Analysis of deformable bodies during the gait cycle

Total hip replacement (THR) is one of the most successful orthopedic interventions with over 100 years of operative history. People who suffer from severe chronic pain diseases such as osteoarthritis have various disabilities in daily routine. Replacing the hip joint with this effective procedure, t...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Κοκκόρη, Γιαννούλα
Άλλοι συγγραφείς: Δεληγιάννη, Δέσποινα
Μορφή: Thesis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2017
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/10536
id nemertes-10889-10536
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Finite Element Analysis (FEA)
Femur bones
Hip joints
ANSYS
Implants
Biomechanics
Total hip replacement
Ανάλυση πεπεραμένων στοιχείων
Μηριαία οστά
Άρθρωση ισχίων
Εμφυτεύματα
Εμβιομηχανική
Ολική αρθροπλαστική ισχίου
617.581 059 2
spellingShingle Finite Element Analysis (FEA)
Femur bones
Hip joints
ANSYS
Implants
Biomechanics
Total hip replacement
Ανάλυση πεπεραμένων στοιχείων
Μηριαία οστά
Άρθρωση ισχίων
Εμφυτεύματα
Εμβιομηχανική
Ολική αρθροπλαστική ισχίου
617.581 059 2
Κοκκόρη, Γιαννούλα
Analysis of deformable bodies during the gait cycle
description Total hip replacement (THR) is one of the most successful orthopedic interventions with over 100 years of operative history. People who suffer from severe chronic pain diseases such as osteoarthritis have various disabilities in daily routine. Replacing the hip joint with this effective procedure, the patients relieve the pain and get back to normal life. The continuous development of technologies and computers provide us various ways to perform a preoperative planning for the THR procedure. This thesis analyzes the models of the human femur bone and the assembly of the femur bone with the THR implant. The study focuses on the application of loads during the gait cycle and the finite element analysis of the models. The relative results relate to the mechanical behavior of the models and more specifically the Von Mises stresses and deformations due to the applied loads. In detail: Chapter 1 provides a brief reference to total hip arthroplasty, the historical background, the surgical procedure and the risks that it poses as well as the anatomy of the femur bone and the biomechanics of the hip joint that is of major importance for the static analysis of it. Still there is a description of the gait cycle and the stress shielding phenomenon that occurs after THR during walking. Chapter 2 refers to the biomaterials that are used in total hip replacement. Various materials such as metals, polymers and ceramics are used in the different components of the THR implant and the main of them are described in detail. Chapter 3 deals with the basic mechanical theory that every structure is based on. Stresses, strains and the Hooke’s law are presented with emphasis in 3D case. The Von Mises criterion and the static analysis are also mentioned. Chapter 4 analyzes the finite element method that is used in the thesis. A brief historical overview and the basic steps of the analysis (preprocessing, processing and postprocessing) are presented. Then, as the processing phase is performed by the computer, the sequence of mathematical equations and their way of solution was also mentioned. Finally, there is a reference in the finite element software programs and an analytic description of the relative steps in ANSYS software. Chapter 5 presents the simulation process. First, a section was made in the appropriate point of the femoral bone and the THR implant was inserted in the right position with the assistance of the CAD software package SolidWorks. Then, the ANSYS software generated the appropriate mesh for each model and applying the proper material properties, loading and boundary conditions we proceeded to the analysis. Chapter 6 finally shows the finite element analysis results of the femoral assemblies as obtained using the ANSYS software program. The results refer to the relative Von Mises stresses, Von Mises strains and deformations due to the applied loads of the gait cycle. Finally, the conclusions and the prospects for further studies are presented. Regarding on the results, we concluded that on the calcar region of interest occurs the “stress shielding” phenomenon where the implant “shields” the bone and does not allow it to grow properly. Moreover, after the implantation we observed that the maximum stress occurs on the neck of the hip implant for all studied the materials. Finally, Ti alloy and Co-Cr alloy on anterior and stem tip regions represent similar results and thus have little effect on the femur bone.
