Study of the mechanical behaviour of the interaction between stem hip prosthesis and bone surface: a pilot study on an animal model

Autor: Fernandes, João Pedro Alves
Přispěvatelé: Dourado, N., Universidade do Minho
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2022
Předmět:
Popis: Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica
A artroplastia total da anca é uma das cirurgias com mais sucesso atualmente. O aumento da esperança média de vida e a consequente procura de qualidade de vida, fez o número de cirurgias efetuadas aumentar ao longo dos anos. Apesar do sucesso, o aumento de cirurgias primárias e revisão faz aumentar os custos associados e a necessidade de melhoramento. Os problemas principais nestes casos são o stress shielding e a consequente instabilidade articular asséptica. São necessários estudos que ajudem a compreender o contacto mecânico entre a prótese e o osso, de forma a conseguir melhorar o projeto das próteses. O método dos elementos finitos é uma poderosa ferramenta de simulação que pode ser usada para recriar estruturas anatómicas do osso com grande detalhe, podendo ser usada para desenvolver estudos de biomecânica com custos reduzidos. Neste trabalho foi construído um modelo numérico de um fémur de bovino, à escala natural, a partir de um conjunto de imagens obtidas por tomografia computorizada, com o objetivo de reproduzir um conjunto de resultados obtidos experimentalmente, a partir de um ensaio de compressão, realizado na mesma peça óssea, onde previamente se tinha montado uma prótese de anca. Na construção do modelo numérico conseguiu-se diferenciar claramente o osso trabecular do osso cortical, recorrendo a ferramentas numéricas desenvolvidas para esse efeito. O modelo numérico assim criado foi capaz de reproduzir com sucesso os resultados obtidos por via experimental numa extensão muito significativa da curva força-deslocamento. Este procedimento numérico foi validado com informação experimental, recorrendo à técnica de correlação digital de imagem, utilizada nos ensaios experimentais.
Total Hip arthroplasty is currently one of the most successful surgeries. The increase of life expectancy and the subsequent demand for quality of life increased the number of performed surgeries across the years. Although the success, this increased number of primary and revision surgeries also increased the costs and improvement necessity. The major associated problems are stress shielding and aseptic loosening. It is necessary to develop studies that help understand the mechanical contact between the prosthesis and the bone to enable the improvement of the prosthesis project. The Finite Elements Method is a powerful simulation tool that can recreate bone anatomical structures with profound detail and can be used to develop low-cost biomechanical studies. In this work, a numerical model of a bovine femur was developed, at natural scale, through computerized tomography images, with the aim of reproducing the experimental results of compression tests in the same bone part, where the hip prosthesis has been assembled previously. In the numeric model construction was possible to clearly distinguish the trabecular bone from the cortical bone, recurring to the numerical tools developed for that purpose. The created numerical model successfully reproduced the results obtained experimental way in a significant extension of the load-displacement curve. This numerical procedure was validated with experimental information, recurring to the digital image correlation technique used in the experimental tests.
This work was supported by the FCT - Foundation for Science and Technology, through the project with the reference PTDC/EME-SIS/28225/2017, entitled "Development of an innovative composite system for comminuted bone fracture stabilization" BoFraPla, through the Competitiveness and Internationalization Operational Program and the Lisbon Regional Operational Programme, supported by the FEDER.
Databáze: OpenAIRE
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