Ανάλυση των μικροτάσεων που αναπτύσσονται σε τεχνητά μηριαία οστά χρησιμοποιώντας διαφορετικούς αυχένες αρθρωτής μηριαίας πρόθεσης σε βιομηχανικό μοντέλο προσομοίωσης

Abstract

Introduction Modular total hip arthroplasty incorporating a double taper designis an innovation offering distinct advantages. Changes in femoral offset, neck lengthor femoral anteversion are expected to alter the strain distribution at the femur.Furthermore, a modular head-neck taper allows intra-operative fine-tuning of hipbiomechanics. Changes in head height, and consequently femoral offset, are alsoexpected to alter the strain distribution at the femur.Materials and Methods We analyzed the strain patterns of all possible types ofnecks of a modular neck prosthesis, implanted in a composite femur. In this study aset of cementless modular system with a total of 22 combinations was used. We alsoused two length variations of the modular neck prosthesis, combined with threedifferent head height variations (S, M and L). A custom-made fixture designed toreproduce loading conditions during the single-leg stance phase of walking wasattached to the load cell of a computer-controlled hydraulic testing machine and straingages were fixed along the lateral, medial-anterior and medial-posterior surface of themodel. Load cycles were programmed to simulate single-leg stance of a normalweightsubject.Results Longitudinal deformation was compressive on the medial side andtensile on the lateral. The load distribution along the shaft presented a certain pattern,while stress pattern at the tronstrochanteric area was more complex. Compressivestress at the calcar region was exacerbated by the use of the varus neck. Increasedstrain induced by necks with combined characteristics or short necks couldtheoretically lead to avoidance of stress shielding in vivo. Anteverted neckcombinations resulted in higher strain at the anterior cortex around the tip of theprosthesis. Short necks exhibited lower stress at the femoral shaft and higher at thetrans-trochanteric area. Using a Long Neutral neck, stress analysis from the uni-axialstrain gages indicated that the L-head-height variation led to higher stress at all sites,followed by the S-height and consequently the M-height variation, whereas at thetrans-trochanteric area the L- and S-variations resulted in higher stress at all sites. Using a Short Neutral neck, stress analysis from both the uni-axial and the rosettestrain gages indicated that the L- and M-height variations showed equivalent largerstress signal than the S-variation, with the L-head prevailing in most sites. No extremeloading behavior was recorded.Conclusions The surgeon should be cautious in the use of certain combinations,such as necks with combined characteristics or short necks. Anteverted neckcombinations could be more prone to anterior thigh pain. Combinations of the M headwith the Long Neutral neck and the S head with the Short Neutral neck may be moreprone to the development of stress shielding. On the other hand, the increased straininduced by the use of the L-height variation could theoretically lead to bone retentionin vivo.

Εισαγωγή Αλλαγές στο offset του μηριαίου, στο ύψος της μηριαίας κεφαλής,στο μήκος του αυχένος, στην πρόσθια ή την οπίσθια κλίση του αυχένα του μηριαίου(anteversion ή retroversion) στην ολική αρθροπλαστική του ισχίου με δυνατότηταχρήσης εναλλασσόμενων αυχένων και κεφαλών αναμένεται να μεταβάλλουν τηνκατανομή των φορτίων στο μηριαίο.Μέθοδος Αναλύσαμε την κατανομή των φορτίων για όλους τους πιθανούςτύπους εναλλασσόμενων αυχένων και κεφαλών, εμφυτεύοντας μια εμπορικάδιαθέσιμη μηριαία πρόθεση με δυνατότητα εναλλαγής των αυχένων σε ένα ειδικήςκατασκευής μοντέλο συνθετικού μηριαίου οστού. Το μοντέλο τοποθετήθηκε σεελεγχόμενη από ηλεκτρονικό υπολογιστή υδραυλική πρέσα και στην εφαρμογή τωνκύκλων φόρτισης εξομοιώθηκε η μονοποδική φάση της βάδισης.Αποτελέσματα Η κατανομή των φορτίων κατά μήκος της διάφυσης παρουσίασεένα συγκεκριμένο και επαναλαμβανόμενο πρότυπο, ενώ στην διατροχαντήριαπεριοχή το πρότυπο ήταν πιο πολύπλοκο. Τα συμπιεστικά φορτία στην περιοχή τουέσω τμήματος του αυχένα (calcar) εντάθηκαν με τη χρήση των Ραιβών αυχένων.Χρησιμοποιώντας τον Μακρό Ουδέτερο αυχένα η ανάλυση των δεδομένων έδειξε ότιτο ύψος L των κεφαλών οδήγησε σε υψηλότερα φορτία σε όλες τις θέσεις τηςδιάφυσης, ακολουθούμενο από το ύψος S και ακολούθως από το ύψος Μ, ενώ στηνδιατροχαντήριο περιοχή τα ύψη L και S οδήγησαν σε υψηλότερα φορτία σε όλες τιςθέσεις. Χρησιμοποιώντας τον Κοντό Ουδέτερο αυχένα, διαπιστώθηκε ότι τόσο στηδιάφυση όσο και στην διατροχαντήριο περιοχή οι παραλλαγές L και M προκάλεσανυψηλότερα φορτία από την παραλλαγή S.Συμπεράσματα-Κλινική σημαντικότητα Ο χειρουργός πρέπει να είναιπροσεκτικός στη χρήση συγκεκριμένων συνδυασμών όπως είναι οι αυχένες μεσυνδυασμένα χαρακτηριστικά ή οι κοντοί αυχένες. Το αυξημένο φορτίο πουπροκλήθηκε από τη χρήση αυχένων με συνδυασμένα χαρακτηριστικά ή κοντούς αυχένες μπορεί θεωρητικά να οδηγήσει σε αποφυγή του φαινομένου διαφυγήςφορτίων. Οι συνδυασμοί με πρόσθια κλίση του αυχένος μπορεί να είναι πιοεπιρρεπείς στην εμφάνιση πόνου στο πρόσθιο μηριαίο. Οι συνδυασμοί της κεφαλήςύψους Μ με τον Μακρό Ουδέτερο αυχένα και της κεφαλής ύψους S με τον ΚοντόΟυδέτερο αυχένα μπορεί να είναι πιο επιρρεπείς στην εμφάνιση του φαινομένουδιαφυγής φορτίων. Στον αντίποδα, τα αυξημένα φορτία που προκαλούνται από τηχρήση των αυχένων ύψους L μπορεί θεωρητικά να οδηγήσουν σε διατήρηση τουοστού in vivo.