Bachelor's Thesis

3D printed model of local hip implant

Final Thesis 9.13 MB Appendix 21 kB Appendix 11.06 MB

Author of thesis: Daniel Vavrica

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Martin Vrbka, Ph.D.

Reviewer: Ing. Lukáš Odehnal, Ph.D.

Abstract:

Damage to the hip joint resulting from degenerative diseases, injuries, or congenital deformities often leads to the need for surgical replacement of the joint with an implant. The aim of this work was to create a model of a 3D-printed, localized, customized hip joint implant designed to demonstrate the implant’s function and the method of its implantation for educational purposes. Based on the results of the literature review, commercially available implants suitable for comparing properties with the localized individualized implant were also selected. In order to produce individual models using FDM 3D printing technology, several design modifications were necessary. For each implant model, a femur model was also designed and modified for the correct placement of that specific implant type. The thesis also highlights the advantages and limitations of FDM 3D printing technology in the production of small and geometrically detailed models.

Keywords:

Hip joint, localized implant, FDM 3D printing, lattice structure

Date of defence

12.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentoval výsledky své bakalářské práce a zodpověděl otázky oponenta. Na vytištěném modelu (viz. Obr. 35) je patrné výrazné zapuštění implantátu do hlavice femuru a vznik výškového schodu mezi povrchem implantátu a okolní strukturou. Jak by měl být podle vás implantát správně uložen vůči původní artikulační ploše hlavice femuru a jaká rizika by takové nepřesné usazení mohlo představovat při reálné implantaci z hlediska kontaktu s acetabulem, lokálního přenosu zatížení, opotřebení a stability implantátu? - zodpovězeno prof.Vrbka - Jak jste modeloval chrupavku? - zodpovězeno Ing.Vaverka -Nevýhody tisku SLA, SLS v této práci? Nedaly by se metody tisku kombinovat? - zodpovězeno Jak lze povrh zlepšit? - zodpovězeno Je nějaká možnost přenastavit parametr při tisku, aby se tisk zlepšit? - zodpovězeno Ing.Kvarda - Jaká jsou data z CT a co je kost? - zodpovězeno doc.Galas - V čem je přidaná hodnota práce? Jaký je hlavní skill? - zodpovězeno Ing.Vaverka - Proč jste zvolil jako strukturu lidinoid? - zodpovězeno

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Fundamentals of Mechanical Engineering (B-ZSI-P)

Specialization

Fundamentals of Mechanical Engineering (STI)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Vrbka, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Radovan Galas, Ph.D. (místopředseda)
Ing. František Vlašic, Ph.D. (člen)
Ing. Daniel Kvarda, Ph.D. (člen)
Ing. Ondřej Vaverka, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Martin Vrbka, Ph.D.

Bakalářská práce byla realizována v oblasti biotribologie a konkrétně se zabývala modelováním a 3D tiskem různých demonstračních modelů implantátů kyčelního kloubu se zaměřením na porovnání individualizovaného lokálního implantátu s dalšími typy používanými v ortopedii. Hlavní i dílčí cíle bakalářské práce byly splněny – byly vytvořeny a následně vytištěny tři modely implantátů zasazených do stehenní kosti, včetně detailnějších modelů v řezech. Student pracoval samostatně na základě relativně častých konzultací. V rešeršní části práce by se mohl student zaměřit více na detaily lokálních kloubních implantátů, jejich technické specifikace a použití. V rešeršní části bych také ocenil přehled současných možností 3D tisku pro demonstrační účely v medicíně (orgány, implantáty, plánování operací). V práci mi chybí detailnější procesní parametry a nastavení 3D tisku pro jednotlivé modely. Na práci však oceňuji precizní provedení CAD modelů a vytištěných modelů jednotlivých implantátů na 3D tiskárně. Textová a obrazová část práce je spíše minimalistická a místy méně vhodně strukturovaná. Celkově hodnotím bakalářskou práci stupněm B. Student se hlásí v navazujícím magisterském studiu na obor Konstrukční inženýrství na Ústavu konstruování.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
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 A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Lukáš Odehnal, Ph.D.

