Author(s):
Vieira, Eugénio Vítor Caldeira 
Date: 2012
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10773/9943
Origin: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Subject(s): Engenharia mecânica; Artroplastia; Biomecânica; Joelho - Anatomia
Description
O joelho é uma das articulações mais importantes do corpo humano,
permite a mobilidade e a estabilidade em simultâneo. Algumas patologias
como a síndrome patelo-femoral podem conduzir à necessidade da
realização da artroplastia patelo-femoral. Vários efeitos comprometem a
longevidade desta artroplastia, sendo os mais frequentes o efeito de stress
shielding, responsável pela reabsorção óssea localizada, o efeito de fadiga
por sobrecarga associado à geração de microfissuras e colapso do osso de
suporte, e a osteólise provocada pela fratura e libertação de micropartículas
do cimento-ósseo. Os parâmetros biomecânicos associados a estes efeitos
foram estudados em três implantes comerciais; Journey PFJ (Smith &
Nephew Inc), Vanguard PFR (Biomet Inc) e Zimmer PFJ (Zimmer Inc).
Adicionalmente foram ainda propostos seis novos modelos de implante por
forma a tentar melhorar o desempenho destes, tendo sido este o principal
objetivo deste trabalho. Para a análise dos parâmetros biomecânicos
(deformações no osso e tensões no cimento ósseo) foram utilizados
modelos de elementos finitos desenvolvidos a partir de imagens médicas de
TAC de um paciente saudável. Foram simuladas as condições de carga
para três atividades fisiológicas distintas; ciclo de marcha, subir escadas e
agachamento profundo. Estas análises foram realizadas por forma a serem
representativas de duas situações clínicas distintas, uma representativa do
curto termo, em que o cimento-ósseo foi considerado rigidamente ligado ao
osso e outra representativa do longo termo, em que o cimento-ósseo foi
considerado apenas em contacto com atrito com o osso, ou seja uma
situação de descolamento desta interface. Após a análise comparativa dos
diferentes modelos implantados relativamente aos modelos intactos,
verificou-se que nas regiões de bordo dos implantes comerciais os níveis de
deformação no osso esponjoso são bastante elevados tendo todos os
modelos apresentando um risco de falência por fadiga, devido a sobrecarga
localizada, sendo o risco mais elevado associado à atividade de
agachamento. O efeito stress shielding foi observado com diferentes graus,
em todos os modelos na zona central do implante. O cimento ósseo
apresentou várias zonas com tensões de von Mises superiores à tensão
limite de fadiga para os casos da atividade de subir escadas e
agachamento. Os novos modelos de implante patelo femoral propostos
apresentam comportamentos comparáveis aos observados nos implantes
comerciais, no entanto uma das novas propostas de implante sugere um
melhor compromisso de entre todos os implantes analisados. The knee joint is one of the most important articulations of the human body,
allowing simultaneous mobility and stability. Some pathologies such as
patellofemoral syndrome can lead to patellofemoral arthroplasty. The longevity
of arthroplasty is compromised by various effects, being the most frequent the
effect of stress shielding, responsible for the located bone reabsorption, the
effect of fatigue by overcharge associated to the generation of microfissures
and the collapse of the supporting bone, and the osteolysis provoked by the
fracture and release of microparticle of bone cement. The biomechanical
parameters associated with these effects were studied in three
commercialized implants; Journey PFJ (Smith & Nephew Inc.), Vanguard PFR
(Biomet Inc.) and Zimmer PFJ (Zimmer Inc). Additionally there were also
proposed six new models of implants in order to try to improve their
performance, being this the main goal of this work. To analyze the
biomechanical parameters (bone strain and bone cement stress) there were
used the finite element models developed from CT medical images of a
healthy patient. Three different loading conditions for three distinct
physiological activities were simulated: gait cycle, climb stairs and deep squat.
These analyzes were performed to represent two distinct clinical situations, a
representative of the short term, were the bone cement was considered rigidly
connected to the bone and another representative of the long term, were the
bone cement was found only in frictional contact with the bone, in other words,
a state of detachment of this interface. After comparative analysis of the
different models implanted with the intact models, it was found that in the edge
regions of the commercialized implants the levels of deformation in the
cancellous bone are quite high with all models presenting a risk of fatigue
failure due to localized overload, and the higher risk is associated with the
squatting. The stress shielding effect was observed with varying degrees, in
all models in the central area of the implant. The bone cement showed several
areas with von Mises stresses above the fatigue limit stress for cases climbing
stairs and squatting. The new models of patellofemoral implant proposed
exhibit behaviors similar to those seen in commercial implants, however one
of the new proposed implants suggests a best compromise amongst all
implants analyzed. Mestrado em Engenharia Mecânica
Document Type
Master Thesis
Language
Portuguese
Advisor(s)
Completo, António Manuel Godinho; Fonseca, Fernando Manuel Pereira da
