Estudo biomecânico da artroplastia acetabular

Abstract

O estilo de vida cada vez mais sedentário, acumulando hábitos alimentares desapropriados tem incrementado problemas na articulação da anca. Os problemas mais comuns nesta articulação podem ser parcialmente associados a patologias como a artrite reumatóide e osteoartrose. Estas patologias em estados avançados/limite conduzem geralmente à realização da artroplastia da anca, cirurgia de substituição da articulação nativa por uma protésica. No entanto, esta solução cirúrgica tem revelado as suas limitações, especialmente do ponto de vista estrutural, estando normalmente o seu insucesso associado a fatores mecânicos como o desgaste e o efeito de stress-shielding, entre outros. A combinação destes fatores associados à osteólise, podem colocar em risco a fixação e capacidade de suporte ósseo limitando a termo a sobrevivência do componente acetabular, geralmente resultando na necessidade de efetuar uma artroplastia de revisão. Foi assim objetivo desta dissertação proceder a uma caracterização biomecânica da artroplastia acetabular da articulação da anca. Esta caracterização consistiu na avaliação comparativa do comportamento estrutural da articulação nativa e protésica para diferentes condições de carga, representativas de atividades fisiológicas comuns, identificando os principais riscos associados ao estado protésico. Procedeu-se ao desenvolvimento do modelo geométrico da Pélvis com base na segmentação de imagens de tomografia axial de um modelo físico em material compósito. Este modelo foi utilizado no desenvolvimento dos modelos de elementos finitos da articulação acetabular nativa e protésica, permitindo a caracterização dos estados de deformação óssea no osso cortical e esponjoso, e dos estados de tensão no componente acetabular e no cimento ósseo para diferentes condições de carga, correspondentes estas a diferentes fases do ciclo de marcha. O componente acetabular utilizado neste estudo foi de polietileno de ultra alta densidade, fixo ao osso com cimento ósseo, sendo este método o mais representativo dos processos artroplásticos acetabulares realizados. Complementarmente um modelo experimental foi desenvolvido com recurso ao modelo da Pélvis em osso compósito para avaliação das deformações no córtex, tendo sido estes resultados utilizados na validação/comparação com os obtidos nos modelos numéricos. Os resultados numéricos e experimentais das deformações no córtex evidenciaram uma boa correlação entre estes. Os resultados numéricos obtidos no osso cortical mostraram que o modelo protésico apresenta geralmente deformações mais elevadas que o modelo intacto, mas com valores máximos que não apresentam qualquer risco de falência deste por efeito de cargas cíclicas. No entanto, a magnitude das reduções das deformações no osso esponjoso no estado protésico relativamente ao intacto revela um forte efeito de stress-shielding, este associado a um potencial risco de perda de densidade óssea a termo. Relativamente ao componente acetabular e cimento ósseo, as tensões registadas não ultrapassam os limites de fadiga destes materiais, sendo que a probabilidade de risco de desgaste no primeiro ou fratura no segundo são reduzidas. Estes resultados indicam que ainda existe trabalho a realizar na otimização estrutural do componente acetabular por forma a reduzir ou eliminar os riscos identificados neste trabalho

The increasingly sedentary lifestyle, accumulating bad eating habits has increased hip joint problems. The most common problems can be partially associated with pathologies such as rheumatoid arthritis and osteoarthritis. These pathologies in advanced states generally lead to hip arthroplasty, replacement surgery of the native joint by a prosthetic one. However, this solution has revealed its limitations, especially from the structural point of view, usually associated with mechanical factors such as wear and stress-shielding, among others. The combination of these factors associated with osteolysis may expose bone fixation and support ability by limiting the survival of the acetabular component, usually resulting in the need for a revision arthroplasty. Thus, the objective of this dissertation was to carry out a biomechanical characterization of acetabular arthroplasty of the hip joint. This characterization consisted in the comparative evaluation of the structural behavior of the native and prosthetic joint for different load conditions, representative of common physiological activities, identifying the main risks associated with the prosthetic state. The geometric model of the Pelvis was developed based on the segmentation of axial tomography images of a physical model in composite material. This model was used in the development of the finite element models of the native and prosthetic acetabular joint, allowing the characterization of the states of bone deformation in the cortical and trabecular bone, and the states of tension in the acetabular component and in the bone cement for different load conditions, corresponding to different phases of the running cycle. The acetabular component used in this study was made of ultra-high density polyethylene, fixed to the bone with bone cement, this method being the most representative of the acetabular arthroplastic processes performed. In addition, an experimental model was developed using the composite bone Pelvis model to evaluate the deformation in the cortex, and these results were used in the validation / comparison with those obtained in the numerical models. The numerical and experimental results of the deformations in the cortex showed a good correlation between them. The numerical results obtained in the cortical bone showed that the prosthetic model presents generally higher deformations than the intact model, but with maximum values that doesn’t present any risk of this failure by the effect of cyclic loads. However, the magnitude of the deformation reductions in the trabecular bone in the prosthetic relative to the intact state reveals a strong stress-shielding effect, which is associated with a potential risk of bone density loss at term. Regarding to the acetabular component and bone cement, the stresses recorded don’t exceed the fatigue limits of these materials, and the probability of wear risk in the acetabular component or fracture in the bone cement are reduced. These results indicate that there is still work to be done in the structural optimization of the acetabular component in order to reduce or eliminate the risks identified in this study.