Analisi numerica delle sollecitazioni meccaniche indotte dagli steli protesici nelle protesi con diverso tipo di vincolo

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Albano Grossi
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1 Analisi numerica delle sollecitazioni meccaniche indotte dagli steli protesici nelle protesi con diverso tipo di vincolo Bernardo Innocenti, PhD Lead Project Manager Numerical Kinematics European Centre for Knee Research Smith & Nephew, Technologielaan 11 bis 3001 Leuven, Belgium Division of Biomechanics at KULeuven Department of Mechanical Engineering Celestijnenlaan 300C 3001 Heverlee, Belgium

Smith & Nephew, Technologielaan 11 bis 3001 Leuven, Belgium www.eckr.

2 Analisi numerica delle sollecitazioni meccaniche indotte dagli steli protesici nelle protesi con diverso tipo di vincolo Bernardo Innocenti, PhD; Nelson Fanciullacci, MS; Luc Labey, PhD; Michele Lisanti, MD Disclosure BI e LL sono dipendenti della Smith&Nephew

Bernardo Innocenti, PhD; Nelson Fanciullacci, MS; Luc Labey,

3 Introduzione Le protesi vincolate (CCK) e le protesi a cerniera sono spesso usate negli impianti di revisione per la loro stabilità durante il movimento. Stabilità garantita dal meccanismo spina-camma o da un vincolo meccanico (cerniera cilindrica).

4 Introduzione Vincoli Sollecitazione Osso Diversi vincoli diverse sollecitazioni Lo scopo di questo studio e quello di: analizzare e confrontare le sollecitazioni ossee (stress meccanico) durante diverse attività, in diverse regioni dell osso tibiale, nel quale e stata impiantata sia una protesi a cerniera che una protesi vincolata.

ossee (stress meccanico) durante diverse attività, in diverse regioni dell osso

5 Modello ad Elementi Finiti

6 Scopo dell attività Sviluppare un modello numero capace di calcolare lo stress (e la deformazione) in diverse regioni di interesse della tibia ed inoltre di valutare gli eventuali micromovimenti dell impianto e dello stelo protesico.

di interesse della tibia ed inoltre di valutare gli

7 Geometria Problema: il modello numerico di osso deve avere la stessa geometria dell osso che verrà utilizzato nella simulazione sperimentale Soluzione: Facciamo una TAC di un modello sintetico di osso tibiale medium Sawbone (Pacific Research Laboratories)

simulazione sperimentale Soluzione: Facciamo una TAC di un

8 Geometria Del modello geometrico consideriamo tre strutture principali: Osso Corticale Osso Spongioso Canale Intramidollare

9 Geometria Per simulare l intervento protesico abbiamo effettuato un taglio a 11 mm ortogonalmente all asse meccanico, Tale taglio ci permette di misurare le dimensioni tibiali AP e ML necessarie per poter decidere la taglia protesica da utilizzare nel modello.

ci permette di misurare le dimensioni tibiali AP e ML necessarie

10 Hinge TKA RT-Plus Piatto Tibiale: Taglia 6 Stelo: L = 160 mm, Ø = 12 mm Inserto in polietilene: 8mm

11 Legion CCK TKA Piatto Tibiale: Taglia 4 Stelo: L = 160 mm Ø = 12 mm Inserto in polietilene: 9mm

12 Procedura chirurgica Per simulare la reale preparazione dell osso tibiale, per il modello anche le geometrie delle raspe sono state modellate ed utilizzate allo scopo di realizzare il foro nella tibia.

13 Procedura chirurgica La protesi e lo stelo sono stati inseriti nell osso seguendo la tecnica chirurgica reale. I denti dello stelo sono stati inseriti allo scopo di risultare in presa diretta con l osso corticale allo scopo di garantire un contatto/interazione stabile.

I denti dello stelo sono stati inseriti allo scopo di risultare in

14 Procedura chirurgica La protesi e lo stelo sono stati inseriti nell osso seguendo la tecnica chirurgica reale. I denti dello stelo sono stati inseriti allo scopo di risultare in presa diretta con l osso corticale allo scopo di garantire un contatto/interazione stabile.

15 Test Pilota Risulta fondamentale per: verificare la taglia dei componenti protesici verificare il corretto posizionamento del impianto Taglia 4 Taglia 6 Taglia 8 Due Sawbones sono stati usati per il test pilota

corretto posizionamento del impianto Taglia 4 Taglia

16 Test Pilota Test Pilota In accordo ai tagli ossei, il corretto impianto viene montato nella corretta posizione Modificare la taglia nel modello numerico Stess a taglia? Modificare la posizione dell impianto nel modello numerico Stessa posizione? Modello numerico OK!!

taglia nel modello numerico Stess a taglia?

17 Risultati del Test Pilota Piatto tibiale (CoCrMO) Taglia 6 In accordo con le dimensione e con la posizione pianificata! Inserto in polietilene (UHMWPE): Taglia 6, spessore 8 mm

18 Modello agli elementi finiti

19 Modello agli elementi finiti

20 Modello agli elementi finiti

21 Modello agli elementi finiti

22 Modello agli elementi finiti Addensamento della mesh in prossimità di aree di contatto allo scopo di aumentare l accuratezza del modello 1 mm

23 Modello agli elementi finiti Addensamento della mesh in prossimità di aree di contatto allo scopo di aumentare l accuratezza del modello 1 mm 1 mm

