Finite element modeling of the cement-bone interface beneath the tibial tray of a total knee arthroplasty: Study of the stress shielding effect (modellazione agli elementi finiti dell'interfaccia cemento-osso sotto il piatto tibiale di protesi totale di ginocchio: Analisi dello stress shielding)

The goal of this thesis was the study of the cement-bone interface in the tibial component of a cemented total knee prosthesis. One of the things you can see in specimens after in vivo service is that resorption of bone occurs in the interdigitated region between bone and cement. A stress shielding effect was investigated as a cause to explain bone resorption. Stress shielding occurs when bone is loaded less than physiological and therefore it starts remodeling according to the new loading conditions. µCT images were used to obtain 3D models of the bone and cement structure and a Finite Element Analysis was used to simulate different kind of loads. Resorption was also simulated by performing erosion operations in the interdigitated bone region. Finally, 4 models were simulated: bone (trabecular), bone with cement, and two models of bone with cement after progressive erosions of the bone. Compression, tension and shear test were simulated for each model in displacement-control until 2% of strain. The results show how the principal strain and Von Mises stress decrease after adding the cement on the structure and after the erosion operations. These results show that a stress shielding effect does occur and rises after resorption starts.

Development of an instrumented customizable total knee prosthesis for experimental tests.

Total knee arthroplasty (TKA) has revolutionized the life of millions of patients and it is the most efficient treatment in cases of osteoarthritis. The increase in life expectancy has lowered the average age of the patient, which requires a more enduring and performing prosthesis. To improve the design of implants and satisfying the patient's needs, a deep understanding of the knee Biomechanics is needed. To overcome the uncertainties of numerical models, recently instrumented knee prostheses are spreading. The aim of the thesis was to design and manifacture a new prototype of instrumented implant, able to measure kinetics and kinematics (in terms of medial and lateral forces and patellofemoral forces) of different interchangeable designs of prosthesis during experiments tests within a research laboratory, on robotic knee simulator. Unlike previous prototypes it was not aimed for industrial applications, but purely focusing on research. After a careful study of the literature, and a preliminary analytic study, the device was created modifying the structure of a commercial prosthesis and transforming it in a load cell. For monitoring the kinematics of the femoral component a three-layers, piezoelettric position sensor was manifactured using a Velostat foil. This sensor has responded well to pilot test. Once completed, such device can be used to validate existing numerical models of the knee and of TKA and create new ones, more accurate.It can lead to refinement of surgical techniques, to enhancement of prosthetic designs and, once validated, and if properly modified, it can be used also intraoperatively.

In silico methods to evaluate Fracture Risk and Bone Mineral Density changes in patients undergoing Total Hip Replacement

La sostituzione totale d’anca è uno degli interventi chirurgici con le più alte percentuali di successo. Esistono due varianti di protesi d’anca che differiscono in base al metodo di ancoraggio all’osso: cementate (fissaggio tramite cemento osseo) e non cementate (fissaggio tramite forzamento). Ad oggi, i chirurghi non hanno indicazioni quantitative di supporto per la scelta fra le due tipologie di impianto, decidendo solo in base alla loro esperienza. Due delle problematiche che interessano le protesi non cementate sono la possibilità di frattura intra-operatoria durante l’inserimento forzato e il riassorbimento osseo nel periodo di tempo successivo all’intervento. A partire da rilevazioni densitometriche effettuate su immagini da TC di pazienti sottoposti a protesi d’anca non cementata, sono stati sviluppati due metodi: 1) per la valutazione del rischio di frattura intra-operatorio tramite analisi agli elementi finiti; 2) per la valutazione della variazione di densità minerale ossea (tridimensionalmente attorno alla protesi) dopo un anno dall’operazione. Un campione di 5 pazienti è stato selezionato per testare le procedure. Ciascuno dei pazienti è stato scansionato tramite TC in tre momenti differenti: una acquisita prima dell’operazione (pre-op), le altre due acquisite 24 ore (post 24h) e 1 anno dopo l’operazione (post 1y). I risultati ottenuti hanno confermato la fattibilità di entrambi i metodi, riuscendo inoltre a distinguere e a quantificare delle differenze fra i vari pazienti. La fattibilità di entrambe le metodologie suggerisce la loro possibilità di impiego in ambito clinico: 1) conoscere la stima del rischio di frattura intra-operatorio può servire come strumento di guida per il chirurgo nella scelta dell’impianto protesico ottimale; 2) conoscere la variazione di densità minerale ossea dopo un anno dall’operazione può essere utilizzato come strumento di monitoraggio post-operatorio del paziente.

A medical imaging-based approach for total shoulder replacement

Ogni anno in Italia, migliaia di protesi convenzionali vengono impiantate con successo in pazienti affetti da artrosi alla spalla, tuttavia è stato dimostrato che questa tipologia di protesi non funziona in quei pazienti che soffrono contemporaneamente anche di grandi lesioni alla cuffia dei rotatori, ricorrendo successivamente a un impianto di protesi di spalla inversa. La scelta sul miglior tipo di protesi da parte del chirurgo è quindi fondamentale e necessaria per evitare futuri stress e operazioni al paziente. Nel corso degli anni si è fatto affidamento a protocolli che non considerano in maniera specifica la componente tissutale ossea. In questa tesi si cerca di dimostrare che attraverso l’utilizzo delle immagini mediche è possibile ricavare dati e grafici specifici sulla componente ossea del paziente per ottimizzare poi la scelta della protesi da parte del chirurgo e la fase pre/intra operatoria.

Valutazione sperimentale in-vitro di nuove superfici protesiche per la sostituzione totale di caviglia derivanti da un innovativo approccio morfologico

La sostituzione totale di caviglia o artroplastica totale di caviglia (Total Ankle Replacement - TAR) è un'operazione eseguita per sostituire le superfici di contatto delle ossa di tibia e astragalo mediante componenti protesiche e sta diventando una comune procedura chirurgica per il trattamento dell’ultimo stadio di osteoartrite di caviglia. La morfologia articolare della caviglia e la relativa cinematica sono molto complesse. Gli attuali dispositivi per TAR soffrono ancora di alti tassi di insoddisfazione e fallimento, probabilmente a causa dei relativi disegni protesici non pienamente rispettosi della normale morfologia di caviglia e del normale trasferimento dei carichi articolari. Recentemente, è stato proposto un nuovo disegno basato su un originale postulato che approssima la superficie articolare talare in modo maggiormente fisiologico, come un tronco di cono a sella con apice diretto lateralmente. L'obiettivo di questa tesi di laurea è di valutare sperimentalmente, mediante il supporto del navigatore chirurgico, il comportamento cinematico derivante dall’impianto del dispositivo TAR basato sul nuovo postulato e di confrontarlo con la cinematica derivante dalla caviglia intatta e derivante da modelli protesici basati sui disegni più comunemente utilizzati. Dieci arti inferiori da cadavere con caviglie intatte e normali, sono state scansionati via CT. Le immagini di caviglia sono state poi segmentate per la produzione dei modelli virtuali articolari. Questi sono stati prodotti sia basandosi sul nuovo postulato sia su quelli standard, e successivamente stampati in materiale plastico via 3D-printing. I risultati ottenuti a seguito di elaborazioni confermano che il nuovo dispositivo sembra riprodurre meglio rispetto agli altri, il fisiologico comportamento funzionale della caviglia, presentando valori prossimi a quelli della caviglia naturale.