A mathematical analysis of the initial stability of a short femoral prosthesis
Author
Hupfeld, Sandi
Term
4. term
Publication year
2016
Submitted on
2016-06-01
Pages
89
Abstract
Formål: Hoftealloplastik er en udbredt operation til at lindre smerter, men holdbarheden er begrænset, hvilket gør behandling af yngre patienter udfordrende. Korte lårbensstammer kan bevare knogle til fremtidige revisioner. Den nye Primoris-stamme fikseres ved knoglekompaktion (sammenpresning), som i teorien giver god initial stabilitet. Resultatet afhænger dog stærkt af patientens knogleforhold, hvilket ikke er undersøgt for denne stamme. Formålet var at analysere den initiale stabilitet af Primoris ved at koble den til knoglevævets trykadfærd og at opbygge repræsentative matematiske modeller til at undersøge forskellige forudgående knogletilstande. Metoder: Da knoglers mekaniske adfærd afhænger af den relative densitet (her kaldet pr) og ændrer sig under kompaktion, afledte vi et matematisk udtryk for pr mellem 0,2 og 0,6. For at vurdere stabiliteten via udtrækningskraften blev der udviklet en 3D finit element (FE) model i LS-DYNA, der simulerer indsættelsesprocessen og muliggør afprøvning af forskellige knogleforhold. Fordi det er vanskeligt at bedømme pålideligheden af FE-resultaterne, blev der også lavet en forenklet analytisk model til at skabe grundlæggende forståelse og støtte udviklingen af FE-modellen. Resultater: Det afledte udtryk for knoglevævets trykadfærd fulgte tendenserne i litteraturen og dannede grundlag for begge modeller. Den analytiske model viste lavest kontakttryk ved pr = 0,2, hvor der kun opnås 7 % sammenpresning mod 94,7 % ved pr = 0,6. Friktionen mellem knogle og stamme havde stor betydning for udtrækningskraften. Begge modeller viste, at højere relativ densitet (pr) øger udtrækningskraften og dermed den initiale stabilitet. De indikerede også højere udtrækningskraft ved ændring af stammens konusvinkel. Konklusion: De to modeller reagerede ens på ændringer i knogleforhold, hvilket viser, at FE-modellen kan bruges til at analysere forskellige forudsætninger og dermed estimere den initiale stabilitet. Det kan bruges til en kvalitativ forudsigelse af det kirurgiske forløb. Den mest afgørende parameter var den relative densitet pr: lavere pr gav lavere udtrækningskraft og dårligere stabilitet. Stammens geometri havde også betydning.
Purpose: Hip arthroplasty is a common operation to relieve pain, but implant longevity is limited, which makes treating younger patients challenging. Short femoral stems aim to preserve bone for future revisions. The new Primoris stem is fixed by bone compaction, which in theory provides good initial stability. However, success strongly depends on the patient’s bone condition, which has not been examined for this stem. This thesis aimed to analyze the initial stability of Primoris by linking it to the compressive behavior of bone tissue and to build representative mathematical models to test different preconditions of the host bone. Methods: Because bone mechanics depend on relative density (here called pr) and change during compaction, we derived a mathematical expression for pr between 0.2 and 0.6. To assess stability via the pull-out force, we developed a 3D Finite Element (FE) model in LS-DYNA that simulates the insertion process and allows testing of different bone conditions. As the reliability of FE results can be hard to judge, we also built a simplified analytical model to provide basic insight and guide FE model development. Results: The derived expression for bone compressive behavior followed trends in the literature and underpinned both models. The analytical model showed the lowest contact pressure at pr = 0.2, with only 7% compaction compared with 94.7% at pr = 0.6. Friction between bone and stem had a major effect on pull-out force. Both models indicated that higher relative density (pr) increases pull-out force and thus initial stability. They also indicated higher pull-out force when the stem’s conical angle was changed. Conclusion: The two models responded similarly to changes in bone conditions, showing that the FE model can analyze different preconditions and estimate initial stability. This can support a qualitative prediction of the surgical procedure. The most influential parameter was the relative density pr: lower pr led to lower pull-out force and poorer stability. Stem geometry also affected the outcome.
[This abstract was generated with the help of AI]
Documents