BIomechanical aspects of artificial joint implantation in a lower limb

• Autorzy: Będziński R. , Bernakiewicz M. , Ścigała K.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

One of the most important trends in engineering biomechanics is experimental and numerical analysis of the stress and strain state existing in organs subject to a heavy load; e.g., the knee and hip joints. Clinical tests experimental and numerical studies on design of implants replacing damaged organs are also of crucial importance in development of biomechanics. The research is focused on determination of loads, experimental techniques as well as on simplifications assumed in measurements and applied models. The conducted investigations were concerned with estimation of mechanical behaviour of hip and knee implants after arthoplasty. The experimental tests on both the real objects and models were performed. Numerical simulation was made by using the finite element method. The tests have proved that from the biomechanical point of view proper selection of endoprothesis is of crucial importance for achieving positive long-term results of alloplasty.

PL

Jednym z najważniejszych kierunków badań w dziedzinie biomechaniki inżynierskiej jest doświadczalna i numeryczna analiza stanu odkształceń i naprężeń w organach ludzkich poddanych znacznym obciążeniom, jak chociażby staw biodrowy i kolanowy. Badania kliniczne, doświadczalne i numeryczne poświęcone konstrukcji elementów zastępujących uszkodzone elementy ciała ludzkiego stanowią jeden z najważniejszych kierunków biomechaniki. Dyskusje na tym tle skoncentrowane są na problemach beterminacji występującego stanu obciążenia, stosowanych technik pomiarowych oraz uproszczeń warunków pomiaru i przyjmowanych modeli. Przeprowadzone badania poświęcone zostały ocenie mechanicznej współpracy sztucznych elementów stawu biodrowego i kolanowego w warunkach modelowych, jak i metodą symulacji numerycznej, metodą elementów skończonych. Badania udowodniły duże znaczenie prawidłowej selekcji endoprotez z punktu widzenia biomechaniki układu na długoterminowe powodzenie alloplastyk.

Słowa kluczowe

EN

biomechanics; implantation; hip joint; knee joint

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 1999
• Tom: nr 3
• Strony: 455--479
• Opis fizyczny: Bibliogr. 39 poz., il., wykr., tab.

Twórcy

autor

Będziński R.

• Institute of Machine Design and Operation, Wrocław University of Technology

autor

Bernakiewicz M.

• Institute of Machine Design and Operation, Wrocław University of Technology

autor

Ścigała K.

• Institute of Machine Design and Operation, Wrocław University of Technology

Bibliografia

• 1. ALBREKTSSON B.E.J., RYD L., CARLSSON L.V, FREEMAN M.A.R., HERBERTS P., REGNER L., SELVIK G., 1990, The Effect of a Stem on the Tibial Component of Knee Arthroplasty, Journal of Bone and Joint Surgery, 72B, 252-258.
• 2. ANDRIACCHI T.P., GALANTE J.O., BELYTSCHKO T.B., HAMPTON S.A., 1976, A Stress Analysis of the Femoral Stem in Total Hip Prostheses, J. Bone Jt. Surg., 58A, 616-624.
• 3. ASPENBERG, GOODMAN S., TOKSVIG-LARSEN S., RYD L., ALBREKTSON T., 1992, Intermittent Micromotion Inhibits Bone Ingrowth, Titanium Implants in Rabbits Acta Otropaedica Scandinavia, 63, 141-145.
• 4. BEAUPRE, VASU R., CARTER D.R., SHURMAN D.J., 1986, Epiphyseal-Based Designs for Tibial Plateau Components-II. Stress Analysis in the Sagittal Plane, Journal of Biomechanics, 19, 663-673.
• 5. BERNAKIEWICZ M., 1998, Strain-Stress Criteria of Selecting Implants of Total Hip Joint Alloplasty, Ph.D Thesis, Wroclaw University of Technology, PRE10/98.
• 6. BERNAKIEWICZ M., BĘDZIŃSKI R., RYBACZUK M., 1977, Analysis of Material Properties of Bones, Biology of Sport, 14, 192-198.
• 7. BĘDZIŃSKI R., 1994, An Attempt at Determining the Stresses of the Human Femur with Endoprosthesis, in Recent Advances in Experimental Mechanics, edit. S.Gmes et al., Balkema, Rotterdam, 2, 1369-1374.
• 8. BĘDZIŃSKI R., 1997, Biomechanika Inżynierska - Zagadnienia Wybrane, Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław.
• 9. BĘDZIŃSKI R., ET AL., 1985, Badania przemieszczeń kości udowej z endoportezami bezcementowymi metoda interferometrii holograficznej, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej. Ser. Monografie, 112, 1182, 15-18.
• 10. BĘDZIŃSKI R., POZOWSKI A., ŚCIGAŁA K., 1998, Experimental Studies of Knee Joint Subjected to Popliteal Osteotomy Correction, OIAZ, 6, 271-278.
• 11. BĘDZIŃSKI R., ŚCIGAŁA K., 1998, Experimental Analysis of Surgically Corrected Knee Joint, Strain, 135-139.
• 12. CARTER D.R., 1986, A Unifying Principle Relating Stress to Trabecular Bone Morphology, Journal of Orthopaedic Research, 4, 302-317.
• 13. CARTER D.R., ET AL., 1977, The Behavior of Bone as Two-Phase Porous Structure, J. Bone Joint Surg. 59A, 954-962.
• 14. CHEAL E.J., ET AL., 1984, Role of Loads and Prosthesis Material Properties on the Mechanics of the Proximal Femur After Total Hip Arthoplasty, J. Orthopaedic Research, 10, 405-422.
• 15. CHEAL E.J., HAYES, LEE C.H., SNYDER B.D., MILLER J., 1985, Stress Analysis of a Condylar Tibial Component: Influence of Metaphyseal Shell Properties and Cement Injection Depth, Journal of Orthopaedic Research, 3, 424-434.
• 16. DELP S.L., ET AL., 1994, Superior Displacement of the Hip in Total Hip Replacement: Effects of Prosthetic Neck Lenght, Neck-Stem Angle, and Anteversion Angle on the Moment-Generating Capacity of the Muscles, Journal of Orthopaedic Research, 12, 860-870.
• 17. DRAGAN S., 1992, Badania nad wpływem konstrukcji trzpienia endoprotezy bezcementowej i rozkładu sil występujących w kości udowej pod wpływem obciążeń na zaburzenie pierwotnej stabilności, Rozprawa Doktorska, AM Warszawa.
• 18. DUCHEYNE, HEYMANS L., MARTENS M., AERNOUDT E., MEESTER P.D., MULIER J.C., 1977, The Mechanical Behaviour of Intracondylar Cancellous Bone of the Femur at Different Loading Rates, Journal of Biomechanics, 10, 747-762.
• 19. EBRAMZADEH E., MCKELLOP H., WILSON M., SARMIENTO A., 1988, Design Factors Affecting Micromotion of Porous Coated and Low Modulus Total Hip Prostheses, Proc. 3Ąth Ann. Meet. Orthop. Res. Soc, Atlanta, 351.
• 20. EWALD, JABOBS M.A., MIEGEL R.E., Ross P.S., SLEDGE C.B., 1984, Kinematic Total Knee Replacement, Journal of Bone and Joint Surgery, 66 A, 1032-1040.
• 21. FREEMAN A.R., PLANTE-BORDENEUVE P., 1994, Early Migration and Late Aseptic Failure of Proximal Femoral Prostheses, Journal of Bone and Joint Surgery, 76B, 432-438..
• 22. FRIEDEBOLD G., WOLFF A., 1987, Biomechanics in Orthopaedics, Biomechanics: Basic and Aplied Researches.
• 23. FROST H.M., 1964, The Laws of Bone Structure, Charles C. Thomas, Springfield, III.
• 24. GARG A., WALKER P.S., 1986, The Effects of the Interface on the Bone Stresses Beneath Tibial Components, Journal of Biomechanics, 19, 957-967.
• 25. GOLDSTEIN S.A., WILSON D.L., SONTEGARD D.A., MATTHEWS L.S., 1983, Mechanical Properties of Human Tibial Trabecular Bone as Function of Metaphyseal Location, Journal of Biomechanics, 16, 965-969.
• 26. HANK C.K., ET AL., 1988, Strain Analysis of the Proximal Femur After Total Hip Replacement, J. Arthoplasty, 249-262.
• 27. HANSER U., 1979, Quantitative Evaluation of Holographic Deformation Investigations in Experimental Orthopaedics. Holography in Medicine and Biology, edit. G.Bally.
• 28. HUISKES R., ET AL., 1992, Effects of Material Properties of Femoral Hip Components on Bone Remodeling, J. of Orthopaedic Research, 10, 845-853.
• 29. DE JONG F.W., 1997, Mechanical Analysis of a Hydroxyl-Apatite Coated Knee Prosthesis, Ph.D. Thesis, Universiteit Eindhoven Press, Eindhoven.
• 30. KENDRICK J.B., ET AL., 1995, Distal Stem Design and the Torsional Stability of Cementless Femoral Stem, The Journal of Arthoplasty, 10, 463-469.
• 31. MURASE K., CROWNINSHIELD R.D., PEDERSEN D.R., CHANG T., 1982, An Analysis of Tibial Component Design in Total Knee Arthroplasty, Journal of Biomechanics, 16, 13-22.
• 32. PHILIPS T., ET AL., 1990, Femoral Stem Fixation in Hip Replacement. A Bio-mechanical Comparison of Cementless and Cemented Prostheses, J. Bone Jt. Surg.
• 33. ROHLMANN A., ET AL., 1983, FEM Analysis and Experimental Investigation in a Femur with Hip Endoprosthesis, Journal of Biomechanics, 9, 727-742.
• 34. RYD L., 1986, Micromotion in Knee Arthroplasty: A Roentgen Stereophoto-grammetric Analysis of Tibial Component Fixation, Acta Otrhopaedica Scandinavia, Suppl. 220.
• 35. RYD L., ALBREKTSSON B.E.J., HERBERTS P., LINDSTAND A., SELVIK G., 1988, Micromotion of Noncemented Freeman-Samuelson Knee Prosthesis in Gonarthrosis, Clinical Orthopaedic and Related Research, 229, 205-212.
• 36. RYD L., LINDSTRAND A., STENSTROM F., SELVIK G., 1990, Porous Coated Anatomical Tricompartmental Tibial Components, Clinical Orthopaedic and Related Research, 251, 189-197.
• 37. RYD L., ALBREKTSSON B.E.J., CARLSSON L.V., DANSGARD F., HERBERTS P., LINDSTRAND A., REGNER L., TOKSVIG-LARSEN S., 1995, Roentgen Stereophotogrammetric Analysis as a Predictor of Mechanical Loosening of Knee Prostheses, Journal of Bone and Joint Surgery, 77B, 377-383.
• 38. TISSAKHT M., ESKANDRI H., AHMED A.M., Micromotion Analysis of the Fixation of Total Knee Tibial Component, Compouters and Structures, 56, 365-375.
• 39. VAN As R., BLANKEVOORT R., HUISKES R., VITVEOT J., Finite Element Analysis of Unicompartimental Tibial Plateau: the Effect of the Metal Backing, Transaction EORS, 5, 41.