Assistance of hip resurfacing using finite element method

• Autorzy: Madej T. , Ryniewicz A. M.

Warianty tytułu

PL

Wspomaganie zabiegu kapoplastyki biodra z wykorzystaniem metody elementów skończonych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Introduction and aim: The study presents the modelling of overlay elements used in hip resurfacing and their virtual application into reconstructed patient’s bone structures that had been imaged in Computed Tomography (CT). The aim of the paper was the strength analysis with the use of the finite element method conducted in the hip joint with hip resurfacing endoprosthesis. Material and methods: The material to the analysis was the hip resurfacing endoprosthesis Durom^TM Hip Resurfing firm Zimmer, in which both tribological elements were made from alloy Co28Cr6Mo/Protasul^® 21 WF (ISO 5832-12). The numerical calculations were carried out and distributions of stresses and displacements were determined for the locomotive loads in the FEMAP NE/Nastran v. 8.3 software. Results: The results allowed to perform strength analysis of constructional elements of the endoprosthesis and estimate their contact with pelvis bone and femoral bone of the operated hip. Conclusion: The connection of hard metal acetabular shell with femoral component increases strength and resistance to wear, but it can also cause an excessive stiffening of the system and asymmetric concentration of stresses in the zone of the tribological contact.

PL

Wstęp i cel: W opracowaniu przedstawiono modelowanie elementów nakładkowych stosowanych w kapoplastyce stawu biodrowego i ich wirtualną aplikację do odwzorowanych w tomografii komputerowej i zrekonstruowanych struktur kostnych pasa biodrowego pacjenta. Celem badań była analiza wytrzymałości z wykorzystaniem metody elementów skończonych prowadzonej w stawie biodrowym udowej endoprotezy nawierzchni. Materiał i metody: Materiał do analizy to endoprotezy DuromTM hip nawierzchni Hip Resurfing firmy Zimmer, w którym oba elementy tribologiczne zostały wykonane ze stopu Co28Cr6Mo / Protasul® 21 WF (ISO 5832-12). Dla obciążeń lokomocyjnych, w programie FENAP NE/Nastran v. 8.3, przeprowadzono obliczenia numeryczne i wyznaczono rozkłady naprężeń i przemieszczeń w implantowanym biodrze. Wyniki: Wyniki pozwoliły na analizę wytrzymałościową elementów konstrukcyjnych endoprotezy oraz na ocenę ich kontaktu z kością miedniczną i kością udową operowanego biodra. Wniosek: Połączenie panewki o powłoce metalowej z częścią kości udowej zwiększa wytrzymałość i odporność na ścieranie, ale również może powodować nadmierne usztywnienie systemu i asymetrycznym koncentracji naprężeń w strefie tribologicznym kontaktu.

Słowa kluczowe

EN

hip resurfacing; hip joint; modelling; numerical simulation; preoperative diagnosis

PL

nakładka stawu; staw biodrowy; modelowanie; symulacje numeryczne; przedoperacyjne rozpoznanie

• Wydawca: Wyższa Szkoła Techniczno-Ekonomiczna w Szczecinie
• Czasopismo: Problemy Nauk Stosowanych
• Rocznik: 2013
• Tom: T. 1
• Strony: 135--146
• Opis fizyczny: Bibliogr.: 20 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Madej T.

• AGH, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn

autor

Ryniewicz A. M.

• AGH, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn
• Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego, Wydział Lekarski, Zakład Protetyki Stomatologicznej