author2 Δεληγιάννη, Δέσποινα
author_facet Δεληγιάννη, Δέσποινα
Κοκκόρη, Γιαννούλα
format Thesis
author Κοκκόρη, Γιαννούλα
author_sort Κοκκόρη, Γιαννούλα
title Analysis of deformable bodies during the gait cycle
title_short Analysis of deformable bodies during the gait cycle
title_full Analysis of deformable bodies during the gait cycle
title_fullStr Analysis of deformable bodies during the gait cycle
title_full_unstemmed Analysis of deformable bodies during the gait cycle
title_sort analysis of deformable bodies during the gait cycle
publishDate 2017
url http://hdl.handle.net/10889/10536
work_keys_str_mv AT kokkorēgiannoula analysisofdeformablebodiesduringthegaitcycle
AT kokkorēgiannoula analysēparamorphōsimōnsōmatōnkatatēdiarkeiatoukykloubadisēs
_version_ 1771297289052094464
spelling nemertes-10889-105362022-09-05T20:25:06Z Analysis of deformable bodies during the gait cycle Ανάλυση παραμορφώσιμων σωμάτων κατά τη διάρκεια του κύκλου βάδισης Κοκκόρη, Γιαννούλα Δεληγιάννη, Δέσποινα Δεληγιάννη, Δέσποινα Μουστάκας, Κωνσταντίνος Λαμπέας, Γεώργιος Kokkori, Giannoula Finite Element Analysis (FEA) Femur bones Hip joints ANSYS Implants Biomechanics Total hip replacement Ανάλυση πεπεραμένων στοιχείων Μηριαία οστά Άρθρωση ισχίων Εμφυτεύματα Εμβιομηχανική Ολική αρθροπλαστική ισχίου 617.581 059 2 Total hip replacement (THR) is one of the most successful orthopedic interventions with over 100 years of operative history. People who suffer from severe chronic pain diseases such as osteoarthritis have various disabilities in daily routine. Replacing the hip joint with this effective procedure, the patients relieve the pain and get back to normal life. The continuous development of technologies and computers provide us various ways to perform a preoperative planning for the THR procedure. This thesis analyzes the models of the human femur bone and the assembly of the femur bone with the THR implant. The study focuses on the application of loads during the gait cycle and the finite element analysis of the models. The relative results relate to the mechanical behavior of the models and more specifically the Von Mises stresses and deformations due to the applied loads. In detail: Chapter 1 provides a brief reference to total hip arthroplasty, the historical background, the surgical procedure and the risks that it poses as well as the anatomy of the femur bone and the biomechanics of the hip joint that is of major importance for the static analysis of it. Still there is a description of the gait cycle and the stress shielding phenomenon that occurs after THR during walking. Chapter 2 refers to the biomaterials that are used in total hip replacement. Various materials such as metals, polymers and ceramics are used in the different components of the THR implant and the main of them are described in detail. Chapter 3 deals with the basic mechanical theory that every structure is based on. Stresses, strains and the Hooke’s law are presented with emphasis in 3D case. The Von Mises criterion and the static analysis are also mentioned. Chapter 4 analyzes the finite element method that is used in the thesis. A brief historical overview and the basic steps of the analysis (preprocessing, processing and postprocessing) are presented. Then, as the processing phase is performed by the computer, the