Considerações de projeto e análise numérica de hastes femorais de quadril não-cimentadas

Abstract

A artroplastia total do quadril (ATQ) é um procedimento cirúrgico que consiste na substituição da articulação natural do quadril por um dispositivo ortopédico. Desde os primeiros resultados de sucesso, as técnicas cirúrgicas e os projetos de prótese de quadril evoluíram muito, havendo uma grande variedade de modelos disponíveis atualmente. Entretanto, o desempenho do sistema em longo prazo ainda é insatisfatório, uma vez detectada a falha faz-se necessária uma nova intervenção cirúrgica. Assim, se evidencia a necessidade de melhora dos projetos atuais, sendo imprescindível para isso compreender os mecanismos de falha envolvidos e ser capaz de estabelecer boas e más características de projeto para próteses de quadril. Desta forma, o presente estudo objetiva avaliar o efeito das alterações de projeto em componentes femorais não-cimentados em uma condição pós-operatória, a fim de a gerar a estabilidade primária fundamental para obtenção de um bom desempenho em longo prazo. A estratégia adotada faz uso do processo de desenvolvimento de produto, promovendo o entendimento dos fenômenos envolvidos, a análise funcional e conceitual do sistema, bem como a análise numérica em elementos finitos, de modo a avaliar e correlacionar os parâmetros de projeto. Os resultados obtidos são discutidos a partir de um critério conjunto de tensão de contato e deslocamento relativo na interface osso-implante: próteses retangulares e trapezoidais apresentam micromovimentos menores do que as demais seções; o uso de um colar aumentou as tensões de contato e reduziu os micromovimentos; e a redução da área de revestimento, aumentou as forças transmitidas pelo contato para as regiões proximais. Com efeito, há uma manifestação distinta dos fatores no resultado, não havendo uma tendência global. Entretanto, hastes femorais que consideram as filosofias de projeto em seu desenvolvimento, apresentam desempenho superior. Boas combinações observadas nas análises e confirmadas na literatura são hastes cônicas com revestimento proximal e hastes cilíndricas totalmente revestidas. Por fim, este documento discorre sobre orientações para o projeto de próteses de quadril e apresenta sugestões para trabalhos futuros.

Abstract: A total hip arthroplasty (THA) is a surgical procedure that consists to replacing the natural hip joint with an orthopaedic device. From the first successful results, hip prosthesis designs have evolved considerably and wide variety of models is currently available. However, long-term stability of THA system has not yet been fully achieved and once a failure is detected, a further surgical procedure intervention is required. In order to improve prosthesis designs, it is essential to understand the failure mechanisms involved and to be able to define good and bad design features for hip components. Therefore, the present study aims to evaluate the effect of design changes on uncemented femoral components in a postoperative condition with regard to primary stability, which is essential for implant fixation and long-term performance. The adopted strategy uses the product development process methodology and finite element analysis to determine and evaluate the relevant design parameters. The results obtained are discussed based on a merged criterion of contact stress and relative displacement at the bone-implant interface: rectangular and trapezoidal prostheses presented smaller micromovements than the other sections; the use of a collar increased contact stresses and reduced micromovements; and the reduction of the coating area, increased the forces transmitted by the contact to the proximal regions. Indeed, there is a distinct manifestation of the factors in the result, and there is no global trend. However, the femoral stems that consider design philosophies in their development have superior performance. Some good combinations observed in the analyzes and confirmed in the literature are conical stem with proximal coating and fully coated cylindrical stem. Finally, this document discusses guidelines for the design of hip prostheses and presents suggestions for future studies.