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Tesis:

Dynamic numerical-experimental analysis of the stability of prosthetic elements of total hip arthroplasty

  • Autor: HOSSEINIMARASHI, Sareh

  • Título: Dynamic numerical-experimental analysis of the stability of prosthetic elements of total hip arthroplasty

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION

  • Departamentos: SIN DEPARTAMENTO DEFINIDO

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/73533/

  • Director/a 1º: CLARAMUNT ALONSO, Rafael

  • Resumen: Total hip replacement (THR) is a surgery which targets the relieving pain and recovery of the body function. At the present time, the first diagnostic way and method for following up are imaging techniques which unfortunately cannot be useful for early loosening detection. A sensitive method based on vibrometry has been also suggested in the literature for diagnosing the loosening. . However, it seems that many scientists have covered research on femoral stem loosening based on vibrometry. The present study targets to study both stem and acetabular cup. The main objective of this study is the investigation of the difference in the oscillation of secure and loose stem and acetabular cup to decrease the diagnosis time of safe adjustment of the prosthesis. All published articles focus their research lines on the changes in natural frequencies that appear when the prosthesis is loose. In this Thesis, a shift in damping ratio also has been explored to have a more accurate predictor of implant loosening. In our research plan, modal analysis results have been analyzed on several cases on a human hemipelvis: with both press-fit and screwed implant; only with the press-fit implant without screw; with the loose implant; and without the implant. In addition to, a 3D finite element model of an acetabular cup model was developed and implanted in the hemipelvis bone model. The influence of contact conditions (secure, loose, and screwed bone-implant with friction and frictionless) has been also investigated. First, a female human donor 60-year-old hemipelvis fresh frozen bone has been prepared by removing all external soft tissues and then weighed and scanned by axial computerized tomography. The geometry has been simulated by the finite elements method (FEM) with highly fine voxel segmentation. The correlation between the bone unknown density and Hounsfield units was adjusted by means of the results got from an experimental operational modal analysis made with the real bone suspended in a free-free condition. Small-size accelerometers, a powerful data adquisition system, and in-house software were employed. Then, an expert surgeon implanted a prosthetic cotile, monitoring the insertion pressure by means of instrumented trial cotiles and even the definitive cotile was instrumented, both of them with strain gages. All cotiles were calibrated by comparing the strain gages' strain with the load measured in a testing machine. For the next part, rubber bands were used to simulate the free-free condition for the operational modal analysis experiment. For the excitation, a hammer shape device has been employed for the implanted hemipelvis. The hammer impact was the input signal and the output signal from the accelerometers were amplified by a compact data acquisition system. The mode shapes were distinguished by applying excitation at several points through the pelvis bone and a later post-processing stage. A 3D model of the fresh frozen hemipelvis and of an acetabular cup were built in Abaqus, but they were identified as separate regions to assign material properties. Various types of contact sets were modeled between the implant cup and the pelvis to find out the influence of vibration on the two objects. Comparisons have been made between 4 types of loosening conditions for the experimental and FE model: press-fit (secure) bone-implant with screw, bone-implant without screw, loosen bone-implant, andbone without the implant. Modes have been calculated and compared and shown good correlations. Natural frequency values have been reduced by increasing instability between bone and implant. It concluded that acetabular cup loosening can be detected in vitro by vibrometry and damping analysis. This study was novel in doing experiments on fresh frozen hemipelvis bone to calculate the specific relation between density and modulus elasticity and investigate the stability of the implant with a screw and without a screw. In addition, it was proved that vibrometry can reliably detect the minimum acetabular cup loosening. However, these findings are not conclusive due to the limitations and the condition of the bone, but are a breakthrough in THR