Monitoring the strains on cadaveric femoral bones with titanium alloy prosthetic stems
Παρακολούθηση καταπονήσεων σε πτωματικά μηριαία οστά με προσθετικά στελέχη από κράματα τιτανίου
Keywords
Strains ; Cadaver femurs ; Titanium alloy prosthetic stems ; Loading setup ; Digital image correlation ; Biomechanical sensorsAbstract
The present work involved the mechanical properties evaluation of cadaveric specimens with titanium prosthetic stems by monitoring the strains in a realistic simulated environment of human joint forces. The results of this work can be used to understand the behavior of bone tissue and improve the design of the hip implants, enhancing quality of life for patients suffering from diseases and injuries. The literature survey part of the research referenced multiple scientific fields crucial for its completion, including the historical context of THA, the evolution of contemporary THA, hip biomechanics, the mechanical properties and the behavior of bone tissue and biomaterials, additive manufacturing techniques for the construction of patient-specific implants, and the biomechanical sensors and optical techniques that provide strain distribution and displacement data for the implant-bone system. The experimental phase was divided into two main parts: designing and constructing a mechanical system capable of accurately replicating the forces acting on the hip joint, and the mechanical evaluation of two cadaver human femurs, one intact and one implanted with a titanium alloy prosthetic stem. A Digital Image Correlation (DIC) system was used to capture the strains of the cadaver specimens in two different planes. The intact femur reached the maximum load in all five attempts, exhibiting a linear behavior. The DIC results indicated that the highest strain concentrations are in the medial diaphysis and in the femoral neck. These results were consistent with other studies referenced in the theoretical part of this work. The implanted femur did not reach the maximum load because it was damaged by the polymerization of PMMA at the great trochanter. With only limited data collected, the implant-bone system showed linear behavior during the loading, a similar behavior that was detected for the intact femur, however, this data is insufficient so as to evaluate implant integrity. Future research should focus on improving both experimental design and methodology utilising the challenges and limitations encountered in this work.
Abstract
Η παρούσα εργασία περιλαμβάνει την αξιολόγηση των μηχανικών ιδιοτήτων πτωματικών μηριαίων οστών με προσθετικά στελέχη από κράματα τιτανίου παρακολουθώντας τις παραμορφώσεις τους υπο πίεση/μηχανική τάση σε ένα ρεαλιστικό περιβάλλον προσομοιώσης των δυνάμεων που ασκούνται στο ισχίο. Τα αποτελέσματα της παρούσας δουλειάς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατανόηση της συμπεριφοράς του οστικού ιστού και τη βελτίωση του σχεδιασμού των εμφυτευμάτων ισχίου, βελτιώνοντας παράλληλα την ποιότητα ζωής των ασθενών που πάσχουν από ασθένειες και τραυματισμούς στο ισχίο. Το θεωρητικό μέρος της έρευνας αφορά πολλαπλά επιστημονικά πεδία κρίσιμα για την ολοκλήρωσή της. Συγκεκριμένα γίνεται αναφορά στο ιστορικό πλαίσιο και στην εξέλιξη της σύγχρονης ολικής αρθροπλαστικής ισχίου, στην εμβιομηχανική του ισχίου, στις μηχανικών ιδιότητες και την συμπεριφορά του οστικού ιστού και των σύγχρονων βιοϋλικών, στους τρόπους κατασκευής των ειδικά προσαρμοσμένων εμφυτευμάτων για τον ασθενή και στους εμβιομηχανικούς αισθητήρες και οπτικών τεχνικών που παρέχουν δεδομένα για τις κατανομές των παραμορφώσεων και των μετατοπίσεων του οστού και εμφυτεύματος. Η πειραματική φάση χωρίστηκε σε δύο κύρια μέρη: το σχεδιασμό και την κατασκευή ενός μηχανικού συστήματος ικανού να αναπαράγει με ακρίβει τις δυνάμεις που δρουν στην άρθρωση του ισχίου και τη μηχανική αξιολόγηση δύο πτωματικών ανθρώπινων μηριαίων οστών, ενός άθικτου και ενός εμφυτευμένου. Χρησιμοποιώντας ένα σύστημα Ψηφιακής Συσχέτισης Εικόνας καταγράφηκαν οι παραμορφώσεις των δοκιμίων σε δύο διαφορετικά επίπεδα. Το άθικτο μηριαίο οστό έφτασε στο μέγιστο φορτίο και στις πέντε προσπάθειες, δείχνοντας γραμμική συμπεριφορά κατά τη φόρτιση. Τα αποτελέσματα του συστήματος ψηφιακής συσχέτισης εικόνας έδειξαν ότι οι υψηλότερες συγκεντρώσεις καταπόνησης ήταν στην έσω διάφυση και στον αυχένα του μηριαίου οστού. Αυτά τα αποτελέσματα ήταν σύμφωνα με άλλες μελέτες που αναφέρονται στο θεωρητικό μέρος αυτής της εργασίας. Το εμφυτευμένο μηριαίο οστό δεν έφτασε στο μέγιστο φορτίο επειδή υπέστη ζημιά από τον πολυμερισμό του ιατρικού τσιμέντου στον μείζονα τροχαντήρα. Με τα περιορισμένα μόνο δεδομένα που συλλέχθηκαν, το σύστημα οστό-εμφύτευμα επέδειξε γραμμική συμπεριφορά κατά τη φόρτωση. Ωστόσο, αυτά τα δεδομένα είναι ανεπαρκή για την αξιολόγηση της ακεραιότητας του εμφυτεύματος. Μελλοντικές έρευνες πάνω σε αυτό το κομμάτι θα πρέπει να επικεντρωθούν στη βελτίωση του πειραματικού σχεδιασμού και της μεθοδολογίας, αντιμετωπίζοντας τις προκλήσεις και τους περιορισμούς που συναντήθηκαν σε αυτό το έργο.