Finite element analysis of shear stresses at the implant-bone interface of an acetabular press-fit cup during impingement / Finite-Elemente-Berechnung der Schubspannungen im Implantat-Knochen-Interface einer acetabulären Press-Fit-Pfanne bei Impingement
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Christian Voigt
Abstract
After total hip replacement (THR) impingement of the implant components causes shear stresses at the acetabular implant-bone interface. In the current study the finite element method (FEM) was applied to analyse the shear stresses at a fully bonded implant-bone interface assuming total ingrowth of the cup. The FE model of a press-fit acetabular component and the proximal part of the femoral component incorporates non-linear material and large sliding contact. The model was loaded with a superior-medial joint load of 435 N simulating a two-legged stance. Starting at initial impingement, the femoral component was medially rotated by 20°. The peak tilting shear stress of -2.6 MPa at the impingement site takes effect towards the pole of the cup. The torsional shear stress at the impingement site is zero. On each side of the impingement site, there are extrema of torsional shear stress reaching -1.8 and 1.8 MPa, respectively. The global peak shear stress during impingement may indicate a possible starting point for cup loosening. The pattern of the torsional shear stresses suggests that besides the symmetric lever-out, an additional asymmetrical tilting of the cup occurs that can be explained by the orientation of the applied joint load.
Zusammenfassung
Nach Hüftgelenkersatz kann Impingement (Anschlagen) der Implantatkomponenten Schubspannungen im acetabulären Implantat-Knochen-Interface verursachen. In der vorliegenden Studie wurde die Finite-Elemente-Methode (FEM) angewendet, um die Schubspannungen in einem durchgängig verbundenen Implantat-Knochen-Interface nach dem vollständigen knöchernen Einwachsen der Pfanne zu berechnen. Es wurde ein Finite-Elemente-Modell von einer acetabulären Press-Fit-Komponente und von dem proximalen Abschnitt einer femoralen Komponente erstellt. Das Modell berücksichtigt nichtlineares Materialverhalten und große Verschiebungen im Kontaktbereich. Während der Simulation des Zwei-Bein-Standes wurde das Modell mit einer superior-medial ausgerichteten Gelenkkraft von 435 N belastet. Die femorale Komponente wurde ausgehend von initialem Impingement um 20° nach medial rotiert. Der höchste Betrag der Kipp-Schubspannungen befindet sich mit -2,6 MPa an der Impingement-Stelle und ist in Richtung Pfannenpol orientiert. Die Torsions-Schubspannung ist an der Impingement-Stelle null. Auf beiden Seiten von der Impingement-Stelle liegt je ein Extremwert der Torsions-Schubspannung mit -1,8 und 1,8 MPa. Das globale Maximum der Schubspannung weist prinzipiell darauf hin, dass eine Impingement-Stelle ein möglicher Ausgangspunkt für die Pfannenlockerung sein könnte. Die Verteilung der Torsions-Schubspannungen deutet darauf hin, dass neben dem symmetrischen Hebelmechanismus eine zusätzliche asymmetrische Kippbewegung der Pfanne auftritt, die durch die Ausrichtung der aufgebrachten Gelenkkraft erklärt werden kann.
©2007 by Walter de Gruyter Berlin New York
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