loosening detection. RESUMEN La artroplastia total de cadera (THR), es una cirugía cuyo objetivo es aliviar el dolor y recuperar la función corporal. En la actualidad, la primera línea diagnóstica y de seguimiento son las técnicas por imagen, que lamentablemente no son útiles para la detección precoz del aflojamiento. En la literatura se ha sugerido tanmbién un método sensible basado en vibrometría para diagnosticar el aflojamiento. Sin embargo, parece que muchos científicos han cubierto la investigación sobre el aflojamiento del vástago femoral, basándose en vibrometría . El presente estudio tiene como objetivo estudiar tanto el vástago como el cotilo. El objetivo principal de este estudio es la investigación de la diferencia entre la oscilación del vástago ajustado o suelto y de el cotilo para disminuir el tiempo de diagnóstico del ajuste seguro de la prótesis. Todos los artículos publicados centran sus líneas de investigación en los cambios en las frecuencias naturales que aparecen cuando la prótesis está suelta. En esta Tesis, también se ha explorado un cambio en la relación de amortiguamiento para tener un predictor más preciso del aflojamiento del implante. En de nuestro plan de investigación, los resultados del análisis modal se han analizado para varios casos en una hemipelvis humana: Con implante a presión y también atornillado; solo con el implante a presión sin tornillo; con el implante suelto; y sin el implante. Además, se ha desarrollado un modelo de elementos finitos en 3D de un modelo de cotilo y se ha implantado en el modelo óseo de la hemipelvis. Se ha investigado también la influencia de las condiciones de contacto (hueso-implante seguro, suelto y atornillado con fricción y sin fricción). En primer lugar, se preparó una hemipelvis ósea fresca congelada procedente de donante humano de 60 años de edad mediante la eliminación de todos los tejidos blandos externos y, a continuación, se pesó y se escaneó por tomografía axial computerizada. La geometría se simuló por el método de los elementos finitos (FEM) con una segmentación de vóxel muy fina. La correlación entre la densidad desconocida del hueso y las unidades Hounsfield se ajustó mediante los resultados obtenidos de un análisis modal operacional experimental realizado con el hueso real suspendido en una condición libre-libre. Se emplearon acelerómetros de pequeño tamaño, un potente sistema de adquisición de datos y un software propio. A continuación, un cirujano experto implantó un cotilo protésico, controlando la presión de inserción mediante cotilos de prueba instrumentados e incluso se instrumentó el cotilo definitivo, todos ellos con galgas extensométricas. Todos los cotilos se calibraron comparando la deformación de las galgas con la carga medida en una máquina de ensayo. Para la siguiente parte, se usaron bandas elásticas para simular la condición libre-libre para el experimento de análisis modal operacional. Para la excitación se empleó un dispositivo en forma de martillo para la hemipelvis implantada. El impacto del martillo fue la señal de entrada y la señal de salida de los acelerómetros fue amplificada por un sistema compacto de adquisición de datos. Las formas modales se distinguieron aplicando excitación en varios puntos a través del hueso de la pelvis y una posterior etapa de postprocesamiento. Se construyó en Abaqus un modelo 3D de la hemipelvis congelada y de un cotilo, pero se identificaron y separaron distintas regiones para asignar las propiedades de los materiales. Se modelaron varios tipos de contacto entre el cotilo y la pelvis para averiguar la influencia de la vibración en los dos objetos. Se realizaron comparaciones entre 4 tipos de condiciones de aflojamiento para el modelo experimental y FEM: hueso-implante ajustado a presión (seguro) con tornillo, hueso-implante sin tornillo, hueso-implante suelto y hueso sin implante. Los modos se calcularon y compararon y han mostrado buenas correlaciones. Los valores de la frecuencia natural se redujeron al aumentar la inestabilidad entre el hueso y el implante. Se ha llegado a la conclusión de que el aflojamiento del cotilo se puede detectar mediante vibrometría y análisis del amortiguamiento. Este estudio ha sido novedoso por realizar experimentos en hueso de hemipelvis fresca congelada para calcular la relación específica entre la densidad y el módulo de elasticidad e investigar la estabilidad del implante con un tornillo y sin tornillo. Además, se ha probado que la vibrometría puede detectar de manera fiable un aflojamiento mínimo del cotilo. Sin embargo, estos hallazgos no son concluyentes debido a las limitaciones y las condiciones del hueso, pero suponen un gran avance en la detección del aflojamiento de la THR.