Deformačně-napěťová analýza oseointegrovatelných titanových dříků totální endoprotézy kyčelního kloubu

Abstract

Tato diplomová práce se zabývá deformačně-napěťovou analýzou necementovaných titanových femorálních dříků totální endoprotézy kyčelního kloubu. Byly vytvořeny čtyři varianty výpočtového modelu, které se lišily geometrií použitého dříku. Kostní struktury byly rekonstruovány z anonymizovaných CT dat, přičemž spongiózní kostní tkáň femuru byla uvažována jako heterogenní materiál odvozený z CT dat. Modely geometrie femorálních dříků byly získány 3D skenováním skutečných implantátů. Výpočtový model byl řešen metodou konečných prvků v prostředí Ansys® Workbench™ 2025 R2 jako statická strukturální úloha pro model zatížení odpovídající stoji na jedné dolní končetině. Hodnocena byla celkové deformační posuvy, ekvivalentní napětí ve femorálním dříku, přetvoření kostní tkáně a mikropohyb na rozhraní dříku a kosti. Výsledky ukázaly, že všechny varianty dříku vyhovují kontrole na bezpečnost vůči meznímu stavu pružnosti. Z řešení přetvoření kostní tkáně vycházela nejpříznivěji varianta~3, zatímco při řešení mikropohybu byla nejvhodnější varianta~2. Nejméně příznivě byla hodnocena varianta~1. Uvedené závěry je nutné vztahovat k uvažovanému výpočtovému scénáři, použitým materiálovým vlastnostem a stanovenému modelu vazeb a zatížení.This master’s thesis focuses on the stress--strain analysis of uncemented titanium femoral stems used in total hip arthroplasty. Four variants of the computational model were developed, differing in the geometry of the femoral stem used. The bone structures were reconstructed from anonymized CT data, while the cancellous bone tissue of the femur was considered as a heterogeneous material derived from the CT data. The geometrical models of the femoral stems were obtained by 3D scanning of real implants. The computational model was solved using the finite element method in Ansys® Workbench™ 2025 R2 as a static structural analysis for a loading model corresponding to single--leg stance. The evaluation included total deformation displacements, equivalent stress in the femoral stem, strain in the bone tissue, and micromotion at the stem--bone interface. The results showed that all femoral stem variants satisfied the safety assessment with respect to the elastic limit state. Based on the evaluation of bone tissue strain, variant~3 showed the most favourable response, whereas variant~2 was the most suitable in terms of micromotion. Variant~1 was evaluated as the least favourable. These conclusions must be interpreted in relation to the considered computational scenario, the material properties used, and the defined model of constraints and loading.