Deformačně-napěťová analýza diafýzy stehenní kosti s defektem

Abstract

Diplomová práce se zabývá deformačně-napěťovou analýzou diafýzy stehenní kosti s defektem po intralezionální kyretáži benigního kostního nádoru, vyplněným kostním cementem (PMMA) a stabilizovaným profylaktickou osteosyntézou. Na základě CT dat reálného pacienta byl vytvořen konečnoprvkový model soustavy femur–cement–implantát. Celkem bylo řešeno šest modelových variant lišících se typem fixátoru (uzamykatelná dlaha NCB vs. nitrodřeňový hřeb) a tvarem přístupového okna (obdélníkový s ostrými rohy, obdélníkový s plně zaoblenými konci, šestiúhelníkový s ostrými rohy). Analýza byla provedena v prostředí ANSYS při statickém zatížení odpovídajícím stoji na jedné dolní končetině. Vyhodnoceny byly redukované napětí na implantátech a šroubech, redukované přetvoření v kortikální kostní tkáni s klasifikací dle Frostovy hypotézy, tuhost soustavy a bezpečnost vůči statickému selhání. Výsledky prokázaly, že hřebová fixace vykazuje 3–4× nižší napětí implantátu, vyšší tuhost a rovnoměrnější přenos zatížení na šrouby. Obě fixace generují srovnatelné rozložení přetvoření v kortikalis, přičemž převaha resorpční zóny je inherentní vlastností defektu s cementovou výplní. Zaoblený tvar přístupového otvoru snižuje koncentraci napětí na hranách fenestrace o přibližně 40 %. Všechny varianty splňují požadavky statické bezpečnosti.This master’s thesis deals with a stress-strain finite element analysis of the femoral diaphysis with a bone defect after intralesional curettage of a benign bone tumour, filled with bone cement (PMMA) and stabilised by prophylactic osteosynthesis. A finite element model of the femur–cement–implant assembly was created based on the CT data of a real patient. Six model variants were analysed, differing in fixation device (NCB locking plate vs. intramedullary nail) and cortical window shape (rectangular with sharp corners, rectangular with fully rounded ends, hexagonal with sharp corners). The analysis was performed in ANSYS under static loading corresponding to single-leg stance. The evaluated parameters included von Mises stress in the implants and screws, von Mises strain in cortical bone tissue classified according to Frost’s hypothesis, structural stiffness, and safety against static failure. The results showed that intramedullary nailing exhibits 3–4 times lower implant stress, higher stiffness, and more uniform load transfer to the screws. Both fixation strategies generate comparable strain distribution in the cortex, with the predominance of the resorption zone being an inherent property of the cemented defect. A rounded cortical window shape reduces stress concentration at the fenestration edges by approximately 40 %. All variants meet the requirements for static safety.