 (1), 96–114. https://doi.org/10.1177/11207000231179610
  12. Gahleitner, M., Pisecky, L., Gotterbarm, T., Högler, W., Luger, M., Klotz, M. C. (2023). Long-term Results of Developmental Hip Dysplasia Under Therapy With Pavlik Harness. Journal of Pediatric Orthopaedics, 44 (3), 135–140. https://doi.org/10.1097/bpo.0000000000002575
  13. Rastogi, P., Anant, S., Agarwal, S., Singh Oberoi, I., Tiwari, P. (2025). A Systematic Review on Neonatal Screening and Orthopaedic Management of Developmental Dysplasia of The Hip Through a Synthesis of Diagnostic Yield and Pavlik Harness Outcomes. Journal of Neonatal Surgery, 14 (8S), 968–979. Available at: https://www.jneonatalsurg.com/index.php/jns/article/view/5223
  14. Imerci, A., Thacker, M. M., Bowen, J. R. (2024). Failure of Pavlik Harness Treatment in Infants Under 6 Months Old with Dislocated Hips: Short- and Intermediate-Term Results of Subsequent Treatment Modalities. Indian Journal of Orthopaedics, 58 (9), 1288–1296. https://doi.org/10.1007/s43465-024-01162-y
  15. Rakotonandrianina, M. N. H., MG., A. T. R., Tata, T. J. F., Solofomalala, G. D. (2023). Orthosis Treatment for Patients with Congenital Hip Dislocation. Surabaya Physical Medicine and Rehabilitation Journal, 5 (1), 17–24. https://doi.org/10.20473/spmrj.v5i1.36926
  16. Zhi, X., Xiao, X., Wan, Y., Wei, P., Canavese, F., Xu, H. (2021). Tübingen hip flexion splint for the treatment of developmental dysplasia of the hip in children younger than six months age: A meta-analysis. Journal of Children’s Orthopaedics, 15 (4), 402–408. https://doi.org/10.1302/1863-2548.15.210015
  17. Wahlen, R., Zambelli, P.-Y. (2015). Treatment of the Developmental Dysplasia of the Hip with an Abduction Brace in Children up to 6 Months Old. Advances in Orthopedics, 2015, 1–6. https://doi.org/10.1155/2015/103580
  18. Dyskin, E., Ferrick, M. (2015). Semirigid Abduction Bracing is Effective Treatment of Reducible Developmental Dysplastic Hips after Failure of Pavlik Harness. Ann. Orthop. Rheumatol., 3 (2), 1045. Available at: https://www.jscimedcentral.com/jounal-article-pdf/Annals-of-Orthopedics-and-Rheumatology/orthopedics-3-1045.pdf
  19. Hoopes, R. R. (2020). A Retrospective Study to Identify Factors Contributing to Pressure Ulcers in Pediatric Patients with Lower Extremity Splints. Biomedical Journal of Scientific & Technical Research, 30 (3). https://doi.org/10.26717/bjstr.2020.30.004957
  20. Grzybowski, G., Bliven, E., Wu, L., Schaeffer, E. K., Gibbard, M., Zomar, B. O. et al. (2022). Caregiver Experiences Using Orthotic Treatment Options for Developmental Dysplasia of the Hip in Children. Journal of Pediatric Orthopaedics, 43 (2), 105–110. https://doi.org/10.1097/bpo.0000000000002312
  21. Sala, F., D’Urso, G. D., Giardini, C. (2024). Evaluation of the Integration of Topological Optimisation in the Process Chain for Manufacturing Customised Orthopaedic Devices via Additive Manufacturing. Prosthesis, 6 (6), 1510–1528. https://doi.org/10.3390/prosthesis6060109
  22. Voulgaris, S., Kousiatza, C., Kazakis, G., Ypsilantis, K.-I., Galanis, D., Mitropoulou, C. Ch. et al. (2025). Upper Limb Orthoses: Integrating Topology Optimization and 3D Printing for Custom Fit and Function. Applied Sciences, 15 (2), 827. https://doi.org/10.3390/app15020827
  23. Salazar Loor, R. B., Martínez-Gómez, J., Sarmiento Anchundia, J. (2025). Material Selection for the Development of Orthoses Using Multicriteria Methods (MCDMs) and Simulation. Processes, 13 (6), 1796. https://doi.org/10.3390/pr13061796
  24. Kyriakidis, I. F., Kladovasilakis, N., Gavriilopoulos, M., Tzetzis, D., Pechlivani, E. M., Tsongas, K. (2025). Topologically Optimized Anthropomorphic Prosthetic Limb: Finite Element Analysis and Mechanical Evaluation Using Plantogram-Derived Foot Pressure Data. Biomimetics, 10 (5), 261. https://doi.org/10.3390/biomimetics10050261
  25. Raimann, R., Aguirre, D. (2021). Displasia del desarrollo de la cadera: tamizaje y manejo en el lactante. Revista Médica Clínica Las Condes, 32 (3), 263–270. https://doi.org/10.1016/j.rmclc.2021.04.003
  26. Legorreta Cuevas, J. G. (2013). Mediciones básicas en displasia del desarrollo de la cadera. Rev. Mex. Ortop. Pediatr., 15 (1), 53–56. Available at: https://www.medigraphic.com/pdfs/opediatria/op-2013/op131j.pdf
  27. Estimacion del peso ideal en sujetos amputados (Plamp). FRESENIUS KABI. Available at: https://www.nutricionemocional.es/sites/default/files/estimacion_peso_ideal_sujetos_amputados_1.pdf
  28. ABS Medical (Technical datasheet v2.1). Weerg. Available at: https://www.weerg.com/hubfs/Datasheets/Datasheets%202024/ENG/EN_ABSMedical.pdf
  29. Zou, R., Xia, Y., Liu, S., Hu, P., Hou, W., Hu, Q., Shan, C. (2016). Isotropic and anisotropic elasticity and yielding of 3D printed material. Composites Part B: Engineering, 99, 506–513. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2016.06.009
  30. Ciganas, J., Janušas, G. (2023). Investigation of Dynamic Mechanical Properties of PETG Thermoplastic. In Proc. 27th Int. Sci. Conf. MECHANICS, Kaunas University of Technology, Kaunas, Lithuania. Available at: https://mechanic.ktu.edu/wp-content/uploads/sites/296/2023/05/P.5.pdf
  31. PETG. Technical Data Sheet 05.24. AZUREFILM. Available at: https://3d.nice-cdn.com/upload/file/TDS-PETG.pdf
  32. PETG (Technical Data). PETG. PT Polimer Tecnic. Available at: https://www.polimertecnic.com/wp-content/uploads/2022/05/1H9L9sb0yOuoFQIHCREpQda92QUpMetsC.pdf
  33. Technical data sheet: P-filament. PP Print. Available at: https://www.ppprint.de/wp-content/uploads/2019/03/PPprint-data-sheet-eng-21.02.2019.pdf
  34. Yun, J.-H., Jeon, Y.-J., Kang, M.-S. (2022). Analysis of Elastic Properties of Polypropylene Composite Materials with Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Spherical Reinforcement. Materials, 15 (16), 5602. https://doi.org/10.3390/ma15165602
Розробка легкої шини для відведення кісток для дітей з ДКШ за допомогою топологічної оптимізації

##submission.downloads##

Опубліковано

2026-06-29

Як цитувати

Lopez, A. C., Tola, E. M., Vidal, Y. S., Flores, E. V., Lopez, D. P., & Llave, T. V. (2026). Розробка легкої шини для відведення кісток для дітей з ДКШ за допомогою топологічної оптимізації. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3(7 (141), 6–21. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2026.351704

Номер

Том 3 № 7 (141) (2026): Прикладна механіка

Розділ

Прикладна механіка

Ліцензія

Авторське право (c) 2026 Alex Condori Lopez, Eber Mejia Tola, Yuri Silva Vidal, Erick Valdeiglesias Flores, Daniela Ponte Lopez, Trunks Vasquez Llave

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.