Performance Analysis of Patient Specific and Traditional Tibial Knee Prosthesis Components

Abstract

Total Knee Arthroplasty (TKA) treatment has been widely used for knee joint, having the most complex motion sequences and shape of the body, in case of loss of motion ability such as gonarthrosis. Lots of failures such as loosening, wear and instability have occurred as a result of increasing usage period. Instability is the most commonly seen failure associated with fixation. Especially loosening of tibial component is more common than that of femoral component. Evaluation of bone in terms of shape related with patient’s weight, height and gender is required to increase the success of TKAs comprising traditional tibial components. Most of the current commercially available knee prostheses are designed based on the anthropometric data of Caucasian knees. This means an accordance problem for the people in different regions having different joint size. In this study, a patient specific tibial component has been designed according to cutting surface of tibial bone obtained from the patient’s computed tomography images. This proposed design has been comparatively investigated with the traditional cemented tibial component by using the finite element analysis. In conclusion, more uniform stress distribution on the tibial trabecular bone related with stress shielding due to long term use was obtained in the patient specific prosthesis. The results have shown that the compatibility

Keywords

• Patient Specific
• Knee Prosthesis
• Computer Aided Design
• Finite Element Method

Kişiye Özel ve Geleneksel Tibial Diz Protezi Bileşenlerinin Performans Analizi

Abstract

Vücudun en karmaşık hareket dizilerine ve şekline sahip olan diz ekleminin, gonartroz (kireçlenme) gibi nedenlerle hareket özelliğini kaybetmesi sonucunda hekimler tarafından yaygın olarak Total Diz Artroplastisi (TDA) tedavisi uygulanmaktadır. TDA’larda kullanım süresinin artmasıyla gevşeme, aşınma, dengesizlik gibi birçok hasar meydana gelmektedir. Bu hasarlar içerisinde en yaygın olarak görülen hasar fiksasyonla ilişkili olan gevşemedir. Özellikle tibial bileşenin gevşemesi femural bileşene göre daha yaygın olarak görülmektedir. Geleneksel tibial bileşenlerin
kullanıldığı TDA’ların başarısını artırmak için hastanın kilo, boy ve cinsiyet gibi özellikleri dikkate alınarak kemiğin boyutsal açıdan değerlendirilmesi gerekmektedir. Raf ürünü olarak şu an kullanılan geleneksel protezlerin çoğu Kafkas insanlarının antropometrik diz datalarına göre tasarlanmaktadır. Bu durum farklı bölgelerdeki farklı insanların eklem boyutları için uyum sorunu
anlamına gelmektedir. Bu çalışmada hastanın bilgisayarlı tomografi görüntülerinden elde edilen tibia kemiğinin kesi yüzeyine göre kişiye-özel çimentolu tibial bileşeni tasarlanmıştır. Önerilen bu tasarım ile geleneksel çimentolu tibial bileşenin performansı, sonlu elemanlar analizi ile karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Çalışma sonucunda özellikle uzun dönemdeki stress shielding (gerilme kalkanı) ile ilişkili olarak tibia trabeküler kemiğindeki gerilme dağılımı kişiye özel protezde daha uniform şekilde elde edilmiştir. Bu durum tibia trabeküler kemiğinin bileşenle uyumunun geleneksel modele göre daha iyi olduğunu ve gevşeme hasarının kişiye özel modelde görülme ihtimalinin daha düşük olduğunu göstermektedir. 

Keywords

• Kişiye Özel
• Diz Protezi
• Bilgisayar Destekli Tasarım
• Sonlu Elemanlar Yöntemi

References

1. Chang, T.-W., Yang, C.-T., Liu, Y.-L., Chen, W.-C., Lin, K.- J., Lai, Y.-S., Huang, C.-H., Lu, Y.-C., Cheng, C.-K., 2011. Biomechanical evaluation of proximal tibial behavior following unicondylar knee arthroplasty: Modified resected surface with corresponding surgical technique. Medical Engineering & Physics, 33 (10), 1175-1182.
2. Dunbar, M.J., Wilson, D.A.J., Hennigar, A.W., Amirault, J.D., Gross, M., Reardon, G.P., 2009. Fixation of a Trabecular Metal Knee Arthroplasty Component. The Journal of Bone and Joint Surgery, 91, 1578-1586.
3. Ezzet, K.A., Hermida, J.C., Steklov, N., D′Lima, D.D., 2012. Wear of Polyethylene Against Oxidized Zirconium Femoral Components: Effect of Aggressive Kinematic Conditions and Malalignment in Total Knee Arthroplasty. The Journal of Arthroplasty, 27 (1), 116-121.
4. Hvid I., Bentzen S.M., Linde F., Mosekilde L., Pongsoipetch B., 1989. X-Ray Quantitative Computed Tomography: The Relations to Physical Properties of Proximal Tibial Trabecular Bone Specimens. Journal of Biomechanics, 22(9), 837-844.
5. Kienapfel, H., Sprey, C., Wilke, A. and Griss, P., 1999. Implant fixation by bone ingrowth. The Journal of Arthroplasty, 14 (3), 355-368.
6. Liu, Z., Yuan, G., Zhang, W., Shen, Y., Deng, L., 2013. Anthropometry of the Proximal Tibia of Patients With Knee Arthritis in Shanghai. The Journal of Arthroplasty, 28, 778-783.
7. Matthews, L.S., Sonstegard, D.A. and Henke, J.A., 1977. Load bearing characteristics of the patello-femoral joint. Acta Orthop Scand, 48 (5), 511-6.
8. Meneghini, R.M., Beaubien, B.C., Early Failure of Cementless Porous Tantalum Monoblock Tibial Components. The Journal of Arthroplasty, 28, 1505- 1508.

9. National Joint Registry (NJR), 2013. 10. Annual Report.
10. http://www.njrcentre.org.uk/njrcentre/Reports,Publ icationsandMinutes/Annualreports/tabid/86/Defaul t.aspx (25.08.2014)
11. Patil, N., Lee, K., Huddleston, J. I., Harris, A. HS, Goodman, S. B., 2010. Aseptic Versus Septic Revision Total Knee Arthroplasty: Patient Satisfaction, Outcome and Quality of Life Improvement. The Knee, 17, 200-203.
12. Peng L, Bai J, Zeng X, Zhou Y., 2007. Comparison of isotropic
13. assignments on femoral finite element models under two loading conditions. Med Eng Phys. 28, 227–233.
14. Rho J.Y., Hobatho M.C., 1995. Ashman R.B. Relations of Mechanical Properties to Density and CT Numbers in Human Bone. Medical Engineering and Physics, 17(5), 347-355.
15. Sharkey, P.F., Hozack, W.J., Rothman, R.H., Shastri, S., Jacoby, S.M., 2002. Insall Award paper. Why are total knee arthroplasties failing today? Clin Orthop Relat Res, 404, 7-13.
16. Sundfeldt, M., Carlsson, L.V., Johansson, C.B., Thomsen, P. and Gretzer, C., 2006. Aseptic loosening, not only a question of wear: a review of different theories. Acta Orthop, 77 (2), 177-97.
17. Varghese B., Short D., Penmetsa R., Goswami T., Hangartner T., 2011. Computed-Tomography-Based Finite Element Models of Long Bone Scan Accurately Capture Strain Response to Bending and Torsion. Journal of Biomechanics, 44, 1374–1379.
18. Villa, T., Migliavacca, F., Gastaldi, D., Colombo, M. and Pietrabissa, R., 2004. Contact stresses and fatigue life