Reverse engineering protocol to investigate in vivo fracture of non-modular femoral stems due to patient-related factors in primary total hip arthroplasty

Abstract

A artroplastia total do quadril (ATQ) é amplamente realizada, com aumento contínuo das cirurgias primárias e de revisão. Embora a fratura da haste femoral seja rara, sua ocorrência em hastes primárias não modulares apresenta graves consequências clínicas e dificulta o diagnóstico da falha. Este estudo propõe e valida um protocolo estruturado de engenharia reversa para investigar fraturas distais in vivo de hastes femorais cimentadas e não modulares, com ênfase nos fatores relacionados ao paciente. A investigação analisa três casos clínicos de hastes fraturadas, removidas durante cirurgias de revisão no Instituto Nacional de Traumatologia e Ortopedia e avaliadas no Centro Nacional de Análise de Explantes. Inicialmente, a análise de explantes examinou informações clínicas, características macroscópicas e fractográficas, composição química, tamanho de grão e propriedades mecânicas estimadas. Os danos nas superfícies de fratura impediram a identificação conclusiva de características macroscópicas de fadiga; entretanto, os resultados excluíram causas relacionadas ao material, pois todos os implantes atendiam às especificações aplicáveis. Em seguida, um modelo analítico baseado na teoria de vigas de Euler?Bernoulli representou cada haste. As seções transversais específicas de cada paciente foram reconstruídas no nível da fratura a partir dos contornos digitalizados dos explantes e de modelos geométricos de referência. Um modelo musculoesquelético estimou as forças fisiológicas de contato do quadril, transformadas para um sistema de coordenadas da haste definido pelos ângulos de varo?valgo, anteversão e curvatura sagital. As distribuições de tensão mostraram que o carregamento combinado representou de forma mais consistente o cenário fisiológico e permitiu identificar possíveis regiões de iniciação da trinca. Por fim, modelos de elementos finitos específicos de cada paciente representaram os sistemas fêmur?implante. Radiografias contralaterais subsidiaram a reconstrução femoral sob hipóteses de simetria e segundo protocolos derivados da Functional Bone Stock Classification. Modelos adicionais incorporaram perda óssea proximal progressiva com base na Femoral Defect Classification e receberam forças articulares e musculares estimadas pela modelagem musculoesquelética. As simulações quantificaram tensões normais, cisalhantes e principais, além de indicadores de fadiga. Os sistemas fêmur?haste íntegros não reproduziram as condições de fratura observadas clinicamente. Em contraste, a perda óssea proximal deslocou as regiões críticas de tração para a porção distal da haste e produziu distribuições de tensão compatíveis com as superfícies de fratura. Os modelos analítico e numérico apresentaram localização consistente das tensões, enquanto as comparações com radiografias clínicas e observações experimentais sustentaram um mecanismo de falha por fadiga sob condições específicas de cada paciente. Os resultados identificam a combinação entre perda óssea proximal e aumento do carregamento mecânico como principal contribuinte para a falha e o alinhamento biomecânico como fator secundário que afeta as tensões críticas. As análises de fadiga indicam ainda que condições de sobrecarga provavelmente foram necessárias para reproduzir os tempos de fratura observados. Portanto, a fratura distal decorre da interação de múltiplos fatores biomecânicos específicos do paciente, e não de um mecanismo isolado. O protocolo proposto amplia a análise convencional de explantes ao integrar modelagem analítica e numérica, fornecendo uma estrutura reprodutível para investigação de falhas, avaliação de projetos e análise biomecânica clinicamente relevante.

Abstract: Total hip arthroplasty (THA) is one of the most widely performed orthopedic procedures worldwide, and the numbers of both primary and revision surgeries continue to increase. Although femoral stem fracture is rare, its occurrence in primary non-modular stems has severe clinical consequences and complicates failure diagnosis. This study proposes and validates a structured reverse-engineering protocol for investigating in vivo distal fractures of cemented, non-modular femoral stems, with particular emphasis on patient-related factors. The investigation examines three clinical cases involving fractured femoral stems retrieved during revision surgeries at the Instituto Nacional de Traumatologia e Ortopedia and subsequently analyzed at the Centro Nacional de Análise de Explantes. First, retrieval analysis evaluated clinical information, macroscopic and fractographic features, chemical composition, grain size, and estimated mechanical properties. Damage to the fracture surfaces prevented the conclusive identification of macroscopic fatigue features; however, the findings excluded material-related causes because all implants complied with the applicable material specifications. Next, an analytical model based on Euler?Bernoulli beam theory represented each femoral stem. Patient-specific cross-sectional geometries at the fracture level were reconstructed from digitized contours of the retrieved stems and reference computer-aided design models. Discretized formulations determined the cross-sectional area, centroid, and moments of inertia. A musculoskeletal model estimated physiological hip contact forces, which were transformed into a stem-based coordinate system defined by the varus?valgus, anteversion, and sagittal bowing angles. Stress distributions under combined loading and pure bending showed that combined loading provided the most mechanically consistent representation of the physiological fracture scenario and enabled the identification of potential crack-initiation regions. Finally, patient-specific finite element models represented the femur?implant systems. Contralateral radiographs supported femoral reconstruction under symmetry assumptions and according to measurement protocols derived from the Functional Bone Stock Classification. The models included cortical bone, trabecular bone, bone cement, and the femoral stem within a consistent local coordinate system. Additional models incorporated progressive proximal bone loss based on the Femoral Defect Classification, while musculoskeletal modeling provided physiological joint and muscle forces. The numerical simulations quantified normal, shear, principal, and fatigue-related stresses. Intact femur?stem systems did not reproduce the clinically observed fracture conditions. In contrast, proximal bone loss shifted the critical tensile regions toward the distal stem and produced stress distributions consistent with the retrieved fracture surfaces. The analytical and finite element models showed consistent stress localization at the fracture region, while comparisons with clinical radiographs and experimental observations supported a fatigue-driven failure mechanism under patient-specific conditions. The results identify the combined effects of proximal bone loss and increased mechanical loading as the primary contributors to failure and biomechanical alignment as a secondary factor affecting critical stress magnitudes. Fatigue analyses further indicate that overload-related conditions were likely necessary to reproduce the observed fracture times. These findings show that distal stem fracture arises from the interaction of multiple patient-specific biomechanical factors rather than from a single isolated mechanism. The proposed protocol extends conventional retrieval analysis by integrating analytical and numerical modeling and provides a reproducible framework for implant failure investigation, design evaluation, and clinically relevant biomechanical assessment.