Bakalářská práce se zabývá návrhem a realizací 3D tištěného modelu lokálního implantátu kyčelního kloubu včetně odpovídajících modelů femuru. Student splnil hlavní cíle zadání v základním rozsahu, některé dílčí cíle však nejsou v práci dostatečně podrobně doloženy. Provedl rešerši současných typů kyčelních implantátů, analyzoval možnosti lokálních i totálních náhrad a následně vytvořil konstrukční řešení individualizovaného lokálního implantátu, modelu HemiCap, modelu totální endoprotézy a souvisejících modelů femuru.

Postup řešení je přiměřený charakteru vývojově-konstrukční bakalářské práce. Student správně identifikoval technologická omezení FDM tisku, zejména limity dané velikostí trysky, reprodukcí jemných mřížkových struktur, porézních povrchů a zaoblených geometrií. Na tato omezení reagoval konstrukčními úpravami, změnou měřítka, aproximací detailů a úpravou modelů pro tisk.

Zadání předpokládá analýzu poškození hlavice femuru a návrh lokálního implantátu na základě dat konkrétního pacienta, avšak v práci není dostatečně popsán postup segmentace, identifikace poškozené oblasti ani způsob, jakým byly z těchto dat odvozeny rozměry a poloha implantátu, což bych u vývojově-konstrukční práce očekával. Z textu navíc vyplývá, že hlavní model individualizovaného implantátu vycházel z již existujícího poskytnutého STL modelu, což snižuje míru skutečně autorského návrhu implantátu na základě klinických dat.

Koncepční část práce nepůsobí zcela přesvědčivě. U vývojově-konstrukční práce by bylo vhodné, aby tato kapitola obsahovala jasně formulované požadavky na výsledný demonstrační model, návrh více možných variant řešení, jejich porovnání podle zvolených kritérií a následné zdůvodnění vybrané koncepce. V předložené práci je však kapitola pojata převážně jako popis zvolených modelů, technologických omezení FDM tisku a plánovaného postupu tvorby jednotlivých dílů. Tím se svým charakterem blíží spíše metodické části než vlastnímu koncepčnímu řešení.

Práce také pouze omezeně vyhodnocuje samotnou kvalitu 3D tisku. Jsou zmíněny deformace, povrchové nerovnosti a nemožnost vytisknout některé prvky v měřítku 1:1 bez defektů, ale tyto skutečnosti nejsou systematicky analyzovány. Chybí například měření rozměrové přesnosti, zhodnocení tolerancí usazení implantátu do femuru nebo přehled optimalizačních kroků tisku. Za nedostatečně doložený považuji rovněž dílčí cíl týkající se demonstrace modelu ortopedovi, kdy bych očekával vyhodnocení použitelnosti modelu pro demonstrační účely pomocí návodných snímků.

V textu jsou i jisté terminologické nepřesnosti, kdy například THA je označena jako „total hemiarthroplasty“, což není věcně správně a v této souvislosti se jedná o „total hip arthroplasty“. Dále se v práci například objevuje rozpor v uváděném průměru tiskové trysky, kdy je v jedné části uvedena hodnota 0,4 mm, zatímco v části věnované nastavení tisku je uvedena hodnota 4 mm.

Na základě výše zmíněného doporučuji práci k obhajobě a navrhuji známku C.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Na vytištěném modelu (viz. Obr. 35) je patrné výrazné zapuštění implantátu do hlavice femuru a vznik výškového schodu mezi povrchem implantátu a okolní strukturou. Jak by měl být podle vás implantát správně uložen vůči původní artikulační ploše hlavice femuru a jaká rizika by takové nepřesné usazení mohlo představovat při reálné implantaci z hlediska kontaktu s acetabulem, lokálního přenosu zatížení, opotřebení a stability implantátu?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová