Bachelor's Thesis

Research study on osseointegrated prostheses for lower limbs

Final Thesis 3.81 MB

Author of thesis: Jáchym Novák

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Petr Marcián, Ph.D.

Reviewer: Ing. Tomáš Votava

Abstract:

This thesis deals with the osseointegration of implants after transfemoral amputation. The theoretical part summarizes currently available structural solutions, their properties, advantages over conventional socket prostheses, and future prospects. The practical part focuses on the creation of a 3D CAD model and subsequent strain and stress analysis in ANSYS software. Simulations of two critical gait phases identified the abutment screw as a critical element of the assembly. The results provide a basis for dimensional optimization and reducing the risk of mechanical failure of the implant.

Keywords:

osseointegration, transfemoral amputation, femur, strain and stress analysis, ANSYS, biomechanics

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Při obhajobě student nejprve prezentoval svou bakalářskou práci, po skončení prezentace byly předneseny posudky vedoucího práce a oponenta, včetně jejich hodnocení a připomínek. Následně student odpověděl na otázky položené oponentem v posudku. K práci položili členové komise následující otázky: Co když se poruší šroub v implantátu? Co to je koncentrátor napětí? Má koncentrátor napětí jednotku? Jak vstupovala oblast s koncentrátorem napětí do vašeho hodnocení? Jak velká byla mez kluzu použitého materiálu šroubu? Obhajoba práce byla hodnocena jako velmi dobrá.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Fundamentals of Mechanical Engineering (B-ZSI-P)

Specialization

Fundamentals of Mechanical Engineering (STI)

Composition of Committee

Ing. Lubomír Junek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Oldřich Ševeček, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Vosynek, Ph.D. (člen)
Ing. Dávid Halabuk, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Marcián, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jana Horníková, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Petr Marcián, Ph.D.

Pan Jáchym Novák vypracoval bakalářskou práci zaměřenou na problematiku oseointegrovatelných protéz dolní končetiny. V rámci práce provedl podrobnou literární rešerši a pro vlastní řešení zvolil typ protézy zaváděné do femuru. Pro posouzení mechanického namáhání využil výpočtové modelování metodou konečných prvků, přičemž vytvořil model geometrie femuru na základě CT snímků a model geometrie protézy vycházející z odborné literatury.

Následně provedl deformačně-napěťovou analýzu. Tato část práce mohla být více zaměřena na podrobnější rozbor mechanické interakce mezi kostní tkání a titanovou protézou. Autor se při zpracování práce bohužel nevyhnul stylistickým nedostatkům a některé formulace působí vágně či nejednoznačně.

Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Tomáš Votava

Bakalářská práce zpracovaná Jáchymem Novákem se zabývá rešerší a výpočtovým řešením interakce oseointegrovatelné protézy dolní končetiny s femurem.

V rešeršní části jsou stručně popsány medicínské základy nutné pro porozumění dané problematice. Z hlediska obsahu jsou uvedené medicínské informace fakticky správné. Samotný název kapitoly „Anatomické základy“ nepovažuji za zcela vhodně zvolený, protože kapitola obsahuje rovněž informace z oblasti biomechaniky a traumatologie. Pozitivně hodnotím zařazení protéz nacházejících se ve fázi klinického testování, čímž práce reflektuje současný vývoj v dané oblasti.

Ve výpočtové části je prezentována tvorba výpočtového modelu soustavy femur–implantát. Zde je nutné ocenit detailní zpracování geometrie implantátu vytvořené na základě katalogových podkladů. Naopak úroveň modelu spongiózní kostní tkáně považuji vzhledem k detailu implantátu a vzhledem k vyhodnocovaným veličinám za nedostatečnou. V oblasti epifýzy a metafýzy autor uvažuje konstantní tloušťku kortikální kostní tkáně 1 mm, což zejména u metafýzy neodpovídá anatomickému uspořádání.

V části věnované modelu materiálu jsou sice uvedeny použité zdroje, citace jsou však provedeny pouze souhrnně. Není tedy zřejmé, na základě kterého zdroje byly jednotlivé hodnoty Youngova modulu pružnosti a Poissonova čísla převzaty. Dále autor popisuje model vazeb a zatížení. V této části postrádám číselné dosazení do vztahu pro výpočet předpětí šroubu. Je prezentován pouze obecný vztah a výsledná zaokrouhlená hodnota, zatímco vstupní veličiny byly bez bližší reference uvedeny v předchozích podkapitolách.

Výsledky jsou prezentovány přehledně a systematicky. Jejich analýza a interpretace jsou zejména v případě kostní tkáně metodicky problematické, neboť autor vyhodnocuje přetvoření v oblasti krčku femuru, přestože použil výpočtový model s homogenizovanou spongiózní tkání a s konstantní tloušťkou kortikální kostní tkáně. Takto zvolená úroveň výpočtového modelu zásadně ovlivňuje lokální hodnoty přetvoření, a proto není dané vyhodnocení přetvoření na krčku femuru opodstatněné.

Práce obsahuje překlepy, stylistické nedostatky a formulace vykazující znaky strojového překladu, zejména v oblasti slovosledu, odborné terminologie a větné návaznosti, což místy snižuje čitelnost textu. Objevují se také vágní nebo nepřesné formulace, například použití termínu „střižné napětí“ namísto správného „smykové napětí“ či sousloví „vysoká elasticita“. Některé pasáže působí stylisticky nesourodě a text je místy obtížně čitelný. Problematické jsou rovněž nepřesné interpretace zdrojů, například tvrzení, že u pacientů standardně dochází k optimalizaci popálených ploch při zavádění implantátu ILP, přestože citovaný zdroj uvádí tento případ pouze u jednoho pacienta.

Všechny cíle práce byly splněny, a proto i přes výše uvedené nedostatky doporučuji práci k obhajobě s celkovým hodnocením C.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry D
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii D
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis E
Práce s literaturou včetně citací C
Topics for thesis defence:
  1. Maximální celkový deformační posuv dosahoval hodnot 5,42 mm resp. 5,92 mm. Byl při výpočtu zohledněn vliv nelinearit (velkých deformací)?
  2. Proč byl zvolen šroub M5, když je v rešeršní části uváděn průměr šroubů v intervalu 9–20 mm?
  3. Bylo při vytváření výpočtového modelu, zejména modelu zatížení, zohledněno pohlaví donora CT snímků? Pokud ano, jakým způsobem? Pokud ne, jak by mohlo jeho zohlednění ovlivnit výsledky?
  4. U obou výpočtů bylo zjištěno, že přetvoření kostní tkáně v oblasti krčku femuru dosahuje hodnot odpovídajících patologickému přetěžování. Jaké chování kostní tkáně v krčku by bylo možné vzhledem ke zjištěným hodnotám přetvoření očekávat? Bylo vzhledem ke zvolené úrovni výpočtového modelu nezbytné tyto hodnoty vyhodnocovat a proč?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová