An accurate finite element modeling of prosthetic hemipelvis: the effect of muscle forces and bone-prosthesis interaction on local biomechanics

Analysis of the human locomotor system using rigid-body musculoskeletal models has increased in the biomechanical community with the objective of studying muscle activations of different movements. Simultaneously, the finite element method has emerged as a complementary approach for analysing the mechanical behaviour of tissues. This study presents an integrative biomechanical framework for gait analysis. The first investigation was made on a physiological case, where the total hip joint force and 26 muscle forces were included in the FE model. Maximum Von Mises stress values, of approximately 30 MPa, were found in the pelvic bone and the most solicited phase was found to be when leg stance begins and hip joint force is maximal. The second investigation was made on a pathological model with a prosthesis projected and printed with EBM (Electron Beam Melting) by the company Adler Ortho. Due to prosthesis implantation many muscles were removed. A normal (physiological) gait was considered, even if a patient undergoing an invasive prosthesis implantation, won’t be able to normally walk after the surgery. Thus, without considering any support or anomaly in the kinematic, the worst-case scenario was represented. Different models were implemented to achieve the most accurate representation of the bone-implant interaction at the interface. The simplest model was evaluated considering the surfaces tied without the possibility of any relative movement. Therefore, in this case no screw preload was included, since this constraint guarantees the bondage of the surfaces. This first interaction was useful to compare the results literature, since many models consider the interfaces as tied. This constraint is a simplification of what really happens at the implant-bone interface. In fact, micromotions could be present. This is the reason why more accurate simulations were performed defining a friction coefficient in tangential direction between the surfaces. The first attempt was done with an infinite friction coefficient, so that no relative tangential movements are allowed, but this was useful to verify the success of the definition of contacts. Then the possibility of a tangential reciprocal movement between bone and prosthesis was introduced, setting 2 as friction coefficient. The definition of this interaction property highlights a peak stress at the interface between the prosthesis and the pelvic bone. The most solicited zone differs both in location and value to the model where surfaces were tied. In the most accurate model, two scenarios were compared. In the first case, the total force of every muscle was estimated as in the physiological case, but only remaining muscles after surgery were represented. In the second case muscles were recalibrated considering that the remaining muscles need to compensate for the ones removed. The comparison of these two scenarios was performed to investigate the difference in terms of stress distribution and bone deformations in the two approaches. In the second case maximal Von Mises stresses values were around 500 MPa on the prosthesis and greater of 150 MPa with respect to the first case. Stresses are lower in the non-calibrated model, even if the most solicited zones are the same.

L’analisi del sistema locomotore si è sviluppata grazie all’utilizzo di modelli muscoloscheletrici al fine di studiare l’attivazione muscolare in diversi movimenti. Allo stesso tempo, l’analisi agli elementi finiti è emersa come approccio complementare per studiare il comportamento meccanico dei tessuti biologici. Questo studio riporta un approccio biomeccanico completo per l’analisi del ciclo del passo. La prima ricerca è stata fatta per un caso fisiologico in cui le forze di reazione vincolare dell’anca e le forze di 26 muscoli sono state incluse nel modello agli elementi finiti. Lo sforzo massimo di Von Mises, di circa 30 MPa, è stato trovato nell’osso pelvico e la fase più sollecitata corrisponde con l’inizio del singolo supporto sulla gamba, cioè quando la reazione vincolare all’anca è massima. La seconda ricerca è stata eseguita su un modello patologico con una protesi progettata e stampata con tecnica EBM (Electron Beam Melting) dall’azienda Adler Ortho. A causa dell’impianto della protesi, molti muscoli non presentavano più la zona di inserzione sulla parte di osso rimanente. Nonostante il livello di invasività dell’impianto, non sono state considerate variazioni nella cinematica o l’ausilio di supporti esterni, considerando quindi la peggior condizione possibile. Diversi modelli sono stati realizzati per raggiungere il massimo livello di accuratezza nel rappresentare l’interazione tra l’impianto e l’osso alle interfacce. Il modello più semplice considera le superfici come vincolate, impedendone il movimento reciproco. In questo caso non è stato applicato il carico delle viti, infatti il vincolo è sufficiente a garantire il fissaggio delle superfici. Questa interazione era necessaria per confrontare i risultati di questo studio con la letteratura, dove questo tipo di vincolo risulta essere il più usato, ma è una semplificazione di ciò che realmente accade. Infatti, dei micromovimenti potrebbero essere presenti, e simulazioni più accurate sono state realizzate considerando un coefficiente di attrito in direzione tangenziale. Inizialmente, il coefficiente è stato con siderato infinito, quindi senza consentire movimento reciproco ma verificando la riuscita del contatto. Successivamente, il coefficiente è stato imposto di 2. Raffinando l’interazione tra le superfici, si è individuato un picco di sforzo all’interfaccia tra l’osso e la protesi. La zona più sollecitata differisce dunque sia in posizione che in valore rispetto al modello in cui alle superfici non è consentito movimento reciproco. Nel modello più accurato, due differenti scenari sono stati considerati. Nel primo caso la forza di ogni muscolo è stata stimata come nel caso fisiologico, ma solo i muscoli rimanenti dopo l’intervento sono stati rappresentati nel modello. Nel secondo caso i muscoli sono stati ricalibrati considerando che i muscoli rimanenti devono compensare la mancanza di quelli rimossi. Sono stati confrontati questi due scenari per valutare le differenze di distribuzione degli sforzi con i due approcci. Nel secondo caso il valore massimo dello sforzo di Von Mises sulla protesi è di circa 500 MPa e maggiore di 150 MPa rispetto al primo caso. Gli sforzi sono inferiori nel modello non ricalibrato nonostante le zone più sollecitate siano le stesse.