Avaliação da integridade estrutural de uma prótese cimentada por emissão acústica

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

A fadiga do cimento nas próteses cimentadas é um dos mecanismos de insucesso da artroplastia total da anca. Assim torna-se pertinente encontrar uma forma de monitorizar a integridade deste tipo de estruturas. Quando os materiais são solicitados por esforços podem surgir descontinuidades (fissuras) que dão origem a uma rápida libertação de energia, fenómeno designado por Emissão Acústica (EA), a qual provoca ondas elásticas que se propagam no material e podem ser detectadas por sensores piezoeléctricos colocados na superfície. Nos objectivos desta dissertação, salienta-se o interesse em utilizar o fenómeno da Emissão Acústica como teste não destrutivo e não intrusivo na monitorização da integridade de estruturas, sendo a estrutura objecto de estudo uma componente femural in vitro. Havendo a necessidade de forçar a estrutura em causa para analisar a resposta EA optou-se por efectuar um ensaio de fadiga. Este implicou a aquisição de conhecimentos sobre a montagem descrita no capítulo três, com todas as contingências envolvidas, tais como, a colocação da componente femural no suporte da máquina de fadiga, a configuração da mesma para o ciclo de forças a aplicar de acordo com as normas em vigor nesta área, colocação e configuração dos sensores EA na estrutura. Foram obtidos os sinais de emissão acústica, que depois de analisados conduziram a um resultado que levantou a hipótese de uma falha na estrutura em estudo. Outros testes de diagnóstico complementar foram utilizados para permitir concluir a existência de uma falha (fissura). O primeiro teste foi a verificação de fissuras superficiais no cimento que faz a junção entre a prótese metálica e o osso através dos líquidos penetrantes em diferentes secções cortadas da componente femural. Este teste foi efectuado só nas faces superiores de cada secção e permitiu visualizar uma descontinuidade numa secção da componente femural que as imagens de microscópio clarificaram ser resultado de uma falta de cimento aquando da introdução da prótese na componente femural e não resultante do ensaio de fadiga. A análise microscópica das faces inferiores das diferentes secções da componente femural permitiu observar a existência de uma fissura cuja localização é apontada pelos resultados da resposta da emissão acústica. As imagens de microscópio revelam que esta fissura surge junto de uma irregularidade (saliência) no metal constituinte da prótese. O processamento dos sinais EA através da transformada Wavelet permitiu obter os tempos de chegada destes sinais aos diferentes sensores, os quais introduzidos no método da triangulação permitiram localizar com precisão uma fissura na componente femural. Concluiu-se que a resposta de emissão acústica indica três pontos de localização de fontes EA que se situam dentro da fissura observada no microscópio óptico.

The cement fatigue in cemented prosthesis is one of the mechanisms of failure in total hip arthroplasty. So it becomes relevant finds the form of monitoring the integrity of these structures type. When the materials are submitted by strengths there can appear cracks that release quick energy, phenomenon designated by Acoustic Emission, which produces elastic waves that propagates in the material and can be detected by piezoelectric sensors put in the surface material. In the objectives of this dissertation, the interest is pointed out in using the phenomenon of the Acoustic Emission like no-destructive and no-intrusive test in structures integrity monitoring, being the object of study a in vitro femural component. To analyze the AE answer a test of fatigue was done. This, implicated the acquisition of knowledge on the assembly described in the chapter number three, such as placing the femoral component in the support on the fatigue machine, the configuration of the cycle of strength to apply in accordance with the standards in this area, placing and configuration of the AE sensors in the structure. The AE signal results points out the hypothesis of a crack in the structure that was studied. Others complementary diagnostic tests were used to confirm the existence of a fault (crack). The first test was to checking the superficial cracks in the cement which makes the joining between the metal prosthesis and the bone through the penetrating liquids in different cut sections of femural component. This test was effectuated only in the superior faces of each section and allowed to visualize a discontinuity in a section of femural component that the images of microscope clarified to be a result of a lack from cement when the prosthesis was introduced in femural component and not resultant by strength of the fatigue test. The microscopic analysis of the different sections (inferior faces) of femural component allowed to observe the existence of a crack which location is pointed by the results of AE answer. The images of microscope show that this crack appears next to an irregularity (salient) in the prosthesis metal . The AE signal processing using Wavelet transform allowed to obtain the arrival times in different sensors, which were introduced in the triangulation method and allowed to locate a crack in femural component with precision. It’s possible conclude that the answer of acoustic emission indicates three points of AE sources location that are situated inside the crack observed in the optical microscope.