This study is concerned with the shape optimization of stem for the artificial hip prosthesis with unbonded cement mantle. The artificial hip prosthesis with unbonded cement mantle allows a stem to slip on cement mantle because of polished stem surface. Unbonded cement mantle type has several advantages compared with bonded cement mantle type, for example, small micro motion, preventing stress shielding and so on. In this study, 2-dimensional axisymmetric model was developed with considering characteristics of unbonded cement mantle. Moreover, optimal shape of stem was obtained by using feasible direction method. The objective of this optimization is maximizing supported vertical loading. The slip motion and stresses of stem, cement mantle and bone is used for constraints. The optimal shape which obtained by this study has slope of 0.15 in proximal part and maintains the width about 5mm in distal part In addition, simplified 3-dimensional analysis which applying optimal shape is carried out. The result of 3-dimensional analysis showed that optimal shape has some advantages for cement mantle stress. However, more realistic 3-dimensional analysis which including bending effect, complex geometries etc. is needed in further research.
복합재료 보철물이 삽입된 인공 고관절의 장기적 거동의 해석을 위한 비선형 유한요소법이 개발되었으며 아울러 두꺼운 적층 복합채 보철물의 설계를 위한 3차원 육면체 요소가 이용되었다. 사용된 요소는 요소내의 다양한 물성치를 포함하여 요소의 절단면을 고려할 수 있는 ply-drop-off요소이다. 개발된 비선형 유한요소해석 프로그램은 단층하중하의 보 문제를 통해 엄밀해와의 비교를 통해 검증하였다. 개발된 프로그램을 이용하여 보철물의 재료와 복합재료 보철물의 적층각도에 따른 밀도 변화 및 강도비를 계산하여 인공 고관절의 역학적 거동을 해석하였으며 동시에 보철물의 설계 성능을 평가하였다. 계산된 수치해석 결과를 통해 인공 고관절 보철물의 설계 성능의 평가가 가능하며 보철물 설계에 따른 시간 및 비용을 줄일 수 있다.
An investigation has been performed to develop an analysis tool based on a nonlinear beam theory, which can be used to predict the long-term behavior of an artificial hip joint. The nonlinear behav ior of the femur arise from the coupled dependence of the bone density and the mechanical properties on each other. The beam theory together with its numerical algorithm is developed to take into account the nonlinear bone remodeling process of the femur that is long enough to be assumed as a beam. A piecewise linear curve for the bone remodeling rate is used in the bone remodeling theory and the surface area density of bone is modeled as the third order polynomial function of bone density. At each section of the beam, a constant curvature is assumed and the longitudinal strains are also assumed to vary linearly across the section. The Newton-Rhapson iteration method is used to solve the nonlinear equations for each cross section of the bone and a backward method is used to march along the time. The density and the remodeling signal ar, calculated along with time for the various time steps, and the developed beam theory has been verified by comparing with the results of finite element analysis of a remodeling bone with an artificial hip joint of titanium prosthesis subjected to uni-axial loads and pure bending moment. It is concluded that the developed beam theory can be used to predict the long-term behavior of the femur and thus to design the artificial hip prosthesis.
무시멘트 인공 고관절 전치환술 후, 복합재료 스템을 갖는 대퇴골의 장기 거동과 인공 대퇴 보철물의 설계 성능을 분석하기 위하여 비선형 유한요소 프로그램이 개발되었다. 한 발로 서 있을 때의 관절 접촉 하중과 근육하중이 적용되었고, 816개의 brick요소를 갖는 타원형 단면의 복합재료 스템으로 치환된 대퇴골이 3차원 유한요소로 모델링 되었다. 프로그램을 사용하여 대퇴골의 밀도 변화, 응력분포, 상대미소운동이 plate cut과 bend mold와 같은 제작 방법에 대한 스템의 적층 각도 변경에 따라서 평가되었다. 결과는 코발트 크롭 합금, 티타늄 합금, 스테인레스 강과 같은 금속 재료보다 AS4/PEEK, T300/976과 같은 복합재료가 적은 골 흡수를 보였다. 대퇴골 보철물의 장기 안정성 증대는 적당한 복합재료의 적층과 적층 각도의 선택에 의하여 얻어질 수 있었다.
The human's biomechanical structure keeps an optimal state by adapting the original biomechanical structure according to a change in the physical environment. This phenomenon is believed to be the main cause of loosening of the total hip replacement which is used widely in these days. In this study the bone density change due to artificial hip joint, which is generally believed as bone-remodeling, was investigated by the finite element method. For this, 2-D FEM models with 4 nodal point elements were constructed for intact and implanted cases. The density was calculated by comparing the relative amounts of effective stress for these two cases. In this way, calculated new density values were used in the next step as input values and this procedure repeated until convergence was obtained. Severe density change was detected at the femoral cortex of the proximal-medial side as expected. Moreover, following surprising result was found from this analysis. Titanium alloy prosthesis showed less density change compared to stainless steel prosthesis at earlier stage, however, almost same amount of the density change was detected at final stage. It was also found that other design parameters could not significantly affect its density change.
In cementless total hip arthroplasty(THA), an initial stability of the femoral component is mandatory to achieve bony ingrowth and secondary long term fixation. Bone ingrowth depends strongly on relative micromotion and stress distributions at the interface. Primary stability of the femoral component can be obtained by minimizing the magnitude of relative micromotions at bone-prosthesis interface, Hence an accurate evaluation of interface behavior and stress/strain fields in the bone implant system may be relevant for better understanding of clinical situations and improving THA design. However, complete evaluation of load transfer in the bone remains difficult to assess experimentally, Hence, recently finite element method (FEM) was introduced in orthopaedic research field to fill the gap due to its unique capacity to evaluate stress in structure of complex shape, loading and material behavior. The authors developed the 3-dimensional numerical finite element model which is composed of totally 1179 elements off and 8 node blick. We also analyzed the micromotions at the bone-stem interface and mechanical behavior of existing bone prosthesis for a loading condition simulating the single leg stance. The result indicates that the values of relative motion for this well fit Multilock stem were $150{\mu}m$ in maximum, $82{\mu}m$ in minimum, and the largest relative motion developed in medial region of proximal femur with anterior-posterior direction. The proximal region of the bone was much larger in motion than the distal region and the stress pattern shows high stress concentration on the cortex near the tip of the stem. These findings indicates that the loading in the proximal femoral bone in the early postoperative situation can produce micromotions on the interface and clinically cementless TEA patient should not be allowed weight bearing strictly early in the postoperative period.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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