Numerical evaluation of sensitivity of stress distribution in bone to geometric parameters of endoprosthesis

• Autorzy: Kowalczyk P.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

One of serious drawbacks in the bone endoprosthetics is the implant separation from bone or cement. Stress concentrations on the implant surface are deemed major factor in this process and implant shape optimization seems to be a natural way of improvement of stress disrtibution. An important tool in effective optimization algorithms is design sensitivity analysis (DSA). The discretized formulation of the problem in terms of the finite element method is presented in this paper. A three-dimensional model of femur with a cementless implant analysed. Frictionless contact and perfect bonding are assumed on the smooth and rough parts of the implant surface, respectively. Computational examples show the stress concentrations and their sensitivity to various geometric parameters of the implant.

PL

Jednym z poważnych mankamentów endoprotetyki stawów jest odrywanie się implantu od cementu lub kości. Główną przyczyną tego zjawiska są koncentracje naprężeń na powierzchni implantu. Optymalizacja kształtu implantu jest uważana za naturalną drogę do przeciwdziałania temu zjawisku. Ważnym narzędziem w algorytmach optymalizacji jest analiza wrażliwości parametrycznej (DSA). Praca przedstawia sformułowanie zagadnienia wrażliwości w zdyskretyzowanym ujęciu metody elementów skończonych. Analizowana jest kość udowa z implantem bezcementowym o powierzchni gładkiej, a w górnej części porowatej. Przykłady numeryczne przedstawiają koncentracje naprężeń w tkance kostnej i ich wrażliwość na różne parametry kształtu implantu.

Słowa kluczowe

EN

biomechanics; sensitivity analysis; finite element method; contact problems

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 1999
• Tom: nr 3
• Strony: 555--577
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., il., wykr.

Twórcy

autor

Kowalczyk P.

• Institute of Fundamental Technological Research, Polish Academy of Sciences

Bibliografia

• 1. COWIN S., (edit.), 1989, Bone mechanics, CRC Press, Boca Raton.
• 2. DAMMAK M., SHRIZI-ADL A., ZUKOR D.J., 1997, Analysis of Cementless Implants using Interface Nonlinear Friction - Experimental and Finite Element Studies, Journal of Biomechanics, 30, 2, 121-129.
• 3. MARTENS M., VAN AUDEKERCKE R., DELPORT P., DE MEESTER P., Mu-LIER J.C., 1983, The Mechanical Characteristics of Cancellous Bone at the Upper Femoral Region, Journal of Biomechanics, 16, 12, 971-983.
• 4. HAUG E.J., CHOI K.K., KOMKOV V., 1986, Design Sensitivity Analysis of Structural Systems, Series in Math. Sci. Engrg., Academic Press.
• 5. HEDIA H.S., BARTON D.C., FISHER J., IBRAHIM A., 1996, Shape Optimisation of a Charnley Prosthesis Based on the Fatigue Notch Factor, Bio-Medical Materials and Engineering, 6, 199-217.
• 6. HEDIA H.S., BARTON D.C., FISHER J., 1997, Material Optimisation of the Femoral Component of a Hip prosthesis Based on the Fatigue Notch Factor Approach, Bio-Medical Materials and Engineering, 7, 83-98.
• 7. HOBATHO M.-C, RHO J.Y., ASHMAN R.B., 1997, Anatomical Variation of Human Cancellous Bone Mechanical Properties in Vitro, In: G. Lowet et al. (eds.), Bone Research in Biomechanis, IOS Press.
• 8. KANG Y.K, PARK H.C., YOUM Y., LEE I.K., AHN M.H., IHN J.C., 1993, Three Dimensional Shape Reconstruction and Finite Element Analysis of Femur Before and After the Cementless Type of Total Hip Replacement, Journal of Biomedical Engineering, 15, 497-504.
• 9. KLEIBER M., ANTÛNEZ H., HIEN T.D., KOWALCZYK P., 1997, Parameter Sensitivity in Nonlinear Mechanics, Wiley, Chichester.
• 10. KUIPER J.H., HuiSKES R., 1997, Mathematical Optimization of Elastic Properties: Application to Cementless Hip Stem Design, Transactions of the ASME, Journal of Biomechanical Engineering, 119, 166-174.
• 11. KEAVENY T.M., BARTEL D.L., 1993, Effect of Porous Coating and Collar Support on Early Load Transfer for a Cementless Hip Prosthesis. Journal of Biomechanics, 26, 10, 1205-1216.
• 12. KOWALCZYK P., 1994, Finite-Deformation Interface Formulation for Friction-less Contact Problems, Communications in Numerical Methods in Engineering, 10, 879-893.
• 13. MANN K.A., BARTEL D.L., WRIGHT T.M., BURSTEIN A.H., 1995, Coulomb Frictional Inerfaces in Modeling Cemented Total Hip Replacements: a More Realistic Model, Journal of Biomechanics, 28, 9, 1067-1078.
• 14. MCNAMARA B.P., CRISTOFOLINI L., TONI A., TAYLOR D., 1997, Relation¬ship between Bone-Prosthesis Bonding and Load Transfer in Total Hip Reconstruction, Journal of Biomechanics, 30, 6, 621-630.
• 15. YANG R.J., CHOI K.K., CROWNINSHIELD R.D., BRAND R.A., 1984, Design Sensitivity Analysis: A New Method for Implant Design and a Comparison with Parametric Finite Element Analysis, Journal of Biomechanics, 17, 11, 849-854.
• 16. ZIENKIEWICZ O.C., 1977, The Finite Element Method, McGraw-Hill.