Biomechanical Study of Cranial Implants

Abstract

Tato práce s názvem Biomechanická studie lebečních implantátů se zabývá především výpočtovým modelováním jak nepoškozené lebky, tak i lebky s defektem a lebečním implantátem. Přístup řešení pro vyhodnocování deformačně-napěťových stavů systému lebka-implantát-fixační prvky byl prováděn pomocí výpočtového modelování metodou konečných prvků. Pro validní analýzy a interpretaci výsledků je třeba zvolit vhodnou úroveň výpočtových modelů. Výběr úrovně výpočtového modelu je z tohoto důvodu zásadním problémem, kterému jsou věnována značná část této práce. Bylo prokázáno, že volba úrovně má přímý vliv na hodnoty zkoumaných biomechanicky významných parametrů. Dalším faktorem, který ovlivňuje chování lebečního implantátu a jeho funkčnost, je rozměrová přesnost vyrobené kostní náhrady. Bylo pozorováno, že i malá rozměrová odchylka může způsobit změnu deformačně-napěťových stavů na lebce se zavedeným implantátem a způsobit tak rizikovou situaci z pohledu selhání implantátu nebo jeho fixace. Především způsob fixace implantátu bývá rizikový a snižuje spolehlivost implantátu. Je proto vhodné se na tuto oblast zaměřit a navrhnout možné způsoby zlepšení stávajících postupů nebo navrhnout nové způsoby fixace. Jedním ze zlepšení metody fixace implantátu k lebce může být použití hydroxyapatitového potahu na kontaktním rozhraní kost-implantát. To by mělo vést k oseointegraci, což je požadovaný efekt, který byl v této práci výpočtově modelován a vyhodnocován.

This thesis, entitled Biomechanical study of cranial implants, mainly deals with computational modeling of both undamaged skull and skull with damage and cranial implant. The problem concerning the evaluation of stress-strain states in biomechanics is solved by computational simulation using the finite element method. For the valid analyses and results interpretation, the suitable level of computational models has to be chosen. The selection of computational model level is essential problem, to which a significant part of this work is devoted. It was proven that the chosen level has an effect on the values of the investigated biomechanically significant parameters. Another factor that affects the overall performance of the cranial implant and its functionality is the dimensional accuracy of the manufactured bone replacement. It was observed that even a small dimensional deviation can cause a change in the stress-strain states of the skull-implant system and thus cause a risky situation from the failure of the implant or its fixation perspective. Above all, the method of fixation of the implant tends to be a problem and reduces the reliability of the implant. It is therefore advisable to focus on that area and propose possible ways of improving current procedures or propose new means of fixation. One of the improvements of the method of fixation can be using hydroxyapatite coating at bone-implant contact interface. This should lead to osseointgration, which is a favorable effect that was computationally modeled and assessed in this thesis.