Estudo da substituição óssea com cunhas e enxertos no fémur na ATJ

Abstract

Nesta tese foi objetivo estudar os aspetos biomecânicos das diferentes técnicas de colmatação de perda óssea no fémur distal aquando da revisão da artroplastia total do joelho. Procurou-se avaliar como cada uma das diferentes técnicas altera a transferência de carga ao osso de suporte, aferindo assim potencias riscos de reabsorção óssea ou mesmo falha por fadiga do osso de suporte ou do material associado à técnica utilizada. Avaliou-se também o efeito da utilização da haste intramedular quando associada às diferentes técnicas. Para o efeito, numa primeira fase, realizou-se uma análise detalhada à articulação do joelho na vertente anatómica, biomecânica e artroplástica em especial no processo de revisão. Foi selecionada a prótese do joelho e respetivos aumentos protésicos do modelo comercial P.F.C. Sigma para a realização do estudo comparativo. Em complemento dos aumentos metálicos foram também avaliadas mais duas técnicas de colmatação óssea; uma com recurso ao cimento ósseo e outra com a utilização de um enxerto de osso. Para este processo desenvolveram-se modelos experimentais com recurso ao fémur em material compósito, onde os defeitos ósseos foram gerados de uma forma sequencial no côndilo medial e as diferentes técnicas de colmatação aplicadas através da realização de cirurgias "in-vitro". A fim de aferir as alterações de transferência de carga foram colocados extensómetros na região medial anexa ao defeito e lateral permitindo a avaliação das deformações principais no córtex sob ação de um severo caso de carga. Numa fase posterior desenvolveram-se modelos numéricos de elementos finitos que replicaram os modelos experimentais. Estes modelos numéricos permitiram a avaliação de parâmetros biomecânicos não passíveis de avaliação com recurso aos modelos experimentais anteriores, tais como as deformações no osso esponjoso de suporte e os níveis de tensão no cimento ósseo. Estes mesmos modelos foram comparados com os resultados obtidos nos modelos experimentais, evidenciando-se uma boa correlação entre estes. Os resultados obtidos nos modelos experimentais e numéricos demonstram alterações de transferência de carga para o osso de suporte entre os diferentes tipos de técnicas. As técnicas associadas ao aumento metálico distal de 4mm e cimento ósseo, para o defeito tipo F1, não alteram significativamente a transferência de carga para o osso suporte ao contrário das técnicas de aumento distal de 12mm e enxerto ósseo, para defeito tipo F2, estes apresentado riscos de reabsorção óssea e sobrecarga localizada respetivamente. O uso de haste femoral parece apenas ser útil associada à técnica com enxerto ósseo, sendo o seu efeito menos positivo quando associada as restantes técnicas.

The main goal of this thesis, was studying the biomechanical behaviour of different techniques to replace bone loss in the distal femur at the revision total knee arthroplasty. The biomechanical behaviour of each technique was done by the evaluation of load transfer changes to the host bone, relating this changes with potential risk effects in host bone like bone resorption, due to stress-shielding effect, or bone fatigue damage due to localized overloading. Also was evaluated the use of an intramedullary press-fit stem in the load transfer effect to host bone, for each replacement technique. For this effect, in a first step, was done an anatomical and biomechanical review of the knee joint, as well as of the revision knee arthroplasty. For the study, P.F.C. Sigma knee prosthesis and femoral distal metal augments were selected, to carry the comparative study. In complement of the two distal metal augments, were also analyzed two more bone replacement techniques; bone cement filling and structural bone graft. For this comparative study were developed experimental models with composite femur, where of an incremental way bone defects type F1 and F2 were done at the medial condyle, and the different bone replacement techniques applied through in vitro surgeries'. The load transfer changes were analyzed in the experimental models with tri-axial strain gages positioned at the medial, next of the bone defect, and lateral cortex. The measured strains were used to calculate the maximal and minimal principal strain at the cortex surface under a severe load case. Later, were developed finite element models that replicate the experimental ones. These numerical models were used to evaluate the biomechanical parameters, which not possible to evaluate with the experimental models, as the principal strains in host cancellous bone and von Mises bone cement stress. These numerical models were correlated with the results of the experimental models, providing a good correlation between them. The experimental and numerical results showed load transfer changes at the host bone between the different replacement techniques. The metal 4mm augment and bone cement filling techniques, at the defect type F1, did not changes significantly the load transfer to the host bone, contrary to the techniques with metal 12mm augment and structural bone graft, applied at the bone defect F2, the latter presenting bone resorption and fatigue bone damage risks respectively. The femoral press-fit stem use appears only be beneficial associated at the structural bone graft technique, the stress-shielding effect generated by the stem limits their use with the others bone replacement techniques.