Finite Element Analysis and Torsional Stability Testing of Reference (Metaphyseal and Diaphyseal Fixation) and Experimental (Metaphyseal Fixation Only) Cementless Femoral Stems

Young-Hoo Kim

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자료유형: 학술저널

저자정보: Young-Hoo Kim

저널정보: 대한정형외과학회 대한정형외과학회지 대한정형외과학회지 제39권 제5호

발행연도: 2004.10

수록면: 508 - 516 (9page)

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목적: 골간단부와 골간부를 모두 고정한 대조군과, 골간단부만을 고정한 실험군에서 finite element 분석과 비틀림 안정성 시험 결과를 상세히 보고한다.
대상 및 방법: 모든 분석에 finite element 프로그램 ABAQUS 소프트웨어(version 5.5)를 사용하였다. 흔들림을 계산하고, 접점방정식을 풀기위해 Newton Raphson iterative solution 도식을 사용하였다. 재건된 근위대퇴의 finite element 모델을 만들었다. 성인의 우측대퇴 표본을 계수화한 절편으로 골형상의 모델을 얻을 수 있었다. 골형상과 일치하는 두개의 대퇴시스템(대조군과 실험군)을 디자인하였다. 근위대퇴골피질 표면에 대한 삽입물의 회전미세운동을 하나의 linearly variable differential transducer (LVDT)를 사용하여 측정하였다. 대퇴골 내에서 스템의 전위를 측정하기 위해 3개의 piezoelectric transducer를 사용하였다.
결과: 근위대퇴골 피질과 대퇴시스템의 모든 경계면 상태에서 대퇴스템의 근위피복부의 접촉 stress는 1.5 ㎫ 이하이었다. 두 접촉 대퇴스템의 전단 stress는 0.5 ㎫ 이하였고 근위피복부의 전단 stress는 1 ㎫ 이하이었다. 원위대퇴골의 내측피질에 가해지는 접촉압력이 실험군에서 대조군의 50% 정도이었다. 대퇴스템의 대퇴골 내에서의 상대적 전위거리는 대퇴스템의 피복부에서 0.05 ㎜이었으며 윈위부에서 일차직선으로 증가하여 대퇴스템의 끝 부분에서는 0.45 ㎜이었다. 실험군에서 대퇴골 근위부 내외 전후 측면으로 stress가 현저히 증가하였으나 대조군에서는 stress의 증가가 덜 현저하였다. 전반적인 stress 전이는 대퇴스템 모양 변혁만으로는 영향을 받지 않았다. 실험 스템에서 대조스템에 비교하여 회전 미세운동과 영구회전전위가 두드러지게 줄었다.
결론: 실험군의 대퇴스템의 비틀림 안정성은 대퇴스템의 전후면의 스템 두께의 증가, lateral flare를 대퇴스템에 첨가하는 것과 대퇴골의 calcar femorale와 대퇴스템의 밀접한 접촉에 의해 증가하였다. 실험군의 짧은 원위스템은 대퇴스템의 안정성에는 크게 공헌하지 못하므로 대퇴스템의 원위스템은 제거하여도 대퇴스템의 안정성에는 영향이 없을것으로 사료되고, 원위스템을 제거하므로서 stress shielding에 의한 뼈의 흡수를 감소시킬 수 있으며 또한 대퇴부 통증을 감소시킬 수 있다.

Purpose: To report the details of the findings of finite element analysis and torsional stability testing of a reference stem (fixation in both metaphysis and diaphysis) and an experimental stem (fixation in the metaphysis only).
Materials and Methods: Finite element ABAQUS software (version 5.5) was used for all analyses. A Newton Raphson iterative solution scheme was used to calculate the nodal displacements and to solve the contact equations. Finite element models of the reconstructed proximal femur were developed. A model of bone geometry was developed from the digitized sections of a right adult human femoral specimen. Two femoral stems (reference and experimental stems) were designed in accordance with the bone geometry. Rotational micromotion of the implant relative to the proximal femoral cortical surface was measured using a single, linearly variable differential transducer (LVDT). Three piezoelectric transducers were used to detect the displacement of the stem in the femur.
Results: Under all interface conditions, the compressive stresses of the coating surface were below 1.5 ㎫. Shear stresses in the two friction models were below 0.5㎫, and below 1 ㎫ in the bonded model. The stress exerted over the cortex in the experimental model was 50% of that in the reference model. The relative displacement of the stem in the coated region was less than 0.05 ㎜, but it increased distally in a linear fashion and was 0.45 ㎜ at the stem tip. A stress concentration in the proximal femoral cancellous bone was noticeably higher in the experimental model than in the reference model. However, the overall characteristics of stress transfer were not changed by stem shape modification. Experimental stem was found to have significantly less rotational micromotion and total permanent rotational displacement values (between 10 and 29 Nㆍm) than the reference stem.
Conclusion: The torsional stability of the experimental stem is enhanced by: increasing stem thickness in the anteroposterior plane; adding a lateral flare to the stem; and a congruent fit between the proximal medial portion of the stem and calcar femorale. A role of short and tapered distal stem of the experimental stem was negligible in providing with the stem stability and, therefore, the femoral distal stem can be removed. Distal stem removal can minimize stress shielding related bone resorption and can avoid thigh pain.

#Reference femoral stems #Experimental femoral stems #Finite element analysis #Torsional stability test #대조대퇴스템 #실험대퇴스템 #Finite element분석 #비틀림 안정성시험

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