| Popis: |
Total hip arthroplasty is a common surgical procedure to replace the femoral head. It has been successfully applied around the world since the mid-1950s. In the present study, a patient‘s total hip arthroplasty implant is examined. The integration of the endoprosthesis in the femur has been simulated in the Ansys computer program, which uses the finite element method. Technological development in the field of computers provides the appropriate tools for the analysis and prediction of the effect of prosthetic bones from an industrial point of view. The study focuses on the application of time-varying loads. The analysis is done with the finite element method and the results concern the development of trends and deformations of Von Mises from the imposed loads in different daily activities. Chapter 1 analyzes the physiology of the femur as well as its internal structure, to better understand the distribution of tendons within the bone and the function of the hip in general. Chapter 2 deals with total hip arthroplasty, its development and the diseases that lead to it, but also the risks that lurk. There are also different types of implants, in terms of the materials used and the way they are fixed, with or without the use of cement. Chapter 3 analyzes the strengths and strains of the femur in daily activities. There is also a brief reference to the definition of voltage, deformation and Hooke's law, the Von Mises criterion is also presented. Finally, the gait cycle and the "stress shielding" phenomenon observed after the operation are described, where the implant receives the loads during gait, preventing the proper development of the bone. Chapter 4 introduces the concept of biomechanics and the theory of finite elements. In addition, a detailed report is made on bone biomechanics. Chapter 5 refers to the state of the art, a level of development reached at any particular time as a result of the common methodologies employed at the time. Chapter 6 includes the methodology followed within the ANSYS computer program to achieve the measurements. The materials used for the three-dimensional geometries are also presented. Then the processing and creation of the appropriate grid for the performance of results is analyzed as realistically as possible. Then the boundary conditions are determined, ie the drop points and the application points of the force. Chapter 7 και 8 presents and compares the relevant results obtained from the simulation of femoral ligaments through the ANSYS Workbench software. These results relate to the maximum Von Mises trends but also the deformations that develop in the implant and the bone and strain. Thus, the overall conclusions of the analysis are extracted and suggestions are made for further study of the system. In conclusion, the results of the numerical solution of the load give satisfactory answers to the activities that cause possible material failure, as the areas of the implant and bone where the maximum stresses and deformations occur under load-changing conditions are identified in different daily activities. Η ολική αρθροπλαστική ισχίου είναι μια κοινή χειρουργική διαδικασία για την αντικατάσταση της μηριαίας κεφαλής. Εφαρμόστηκε με επιτυχία σε όλο τον κόσμο από τα μέσα της δεκαετίας του 1950. Στην παρούσα διατριβή, εξετάζεται ένα εμφύτευμα ολικής αρθροπλαστικής ισχίου ασθενούς. Η ενσωμάτωση της ενδοπρόθεσης στο μηρό έχει προσομοιωθεί στο πρόγραμμα υπολογιστών Ansys, το οποίο χρησιμοποιεί τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Η τεχνολογική ανάπτυξη στον τομέα των υπολογιστών παρέχει τα κατάλληλα εργαλεία για την ανάλυση και την πρόβλεψη της επίδρασης των προσθετικών οστών από βιομηχανική άποψη. Η μελέτη επικεντρώνεται στην εφαρμογή μεταβαλλόμενων με το χρόνο φορτίων . Η ανάλυση γίνεται με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και τα αποτελέσματα αφορούν την ανάπτυξη τάσεων και παραμορφώσεων Von Mises από τα επιβληθέντα φορτία σε διαφορετικές καθημερινές δραστηριότητες. Το Κεφάλαιο 1 αναλύει τη φυσιολογία του μηρού καθώς και την εσωτερική δομή του, για να κατανοήσει καλύτερα την κατανομή των τενόντων μέσα στα οστά και τη λειτουργία του ισχίου γενικά. Το Κεφάλαιο 2 ασχολείται με την ολική αρθροπλαστική του ισχίου, την ανάπτυξή του και τις ασθένειες που την οδηγούν, αλλά και τους κινδύνους που κρύβονται. Υπάρχουν επίσης διαφορετικοί τύποι εμφυτευμάτων, όσον αφορά τα υλικά που χρησιμοποιούνται και τον τρόπο στερέωσής τους, με ή χωρίς τη χρήση τσιμέντου. Το κεφάλαιο 3 αναλύει τις δυνάμεις και τα στελέχη του μηριαίου οστού στις καθημερινές δραστηριότητες Υπάρχει επίσης μια σύντομη αναφορά στον ορισμό της τάσης, της παραμόρφωσης και του νόμου του Hooke, παρουσιάζεται επίσης το κριτήριο του Von Mises. Τέλος, περιγράφεται ο κύκλος βάδισης και το φαινόμενο "θωράκιση από το στρες" που παρατηρούνται μετά τη χειρουργική επέμβαση, όπου το εμφύτευμα δέχεται τα φορτία κατά τη διάρκεια του βηματισμού, εμποδίζοντας την ορθή ανάπτυξη του οστού. Το Κεφάλαιο 4 εισάγει την έννοια της βιομηχανικής και τη θεωρία των πεπερασμένων στοιχείων. Επιπλέον, γίνεται λεπτομερής αναφορά για τη βιομηχανική των οστών. Το Κεφάλαιο 5 αναφέρεται στην κατάσταση της τέχνης, ένα επίπεδο ανάπτυξης που επιτυγχάνεται ανά πάσα στιγμή ως αποτέλεσμα των κοινών μεθοδολογιών που εφαρμόστηκαν τότε. Το Κεφάλαιο 6 περιλαμβάνει τη μεθοδολογία που ακολουθείται στο πρόγραμμα υπολογιστή ANSYS για την επίτευξη των μετρήσεων. Παρουσιάζονται επίσης τα υλικά που χρησιμοποιούνται για τις τρισδιάστατες γεωμετρίες. Στη συνέχεια, η επεξεργασία και η δημιουργία του κατάλληλου πλέγματος για την απόδοση των αποτελεσμάτων αναλύεται όσο το δυνατόν πιο ρεαλιστικά. Στη συνέχεια καθορίζονται οι οριακές συνθήκες, δηλαδή τα σημεία πτώσης και τα σημεία εφαρμογής της δύναμης. Το Κεφάλαιο 7 και 8 παρουσιάζει και συγκρίνει τα σχετικά αποτελέσματα που προκύπτουν από την προσομοίωση των μηριαίων συνδέσμων μέσω του λογισμικού ANSYS Workbench. Αυτά τα αποτελέσματα σχετίζονται με τις μέγιστες τάσεις Von Mises αλλά και με τις παραμορφώσεις που αναπτύσσονται στο εμφύτευμα και στα οστά και στο στέλεχος. Έτσι, εξάγονται τα συνολικά συμπεράσματα της ανάλυσης και γίνονται προτάσεις για περαιτέρω μελέτη του συστήματος. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα της αριθμητικής λύσης του φορτίου δίνουν ικανοποιητικές απαντήσεις για τις δραστηριότητες που προκαλούν πιθανή αστοχία των υλικών, καθώς οι περιοχές του εμφυτεύματος και του οστού όπου εμφανίζονται οι μέγιστες τάσεις και παραμορφώσεις σε συνθήκες μεταβαλλόμενου με το χρόνο φορτίου αναφοράς προσδιορίζονται σε διαφορετικές καθημερινές δραστηριότητες. 92 σ. |
