Author(s):
Resende, Carlos Alberto Pinho 
Date: 2013
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10773/11669
Origin: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Subject(s): Engenharia mecânica; Biomecânica; Artroplastia; Articulações: Joelho; Método do elemento finito; Enxertos ósseos
Description
Nesta tese foi objetivo estudar os aspetos biomecânicos das diferentes técnicas de
colmatação de perda óssea no fémur distal aquando da revisão da artroplastia
total do joelho. Procurou-se avaliar como cada uma das diferentes técnicas altera
a transferência de carga ao osso de suporte, aferindo assim potencias riscos de
reabsorção óssea ou mesmo falha por fadiga do osso de suporte ou do material
associado à técnica utilizada. Avaliou-se também o efeito da utilização da haste
intramedular quando associada às diferentes técnicas. Para o efeito, numa
primeira fase, realizou-se uma análise detalhada à articulação do joelho na
vertente anatómica, biomecânica e artroplástica em especial no processo de
revisão. Foi selecionada a prótese do joelho e respetivos aumentos protésicos do
modelo comercial P.F.C. Sigma para a realização do estudo comparativo. Em
complemento dos aumentos metálicos foram também avaliadas mais duas técnicas
de colmatação óssea; uma com recurso ao cimento ósseo e outra com a utilização
de um enxerto de osso. Para este processo desenvolveram-se modelos
experimentais com recurso ao fémur em material compósito, onde os defeitos
ósseos foram gerados de uma forma sequencial no côndilo medial e as diferentes
técnicas de colmatação aplicadas através da realização de cirurgias "in-vitro". A
fim de aferir as alterações de transferência de carga foram colocados
extensómetros na região medial anexa ao defeito e lateral permitindo a avaliação
das deformações principais no córtex sob ação de um severo caso de carga. Numa
fase posterior desenvolveram-se modelos numéricos de elementos finitos que
replicaram os modelos experimentais. Estes modelos numéricos permitiram a
avaliação de parâmetros biomecânicos não passíveis de avaliação com recurso aos
modelos experimentais anteriores, tais como as deformações no osso esponjoso de
suporte e os níveis de tensão no cimento ósseo. Estes mesmos modelos foram
comparados com os resultados obtidos nos modelos experimentais, evidenciando-se
uma boa correlação entre estes. Os resultados obtidos nos modelos experimentais
e numéricos demonstram alterações de transferência de carga para o osso de
suporte entre os diferentes tipos de técnicas. As técnicas associadas ao aumento
metálico distal de 4mm e cimento ósseo, para o defeito tipo F1, não alteram
significativamente a transferência de carga para o osso suporte ao contrário das
técnicas de aumento distal de 12mm e enxerto ósseo, para defeito tipo F2, estes
apresentado riscos de reabsorção óssea e sobrecarga localizada respetivamente. O
uso de haste femoral parece apenas ser útil associada à técnica com enxerto ósseo,
sendo o seu efeito menos positivo quando associada as restantes técnicas. The main goal of this thesis, was studying the biomechanical behaviour of
different techniques to replace bone loss in the distal femur at the revision total
knee arthroplasty. The biomechanical behaviour of each technique was done by
the evaluation of load transfer changes to the host bone, relating this changes
with potential risk effects in host bone like bone resorption, due to stress-shielding
effect, or bone fatigue damage due to localized overloading. Also was evaluated
the use of an intramedullary press-fit stem in the load transfer effect to host bone,
for each replacement technique. For this effect, in a first step, was done an
anatomical and biomechanical review of the knee joint, as well as of the revision
knee arthroplasty. For the study, P.F.C. Sigma knee prosthesis and femoral
distal metal augments were selected, to carry the comparative study. In
complement of the two distal metal augments, were also analyzed two more bone
replacement techniques; bone cement filling and structural bone graft. For this
comparative study were developed experimental models with composite femur,
where of an incremental way bone defects type F1 and F2 were done at the
medial condyle, and the different bone replacement techniques applied through in
vitro surgeries'. The load transfer changes were analyzed in the experimental
models with tri-axial strain gages positioned at the medial, next of the bone
defect, and lateral cortex. The measured strains were used to calculate the
maximal and minimal principal strain at the cortex surface under a severe load
case. Later, were developed finite element models that replicate the experimental
ones. These numerical models were used to evaluate the biomechanical
parameters, which not possible to evaluate with the experimental models, as the
principal strains in host cancellous bone and von Mises bone cement stress. These
numerical models were correlated with the results of the experimental models,
providing a good correlation between them. The experimental and numerical
results showed load transfer changes at the host bone between the different
replacement techniques. The metal 4mm augment and bone cement filling
techniques, at the defect type F1, did not changes significantly the load transfer
to the host bone, contrary to the techniques with metal 12mm augment and
structural bone graft, applied at the bone defect F2, the latter presenting bone
resorption and fatigue bone damage risks respectively. The femoral press-fit stem
use appears only be beneficial associated at the structural bone graft technique,
the stress-shielding effect generated by the stem limits their use with the others
bone replacement techniques. Mestrado em Engenharia Mecânica
