Ανάλυση μηχανικής συμπεριφοράς οστών - εμφυτευμάτων με χρήση πεπερασμένων στοιχείων

Abstract

Total hip arthroplasty (THA) is nowadays a common treatment for a large number of pathological cases regarding the hip joint and is considered as the most successful orthopedic operation. With the mean age of patients constantly decreasing and a more intense way of life, the need for versatile implant designs has arisen. Currently modular hip implant systems are used extensively in order to compensate for difficult occasions. In addition to this, femoral heads of bigger diameter (BFH) have been introduced to deal with several issues, although the overall influence of modularity on the mechanical behavior on the bone-implant assembly is not widely documented. Towards this direction, the current study aims to investigate the biomechanical behavior of a commercial THA implant, using the finite element method. Computed tomographies of a cadaveric femur were used as raw data and processed along with a Profemur-E system with variable heads that was digitized. This led to a complete assembly consisting of the whole femur volume, the stem, the necks and the femoral heads in the CAD software Solidworks® and ultimately in a highly accurate -for the finite element analysis and from a clinical point of view, model. For typical loading scenarios - the stance phase of the gait cycle - the finite element analysis was performed in ANSYS Workbench®. According to the medical team involved, the combinations available due to modularity-both from necks and femoral heads- is still under extensive investigation. The neck version (angle and positioning-ante/retro) and the head diameter were set as the main parameters and the stresses / strains for several areas of clinical interest such as the calcar, the greater trochanter area and the stem tip region, considered responsible for thigh pain, were analyzed. This was considered as one of the main elements of originality in the current study, since there are only few bioengineering studies examining the modularity from such a wide aspect. In conclusion, the results of the FE analysis were compared to several clinical observations - both from radiographic data, statistical analysis and patient tests, from an early post-op patient series. It was finally observed that, the mathematical finite element models had a strong degree of correlation to the clinical data, thus allowing them to be used as reference data by the medical team and as a tool for a better understanding of the behavior of modular implants and their design variations.

Η ολική αρθροπλαστική ισχίου είναι βασική θεραπεία για ένα μεγάλο αριθμό παθήσεων αυτής της άρθρωσης. Ο έντονος τρόπος ζωής δημιούργησε την ανάγκη για νέα σχέδια εμφυτευμάτων. Στις μέρες μας γίνεται εκτεταμένη χρήση των διαιρούμενων συστημάτων ΟΑΙ, προκειμένου να αντιμετωπιστούν σύνθετες κλινικές περιπτώσεις. Επίσης οι μηριαίες κεφαλές μεγάλης διαμέτρου (BFH) στοχεύουν στην αντιμετώπιση επιπλοκών, όμως η συνολική επίδραση της διαιρετότητας στη μηχανική συμπεριφορά της περιοχής αυτής δεν είναι ευρέως τεκμηριωμένη. Προς την κατεύθυνση αυτή η παρούσα μελέτη επιδίωξε την διερεύνηση των αναπτυσσόμενων τάσεων & παραμορφώσεων με την μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων με στόχο την τεκμηρίωση των εμβιομηχανικών συνθηκών εφαρμογής τους. Έτσι με την μέθοδο των ΠΣ ερευνήθηκε η εμβιομηχανική συμπεριφορά ενός εμπορικού διαιρούμενου συστήματος ΟΑΙ, προκειμένου να συσχετισθούν τα εξαγόμενα αποτελέσματα με αντίστοιχες κλινικές παρατηρήσεις. Ύστερα από εκτενή βιβλιογραφική ανασκόπηση, εστιάζοντας στην κλινική εξέλιξη των εμφυτευμάτων και σε αντίστοιχες μελέτες, επιλέχθηκε ένα πτωματικό μηριαίο και ένα διαιρούμενο σύστημα ΟΑΙ. Οι αξονικές τομογραφίες του οστού ψηφιοποιήθηκαν και επεξεργάστηκαν συνδυαστικά με την ψηφιακή αποτύπωση του συστήματος ΟΑΙ Profemur-E®, δημιουργώντας τελικά ένα μοντέλο υψηλής ακρίβειας τόσο για τις επιλύσεις ΠΣ όσο και από κλινικής πλευράς. Παράλληλα ψηφιοποιήθηκαν κεφαλές BFH. Για ένα τυπικό σενάριο φόρτισης, στάση στην βάδιση, η ανάλυση πραγματοποιήθηκε σε λογισμικό ΠΣ (ANSYS Workbench), διατηρώντας όλο το μήκος του μηριαίου οστού. Από την ιατρική ομάδα, προέκυψε ένα σημαντικό ζητούμενο αναφορικά με την επίδραση της γωνίας των αυχένων σε συνδυασμό με τις διαμέτρους των BFH, γεγονός που οριοθέτησε την παρούσα έρευνα. Έτσι, ελέγχθηκε η καταπόνηση των αυχένων καθώς και οι περιοχές μείζονος ιατρικής σημασίας όπως το μηριαίο πλήκτρο, o μείζον τροχαντήρας και η περιοχή της άκρης του στηλεού, που θεωρείται υπεύθυνη για την εμφάνιση πόνου στον μηρό μετά την επέμβαση. Αυτό αποτέλεσε ένα κύριο στοιχείο πρωτοτυπίας της ΔΔ, αφού υπάρχουν λίγες-τόσο στην Ελλάδα όσο και σε διεθνές επίπεδο-αντίστοιχες εμβιομηχανικές μελέτες. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν, αντιπαρατέθηκαν με αντίστοιχα κλινικά δεδομένα, όπως ακτινογραφίες και ιατρικές κλίμακες αξιολόγησης. Το τελικό συμπέρασμα ήταν ότι τα αριθμητικά μοντέλα παρουσίασαν ιδιαίτερη συσχέτιση με τα κλινικά στοιχεία, επιτρέποντας την χρήση τους για την καλύτερη αξιολόγηση και επιλογή εμφυτευμάτων από την ιατρική ομάδα.