Σχεδίαση Ανάλυση και Έλεγχος Στελεχών Εμφυτευμάτων Τεχνητού Ισχίου

Abstract

Το ερευνητικό αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η ανάλυση, η σχεδίαση και ο έλεγχος στελεχών εμφυτευμάτων ισχίου. Συγκεκριμένα ερευνήθηκε ο σχεδιασμός των στελεχών που χρησιμοποιούνται στην Ολική Αρθροπλαστική Ισχίου (ΟΑΙ) με στόχο την πρόταση βελτιωμένων σχεδιαστικών λύσεων που θα μειώσουν το χρόνο φθοράς και χαλάρωσης του εμφυτεύματος. Η έρευνα επικεντρώθηκε στα εμφυτεύματα που τοποθετούνται χωρίς την χρήση τσιμέντου. Προτάθηκαν 3 μοντέλα στελεχών για αρθρωτά εμφυτεύματα, τα οποία με την εφαρμογή της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων (ΜΠΣ) διερευνήθηκαν ως προς την εμβιομηχανική τους συμπεριφορά σε συνθήκες ‘’Όρθιας Στάσης’’, ‘’Βάδισης’’ και ‘’Ανέβασμα Σκαλιών’’. Σκοπός της έρευνας είναι να συλλεγούν δεδομένα τα οποία θα μπορούν να βοηθήσουν στην σχεδίαση στελεχών με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και καλύτερα ποσοστά οστεοενσωμάτωσης από τα ήδη υπάρχοντα, ενισχύοντας την τάση προς τον εξατομικευμένο σχεδιασμό εμφυτευμάτων και δίνοντας τελικά στην ιατρική ομάδα χρήσιμες πληροφορίες για την βέλτιστη επιλογή ισχιακών προθεμάτων.

Η εργασία αναπτύσσεται σε 4 κεφάλαια. Στο πρώτο εξετάζονται τα οστικά εμφυτεύματα και η σχεδίαση στο τομέα της βιοϊατρικής. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται εκτενώς τα εμφυτεύματα τεχνητού ισχίου, δίνοντας πληροφορίες για την κινηματική της άρθρωσης , τα υλικά, τον τρόπο στήριξης των προθεμάτων, όπως και για την φθορά που παρουσιάζουν. Στο τρίτο κεφάλαιο, γίνεται ο καθορισμός των σχεδιαστικών προδιαγραφών και των λειτουργικών απαιτήσεων της σχεδιαστικής διαδικασίας. Αναλύεται η μηχανική των μηριαίων προσθέσεων, ο ρόλος της ΜΠΣ στον έλεγχό τους και γίνεται αναφορά στα διεθνή πρότυπα πιστοποίησης που αφορούν τα εμφυτεύματα ισχίων . Τέλος στο τέταρτο κεφάλαιο προτείνονται τρία (3) νέα τρισδιάστατα σχεδιαστικά μοντέλα στελεχών με διαμπερείς οπές από τιτάνιο Ti6A14V. Τα μοντέλα ελέγχονται στατικά ως προς την μηχανική τους αντοχή , με βάση τα διεθνή πρότυπα για την αντοχή εμφυτευμάτων, μέσω της ΜΠΣ κάνοντας χρήση του λογισμικού LSDYNA, σε τρεις (3) διαφορετικές συνθήκες καταπόνησης και στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της έρευνας.

The research topic of this master thesis is the study, design and static analysis of hip implants. Specifically, the research investigates new improved cementless stem designs for use in total hip arthroplasty, in order to reduce the wear rate and loosening of the implant. Three new stem models are proposed for modular implants which were tested by finite element analysis about their biomechanical behavior in standing, walking and climbing stairs. The aim of the survey is to collect data for long lasting stems with better osteointegration than the existing available implants. The new designs help in the improvement of personalized design prosthesis and finally offer useful information to the medical team for the optimal choice of hip prostheses.

The survey is divided in 4 parts. The first part refers to bone implants and biomedical design. In the second part, follows a presentation of femoral implants, offering information about hip joint kinematic, material used, hip implant support systems and wear causes. The Designs specifications and functional requirements of the design process are summarized in the third part. Additionally, it is analyzed the mechanic behavior of femoral components, the role of FEM analyses and the International Organization for Standardization (ISO) for hip implants. Finally, in the fourth part, 3 new 3D finite element models were built with through bores made of Ti6A14V. The mechanical resistance of the models is tested in 3 different static stress conditions, based on ISO. The FEM analysis was developed in LS DYNA environment.