sequence of mathematical equations and their way of solution was also mentioned. Finally, there is a reference in the finite element software programs and an analytic description of the relative steps in ANSYS software. Chapter 5 presents the simulation process. First, a section was made in the appropriate point of the femoral bone and the THR implant was inserted in the right position with the assistance of the CAD software package SolidWorks. Then, the ANSYS software generated the appropriate mesh for each model and applying the proper material properties, loading and boundary conditions we proceeded to the analysis. Chapter 6 finally shows the finite element analysis results of the femoral assemblies as obtained using the ANSYS software program. The results refer to the relative Von Mises stresses, Von Mises strains and deformations due to the applied loads of the gait cycle. Finally, the conclusions and the prospects for further studies are presented. Regarding on the results, we concluded that on the calcar region of interest occurs the “stress shielding” phenomenon where the implant “shields” the bone and does not allow it to grow properly. Moreover, after the implantation we observed that the maximum stress occurs on the neck of the hip implant for all studied the materials. Finally, Ti alloy and Co-Cr alloy on anterior and stem tip regions represent similar results and thus have little effect on the femur bone. Σοβαρές ασθένειες χρόνιου πόνου όπως είναι η οστεοαρθρίτιδα, προκαλούν στους ασθενείς κινητικές δυσκολίες στις καθημερινές τους δραστηριότητες καθώς περιορίζουν το εύρος κίνησης του πάσχοντος σημείου. Η ανάπτυξη στον τομέα της ορθοπεδικής χειρουργικής οδήγησε στην ολική αρθροπλαστική ισχίου για την αντιμετώπιση των προβλημάτων αυτών με πάνω από 100 χρόνια ιστορίας. Με την αντικατάσταση της άρθρωσης του ισχίου (κοτύλη και μέρος του μηριαίου οστού), οι ασθενείς μπορούν να επιστρέψουν επιτυχώς στις φυσιολογικές τους ασχολίες με μηδενικό πόνο. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκαν τα τρισδιάστατα μοντέλα του μηριαίου οστού και η συνδεσμολογία μηριαίου οστού με το σχετικό εμφύτευμα έπειτα από την πρόθεση του. Η τεχνολογική ανάπτυξη στον τομέα των υπολογιστών παρέχει τα κατάλληλα εργαλεία για την ανάλυση και την πρόβλεψη της επίδρασης της πρόσθεσης στο οστό από εμβιομηχανική σκοπιά. Η μελέτη επικεντρώνεται στην εφαρμογή φυσιολογικών στατικών φορτίων κατά τη διάρκεια της βάδισης και την επιρροή τους στα μοντέλα. Η ανάλυση γίνεται με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και τα αποτελέσματα αφορούν την ανάπτυξη Von Mises τάσεων και παραμορφώσεων από τα επιβαλλόμενα φορτία. Πιο αναλυτικά: Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια μικρή αναφορά στην ολική αρθροπλαστική ισχίου, την ιστορική πορεία των εμφυτευμάτων, τη χειρουργική διαδικασία καθώς και στις παθήσεις που οδηγούν σε αυτή αλλά και τους κινδύνους που ελλοχεύουν. Ακόμα γίνεται μια μικρή περιγραφή της ανατομίας του μηριαίου και της εμβιομηχανικής της άρθρωσης του ισχίου που είναι καίριας σημασίας για την στατική ανάλυσή της. Τέλος, περιγράφεται ο κύκλος βάδισης και το φαινόμενο “stress shielding” που παρατηρείται μετά την επέμβαση κατά το οποίο το εμφύτευμα παραλαμβάνει τα φορτία κατά τη διάρκεια της βάδισης εμποδίζοντας τη σωστή ανάπτυξη του οστού. Στο