Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/23355
Title: Biomecânica da articulação metacarpo-falângica-nativa versus artroplástica
Author: Melo, Daniela Ruivo
Advisor: Completo, António Manuel Godinho
Nascimento, Abel Fernando Queirós e
Keywords: Articulações
Biomecânica
Artoplastia
Defense Date: 2017
Publisher: Universidade de Aveiro
Abstract: O objetivo principal desta dissertação consistiu em analisar as alterações biomec ânicas entre a articulação metacarpo-falângica no estado nativo e no seu estado artroplástico. Foi realizada uma análise da anatomia e biomec ânica da articulação, onde estão presentes as noções básicas e essenciais para perceber não só o funcionamento da articulação, mas também facilitar a compreensão das patologias e tratamentos associados a esta. Procedeu-se ao desenvolvimento de modelos geométricos (CAD) da articulação nativa e protésica através da digitalização 3D de modelos ósseos, aplicando diferentes ferramentas de engenharia inversa. De seguida foram desenvolvidos modelos numéricos de elementos nitos, onde foram aplicadas as condições de contacto entre os diferentes materiais assim como as condições de fronteira. As condições de fronteiras aplicadas a estes modelos foram representativas de três atividades siológicas da mão: segurar uma caneta, tocar piano e segurar um peso de 200N. Com base nestes modelos numéricos foram simulados três estados da articulação: articulação no estado nativo, articulação protésica com implante não-osteointegrado, representativo de uma situação pós-operatória, e o modelo protésico com o implante osteointegrado, representativo de uma situação artroplástica de longo prazo. Foram analisadas as deformações principais no osso, as tensões no implante e os micromovimentos do implante na interface com o osso. Em paralelo com os modelos numéricos desenvolveram-se modelos experimentais da articulação em material compósito constituídos por espuma de poliuretano e resina epóxi com bra de vidro. Nestes modelos foram colados extensómetros para avaliação experimental das extensões principais no córtex, tendo estes modelos sido sujeitos às mesmas condições de carga dos modelos numéricos. Estas extens ões foram utilizadas para a avaliação experimental da alteração do estado de deformação entre o modelo da articulação nativa e protésica assim como para comparação e validação dos modelos numéricos desenvolvidos previamente. Os resultados numéricos e experimentais demonstram uma alteração do estado de deformação entre a articulação na situação nativa e protésica. Evidenciam-se regiões onde a situação protésica aumenta consideravelmente os níveis de deformação relativamente ao modelo intacto, expondo o osso a um risco de falência por efeito de fadiga, sendo este mais importante numa situação em que o implante ainda não se encontra osteointegrado com o osso circundante. De forma oposta, a situação protésica expõe também o osso a zonas com níveis de deformação bastante inferiores ao nativo, originado um efeito de stress-shielding associado a um potencial risco de reabsorção óssea nestas regiões, sendo este efeito mais importante quando o implante se encontra completamente osteointegrado com o osso. Em conclusão podemos dizer que existe ainda um trabalho adicional a realizar ao nível dos materiais e geometrias dos implantes desta articulação por forma a diminuir os riscos identi cados neste trabalho.
The main objective of this dissertation was to analyze the biomechanical changes between the metacarpophalangeal joint in the native and arthroplastic state. There is a review of the joint's anatomy and biomechanics, not only to better understand the basic and essential notions of how the joint functions, but also to facilitate the comprehension of the pathologies and associated treatments. The development of the geometrical models (CAD) was made, for the native and prosthetic joint, through 3D digitalization of bone models, applying di erent tools of reverse engineering. Next, the numerical models of nite elements were developed and the contact and border conditions were applied. These conditions were representative of three hand physiological activities: holding a pen, playing the piano, and holding a 20kg weight. With these numerical models, three states of the joint were simulated: native, prosthetic without osteointegration, representative of a postoperative situation, and prosthetic with osteointegration, representative of a long-term scenario. The main deformations of the bone, the tensions on the implant and the micromovements of the bone-implant interface were analyzed. In parallel with the numerical models, the joint's experimental models were developed, made with polyurethane foam and epoxy resin with berglass composite. In these models, extensometers were attached to evaluate the cortex's main extensions, when load conditions, equal to the ones in the numerical model, were applied. These extension values were utilized to the experimental evaluation of the changes occurring between the native and prosthetic models and to validate and compare the numerical models, previously obtained. The results in the numerical and experimental models show an alteration in the deformation state between the native and prosthetic states. In some zones of the prosthetic model, it is noticeable the increase in deformation levels relative to the intact one, exposing the bone to a risk of mechanical failure due to fatigue, with special emphasis in the places where the implant is not osteointegrated with the bone tissue. In an opposite direction, the prosthetic state causes a substantial decrease in deformation levels, which can lead to a stress-shielding e ect associated to a potential bone reabsorption in these regions, this being especially relevant when the implant is completely osteointegrated with the bone. In conclusion, it's possible to say that there is an additional work to be done regarding materials and geometries of the implants to decrease the risks identi ed by this thesis.
Description: Mestrado em Engenharia Mecânica
URI: http://hdl.handle.net/10773/23355
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UA - Dissertações de mestrado

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