Deformačně-napěťová analýza kyčelního kloubu s aplikovanou povrchovou náhradou

Strain-stress analysis of hip joint with surface replacement

dizertace

čeština

Možnost náhrady poškozeného kyčelního kloubu endoprotézou znamená pro mnoho lidí na celém světě často jedinou cestu, jak se dostat zpět do normálního života bez bolesti a bez výrazného pohybového omezení. Snižuje se věková hranice, kdy je potřeba náhradu provést. Se vzrůstajícím počtem pacientů s kloubní náhradou však logicky narůstá také počet pacientů, kterým je třeba endoprotézu vyměnit. Proto je-li endoprotéza aplikována u mladých pacientů je jí nutno během jejich života několikrát vyměnit. Vlivem aplikace a opakované výměny však dochází k poškozování kosti a další výměna už nemusí být možná. Pro tyto případy byla vymyšlena povrchová náhrada, jejímž cílem je oddálit nutnost prvé aplikace klasické totální endoprotézy. Povrchové náhrady se v oblasti ortopedických implantátů vhodných k obnově kyčelního spojení objevují už od samotného počátku kyčelních náhrad, avšak k výraznému rozvoji došlo až v 90. letech minulého století. Výsledky úvodních analýz, krátkodobé klinické výsledky a stále rostoucí zájem o tento typ náhrady nás přesvědčuje o tom, že má smysl se výpočtovým modelováním zabývat. Povrchové náhrady jsou určeny především pro mladé a aktivní lidi, kterým umožní návrat do běžného života bez bolesti a bez výrazného pohybového omezení. Cílem této práce bylo určit deformačně-napěťové stavy v kyčelním kloubu s různými typy částečné i totální povrchové náhrady a srovnat je s deformačně-napěťovými stavy zjištěnými u fyziologickému kloubu a u kloubu s aplikovanou klasickou náhradou, tak abychom mohli posoudit výhody či nevýhody povrchové náhrady. Řešená soustava se skládá z křížové, pánevní, stehenní kosti, svalů, umělé jamky a femorální komponenty. Výpočty byly provedeny v konečnoprvkovém systému ANSYS. Geometrický model kostí byl vytvořen pomocí řezů získaných z počítačové tomografie. Okrajové podmínky jsou zadány tak, aby reprezentovaly stoj na jedné dolní končetině. V práci jsou prezentovány výsledky deformačně-napěťových analýz, citlivostních analýz a srovnávací analýza, z nichž vyplývá celá řada velmi zajímavých poznatků, jež mají využití pro vývoj povrchových náhrad kyčelního kloubu, klinickou praxi a v neposlední řadě pro řešení dalších biomechanickým problémů. S podrobnými závěry se může čtenář seznámit na konci této práce.

The possibility of damaged joint replacement by means of endoprothesis means for many people all over the world the only way how to get back to normal life without pain or significant movement limitation. The age limit for carrying out the necessary replacement has been getting lower. Changes in modern lifestyle often result in quick degeneration of the human skeletal system, which also causes degeneration of the hip joint in young patients. Durability of prosthesis and possibilities of re-operations are limited. The surface prosthesis can easy be replaced by conventional implant. The cure of the younger patients with disease of the hip joint is a very difficult clinical problem. Hip resurfacing surgery has been proposed as an alternative to THR for younger more active patients. The metal-on-metal hip resurfacing procedure involves fitting the femoral head with a metal surface and lining the acetabulum with a metal cup to form a pair of metal bearings. Hybrid fixation (the cementless acetabular component and the cemented femoral component) is the best combination for fixation of metallic resurfacing components. Short-term clinical results persuade us to deal with FE analyses because it is important for development of the surface replacement prosthesis. The surface replacement prostheses have now been updated. The objective of this study was to perform finite-element analyses of computational model of the partial/total surface replacement, conventional partial/total replacement and physiological hip joint. We obtained strain-stress states from these analyses. All results were compared one another and then were confronted with results of the physiological hip joint. The three-dimensional computational model consists of these components: sacral, pelvic and femoral bone, muscles, artificial socket, and surface hip replacement. We were using FEM system ANSYS. The geometrical models of bones were generated by means of computed tomography (CT) images. The CT images were given in the form of IGES format. The geometry of the surface replacement was proposed. The FE model of bone reflects two types of the bone tissues (trabecular and cortical bone) and two muscles (gluteus medius and gluteus minimus) that are important when standing on one leg. The model of the muscle corresponds to isometric contraction. The implants material and bone tissues were modelled as isotropic linear elastic material. The model was loaded by force, corresponding to load by standing on one leg. In this thesis are presented results from strain-stress analyses, sensitivity analysis and comparative analysis. The results can be used for clinical practice, further research and development of the surface replacement of the hip joint. The reader can find the detailed conclusions at the end of this thesis.

povrchová náhrada, kyčelní kloub, FEM, klasická totální náhrada

surface replacement, clasical total replacement, FEM, hip joint

NÁVRAT, T.

1. 1. 2005

Brno

80-214-2861-9

Deformačně-napěťová analýza kyčelního kloubu s aplikovanou povrchovou náhradou

Edice PhD Thesis, sv.298

1213-4198

Vědecké spisy Vysokého učení technického v Brně Edice PhD Thesis

Česká republika

31