Bibliografia

• [1] Bergman G., Deuretzbaher G., Heller M., Graichen F., Rohlmann A., Strauss J., Duda G. N.: Hip contact forces and gait patterns from routine activities, Journal of Biomechanics, 2001, Vol. 34, pp. 859-871.
• [2] Coulter G., Young D.A., Dalziel R.E., Shimmin A.J.: Birmingham hip resurfacing at a mean of ten years: results from an independent centre, The Journal of Bone and Joint Surgery Br. 2012, Vol. 94, No 3, pp. 315-321.
• [3] Cwanek J.: Przydatność parametrów struktury geometrii powierzchni do oceny zużycia sztucznych stawów biodrowych, Wyd. Uniwersytetu Rzeszowskiego, Rzeszów 2009.
• [4] Czerwiński E.: Problemy realopllastyki rewizyjnej stawu biodrowego w Polsce i na świecie, XXXIII Scientific Congress of Polish Orthopedic and Traumattology Society, Kraków, Skinder S.c. 2000, p. 35.
• [5] Hull P., Baxter J.A., Lewis C., Kordas G., Foguet P., Prakash U.: Metal-on-metal hip resurfacing with uncemented fixation of the femoral component. A minimum 2 year follow up, Hip International 2011, Vol. 21, No 4, pp. 475-478.
• [6] Krzesiński G.: Wytrzymałościowe aspekty projektowania i analizy inżynierskiej układów implant-kość. Tom 5 Biocybernetyka i inżynieria rehabilitacyjna (red. R. Będziński) Akad. Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2004.
• [7] Madej T., Ryniewicz A.M.: Tests of cemented endoprostheses of hip joint using numerical models, Methods of Applied Sciences, Vol. 6, Informatics and Media, Electrical Engineering, Biomechanics and Bioengineering, Science and Technique Development, (edit. A.A. Czajkowski), University of Szczecin, Faculty of Mathematics and Physics, Department of Informatics and Technical Education, Szczecin, 2010, pp. 123-130.
• [8] Madej T., Ryniewicz A.M.: The material-structure estimation of endoprostheses of hip joint in the numerical simulations, Engineering of Biomaterials, 2010, Vol. 95, pp. 22-32.
• [9] Madej T., Ryniewicz A.M.: The simulation of contact mechanics in endoprostheses of the hip joint by complex load state, Przegląd Lekarski, 2007, Vol. 64, pp.104-108.
• [10] Madej T.: Modelowanie sfery ruchowej endoprotezy stawu biodrowego w aspekcie biomateriałów, Rozprawa doktorska AGH, Kraków, 2008.
• [11] Madhu T.S., Akula M.R., Raman R.N., Sharma H.K., Johnson V.G.: The Birmingham hip resurfacing prosthesis: an independent single surgeon’s experience at 7-year follow-up, Journal of Arthroplasty 2011, Vol. 26, No 1, pp. 1-8.
• [12] Ryniewicz A., Ryniewicz A.M. : Measurement method and strategy of evaluation of the joint shape and articulation surface profile, Journal Instituto Nazionale di Ricerca Metrologica, Torino Italy 2008/11, pp. 65-73.
• [13] Ryniewicz A. M.: Analiza mechanizmu smarowania stawu biodrowego człowieka, Monografia Nr 111, UWND AGH Kraków 2002.
• [14] Ryniewicz A. M.: Analiza geometrii strefy współpracy biołożysk w aspekcie tribologii i choroby zwyrodnieniowej stawów oraz opracowanie teoretycznych podstaw do konstrukcji endoprotez, Projekt badawczy Nr 5T07B 00124 KBN 2006.
• [15] Ryniewicz A.M, Madej T.: Biomechanics analysis in the hip joint after total alloplasty with various variants of cemented endoprostheses, Mechanics in Medicine Vol. 10, Rzeszów 2010, pp. 253-264.
• [16] Ryniewicz A.M, Madej T.: The analysis of biomechanical state in a hip joint after complete alloplastics with different variant of cementless endoprosthesis, Tribologia 2010, Vol. 41/2, pp. 137-152.
• [17] Ryniewicz A.M., Madej T.: The estimation of constructions of cementless endoprostheses of hip joint using finite element method, Methods of Applied Sciences, Vol. 6, Informatics and Media, Electrical Engineering, Biomechanics and Bioengineering, Science and Technique Development, (edit. A.A. Czajkowski), University of Szczecin, Faculty of Mathematics and Physics, Department of Informatics and Technical Education, Szczecin 2010, pp. 141-150.
• [18] Schleicher I., Haselbacher M., Mayr E., Kaiser P.M., Lenze F.W., Keiler A., Nogler M.: Accuracy of navigation in hip resurfacing with different surgeons and varying anatomy, Computer Aided Surgery, 2012, Vol. 17, No 2, pp. 77-85.
• [19] Treacy R.B., McBryde C.W., Shears E., Pynsent P.B: Birmingham hip resurfacing: a minimum follow-up of ten years, The Journal of Bone and Joint Surgery Br. 2011, Vol. 93, No 1, pp. 27-33.
• [20] Van Der Bracht H., Eecken S.V., Vyncke D., Van Dooren J., Jansegers E.: Clinical and functional outcome of the Birmingham hip resurfacing, Acta Orthopaedica Belgica, 2011, Vol. 77, No 6, pp. 771-776.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).