κεφάλαιο 2 αναφέρονται τα διάφορα βιοϋλικά από τα οποία κατασκευάζονται τα σχετικά εμφυτεύματα που χρησιμοποιούνται στην ολική αρθροπλαστική ισχίου. Οι κύριες κατηγορίες είναι τα μέταλλα, τα πολυμερή και τα κεραμικά με εφαρμογή στα διάφορα τμήματα των εμφυτευμάτων. Οι ιδιότητες αυτών που χρησιμοποιούνται κατά κόρον περιγράφονται αναλυτικά. Το κεφάλαιο 3 ασχολείται με τη βασική θεωρία μηχανικής στην οποία βασίζεται κάθε κατασκευή. Στο σημείο αυτό, παρουσιάζονται οι έννοιες της τάσης, της παραμόρφωσης και του νόμου του Hooke που ισχύει στα γραμμικά ελαστικά υλικά. Στη συνέχεια, γίνεται η γενίκευση των σχέσεων αυτόν στις τρισδιάστατες δομές και τέλος, γίνεται αναφορά στο κριτήριο Von Mises που χρησιμοποιήθηκε για την αποδοχή των τάσεων και οι αρχές που διέπουν τη στατική ανάλυση. Το κεφάλαιο 4 έχει ως θέμα τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιείται στην παρούσα διπλωματική για την ανάλυση της μηριαίας δομής. Αρχικά, γίνεται μια μικρή ιστορική αναδρομή στη μέθοδο και δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στα τρία κύρια στάδια της ανάλυσης, αυτά της προεπεξεργασίας, της επεξεργασίας και της μετεπεξεργασίας. Έπειτα, παρουσιάζονται οι μαθηματικές εξισώσεις της φάσης της επεξεργασίας και η πορεία επίλυσής τους σε θεωρητικό επίπεδο καθώς το βήμα αυτό υλοποιείται “κρυφά” από το υπολογιστικό πρόγραμμα. Ακόμη, αναφέρονται τα διάφορα προγράμματα λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων καθώς και τα σχετικά βήματα που ακολουθούνται στο λογισμικό ANSYS που χρησιμοποιείται για την ανάλυση στην παρούσα διπλωματική εργασία. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η διαδικασία της προσομοίωσης. Αρχικά, φαίνεται η διαδικασία εισαγωγής του εμφυτεύματος με την οστεοτομή του μηριαίου στο κατάλληλο σημείο και η δημιουργία του μοντέλου οστό-εμφύτευμα με τη χρήση του σχεδιαστικού πακέτου SolidWorks. Στη συνέχεια γίνεται η εισαγωγή των μοντέλων στο πρόγραμμα λογισμικού ANSYS Workbench, εφαρμόζονται οι κατάλληλες μηχανικές ιδιότητες των υλικών στα διάφορα μέρη των μοντέλων, τα φορτία που ασκούνται στο μηριαίο κατά τη διάρκεια της βάδισης και οι οριακές συνθήκες στην περιοχή των μηριαίων κονδύλων και παράγεται το κατάλληλο πλέγμα πεπερασμένων στοιχείων. Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται και συγκρίνονται τα σχετικά αποτελέσματα που εξήχθησαν από την προσομοίωση των μηριαίων συνδεσμολογιών μέσω του λογισμικού ANSYS Workbench. Τα αποτελέσματα αυτά αφορούν τις μέγιστες Von Mises τάσεις αλλά και τις παραμορφώσεις που αναπτύσσονται στο εμφύτευμα και το οστό κατά τη βάδιση και τις τρεις διαφορετικές περιπτώσεις υλικών στο εμφύτευμα. Έτσι, εξάγονται τα συνολικά συμπεράσματα της ανάλυσης και γίνονται προτάσεις για περαιτέρω μελέτη του συστήματος. Συμπερασματικά, καταλήξαμε στα ακόλουθα: Στην περιοχή calcar εμφανίζεται το φαινόμενο “stress shielding” κατά το οποίο το εμφύτευμα παραλαμβάνει όλα τα φορτία με αποτέλεσμα τη μείωση των τάσεων. Ακόμη, παρατηρήσαμε ότι η μέγιστη τάση εμφανίζεται στο λαιμό του εμφυτεύματος μετά την εισαγωγή του. Τέλος, τα δύο κράματα Ti και Co-Cr που χρησιμοποιήθηκαν φαίνεται να έχουν μικρή επίδραση στο οστό στις περιοχές anterior και stem tip καθώς τα αποτελέσματα είναι πολύ κοντά. 2017-08-24T09:39:30Z 2017-08-24T09:39:30Z 2017-06-29 Thesis http://hdl.handle.net/10889/10536 en 0 application/pdf