24 Proprietà del materiale Osso corticale Material model Homogenous linearly elastic transverse Isotropic Young s modulus E1= E2 = MPa E3 = MPa Poisson s ratio ν 12 =0.42 ν 13 =0.237 Font An ultrasonic method for measuring the elastic properties of human tibial cortical and cancellous bone (Jae- Young Rho) - Ultrasonics 34 (1996) Osso spongioso Material model homogenous, linearly elastic, isotropic Young s modulus E1=E2=E3=3000 MPa Poisson s ratio ν = 0.30 Font Mechanical properties of cortical and cancellous bone (Rho, J. Y., 1992, Ph.D. Dissertation, University of Texas Southwestern Medical Center, Dallas, TX, USA)

25 Proprietà del materiale UHMWPE Material model Young s modulus Poisson s ratio Font Homogenous, Linear elastic, isotropic E1=E2=E3=564 MPa ν = 0.23 S.Wannasri, S.V.Panin, L.R.Ivanova, L.A.Kornienko, S.Piriyayon) - Procedia Engineering 1 (2009) Material model homogenous, Linearly elastic, isotropic Young s modulus Poisson s ratio Font E1=E2=E3= MPa ν = 0.3 CoCrMo Kayabasi et al. (2006); N. Goetzen et al. (2004) Ti6Al4V Material model homogenous, linearly elastic, isotropic Young s modulus Poisson s ratio MPa ν = 0.3 Font Kayabasi et al. (2006); N. Goetzen et al. (2004)

26 Forze e vincoli SQUAT Flexion angles Fx [BW] Fy [BW] Fz [BW] F [BW] [1] ESB clinical biomechanics award 2008: Complete data of total knee replacement loading for level walking and stair climbing measured in vivo with a follow-up of 6 10 months (Bernd Heinlein, Ines Kutzner, Friedmar Graichen, Alwina Bender, Antonius Rohlmann, Andreas M. Halder, Alexander Beier, Georg Bergmann). Clinical Biomechanics 24 (2009) : In vivo knee moments and shear after total knee arthroplasty (Darryl D. D Lima, Shantanu Patila, Nikolai Steklova, Shu Chienb, Clifford W. Colwell Jr.) Journal of Biomechanics 40 (2007) S11 S17 Questi valori non possono essere usati, si riferiscono ad altri impianti ed inoltre non e nota la posizione dei componenti.

27 Come fare?

28 Passare dal Reale al Virtuale!

29 Modello numerico

30 Modello numerico Innocenti et al., J Biomech, 2011, Innocenti et al., J Biomech, in press

31 Modello numerico In questo modo e possibile inoltre valutare durante le varie attività anche il contributo della forza esercitata dal perno della protesi a cerniera e la forza tra spina e camma.

32 Modello numerico

33 Modello numerico FL F FM F F F F F

34 Regioni di Interesse Abbiamo identificato 20 Regioni di Interesse (ROI) equidistanti di 10 mm lungo l asse meccanico

35 Forze e Cinematica

36 Forze e Cinematica

37 Stress nelle ROI Protesi vincolata CCK Protesi a cerniera I risultati mostrano come differenti attività inducono simili distribuzioni di stress nell osso. La protesi a cerniera mostra un picco di sollecitazione in prossimità della punta dello stelo, al contrario la protesi vincolata mostra una riduzione della sollecitazione attorno alla punta dello stelo. Questo puo essere giustificato dal diverso design della punta dello stelo nei due design: lo stelo della protesi vincolata presenta uno slot mentre lo stelo della protesi a cerniera e massivo.

38 Stress nelle ROI Protesi vincolata CCK F Protesi a cerniera Nelle prime ROI (1-3) lo sterss meccanico indotto dalla protesi vincolata e maggiore di quello indotto dalla protesi a cerniera. Questo puo essere spiegato dalla presenza del meccanismo spina camma che distribuisce la forza piu prossimalmente rispetto al perno della cerniera cilindrica; inoltre la protesi a cerniera e mobile (rotating hinge) e quindi non trasmette nessun carico di torsione all osso mentre la protesi vincolata trasmette tutta la torsione all osso in seguito al suo design.

39 Stress sull interfaccia Compressive stress (MPa)

40 Micromovimenti Diverse attivita motorie inducono simili micromovimenti dell impianto per le protesi. I micromovimenti riflettono gli stessi risultati dello stress all interfaccia. CCK Forza torsionale + spina camma lieve incremento dei micromovimenti. Come micromovimento e stato considerato lo spostamento relativo tra impianto e osso nel piano di taglio.

41 Affondamento dello stelo Hinged TKA CCK TKA Differenti attivita motorie inducono simili affondamenti dello stelo per ciascuna protesi. Le differenze nei risultati sono dovute alla differente rigidezza degli steli nei due design. La protesi vincolata ha un design con uno slot, quindi piu flessibile, di quello massivo della protesi a cerniera. Essendo piu flessibile si deforma maggiormente e quindi ha un maggior affondamento (~45%).

42 La protesi CCK e maggiormente vincolata a torsione e questo comporta sollecitazioni all interfaccia e micromovimenti leggermente maggiori rispetto ad una protesi a cerniera. Conclusioni Questo studio e uno dei primi ad analizzare quantitativamente lo stress osseo e i micromovimenti indotti da due diverse tipologie di protesi da revisione durante attività fisiologiche. In generale i risultati mostrano come entrambe le protesi inducono una sollecitazione ossea che risulta indipendente dall attività in esame. La protesi vincolata mostra valori di sollecitazioni inferiori rispetto alla protesi a cerniera soprattutto in prossimità della punta dello stelo. Questo e dovuto alla presenza di un intaglio nello stelo che ne riduce la rigidezza aumentandone la flessibilità.

43 Domande? Grazie!

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