Ocena konstrukcyjno-materiałowa cementowych endoprotez stawu biodrowego w symulacjach numerycznych

W pracy dokonano przestrzennego modelowania cementowych endoprotez stawu biodrowego. Uwzględniono różne konfiguracje geometryczne elementów składowych: głów, trzpieni i wielowarstwowych panewek z różnych biomateriałów. Endoprotezy osadzano wirtualnie w strukturach kostnych zrekonstruowanych na podstawie badań diagnostycznych z wykorzystaniem tomografii komputerowej. Różne warianty konstrukcji endoprotez aplikowano do około-stawowego układu kostnego pacjenta. W zamodelowanych geometrycznie i materiałowo obiektach badań wprowadzono kontakt węzłowy na granicy: tkanki kostnej i cementu kostnego, cementu i zewnętrznej powierzchni panewki, cementu i powierzchni trzpienia oraz między warstwami panewek. W strefie współpracy głowy endoprotezy i panewki właściwej zadano kontakt z możliwością ruchu. Po wprowadzeniu utwierdzeń i obciążeń przeprowadzono obliczenia numeryczne z wykorzystaniem metody elementów skończonych. Symulacje numeryczne obejmowały wyznaczenie map rozkładu naprężeń zredukowanych i przemieszczeń wypadkowych w obiektach badań. Otrzymane wyniki pozwoliły na ocenę charakteru oddziaływania sztucznego stawu i sposobu jego osadzenia na otaczające tkanki kostne. Umożliwiły wyznaczenie ewentualnych stref przeciążenia tkanek lub braku kompresji. Takie przedkliniczne symulacje pozwalają na optymalny dobór konstrukcji endoprotezy do warunków anatomicznych indywidualnego pacjenta.

The elaboration presents the three-dimensional modeling of cemented endoprostheses of hip joint. Different geometrical constructions of components: heads, stems, and multilayer cups from various bio-materials were taken to consideration. The endoprostheses were virtually placed in bone structures which were reconstructed on the basis of diagnostic investigation using computer tomography. Few variants of construction of endoprostheses were applied to the periarticular osseous system of an individual patient. In geometrical and material modeled testing objects the nodal contact was introduced. It was put on the boundary: bone tissue and bone cement, cement and external surface of cup, cement and stem surface and between layer of cups. The contact with movement possibility was set in the cooperation head and cup zone. When the constraints and loads had been applied, the numerical calculations using finite element method were carried out. These numerical simulations included determination of maps of reduced stresses pattern and resultant displacements in the tested objects. The outcome obtained in simulations allowed to estimate the character of interaction of artificial hip joint and the method of its seating on the surrounding bone tissues. What is more, it was enabled to calculate eventual overload zones of tissues or deficient of compression. Such preclinical simulations let to achieve optimal selection of endoprostheses construction for anatomical conditions of an individual patient.