Skip to main content
Erschienen in: Journal of Artificial Organs 1/2015

01.03.2015 | Original Article

Three-dimensional shape optimization of a cemented hip stem and experimental validations

verfasst von: Masaru Higa, Hiromasa Tanino, Ikuya Nishimura, Yoshinori Mitamura, Takeo Matsuno, Hiroshi Ito

Erschienen in: Journal of Artificial Organs | Ausgabe 1/2015

Einloggen, um Zugang zu erhalten

Abstract

This study proposes novel optimized stem geometry with low stress values in the cement using a finite element (FE) analysis combined with an optimization procedure and experimental measurements of cement stress in vitro. We first optimized an existing stem geometry using a three-dimensional FE analysis combined with a shape optimization technique. One of the most important factors in the cemented stem design is to reduce stress in the cement. Hence, in the optimization study, we minimized the largest tensile principal stress in the cement mantle under a physiological loading condition by changing the stem geometry. As the next step, the optimized stem and the existing stem were manufactured to validate the usefulness of the numerical models and the results of the optimization in vitro. In the experimental study, strain gauges were embedded in the cement mantle to measure the strain in the cement mantle adjacent to the stems. The overall trend of the experimental study was in good agreement with the results of the numerical study, and we were able to reduce the largest stress by more than 50 % in both shape optimization and strain gauge measurements. Thus, we could validate the usefulness of the numerical models and the results of the optimization using the experimental models. The optimization employed in this study is a useful approach for developing new stem designs.
Literatur
1.
Zurück zum Zitat Malchau H, Garellick G, Eisler T, Karrholm J, Herberts P. Presidential guest address: the Swedish Hip Registry: increasing the sensitivity by patient outcome data. Clin Orthop Relat Res. 2005;441:19–29.CrossRefPubMed Malchau H, Garellick G, Eisler T, Karrholm J, Herberts P. Presidential guest address: the Swedish Hip Registry: increasing the sensitivity by patient outcome data. Clin Orthop Relat Res. 2005;441:19–29.CrossRefPubMed
2.
Zurück zum Zitat Lewis G. Fatigue testing and performance of acrylic bone-cement materials: state-of-the-art review. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2003;66:457–86.CrossRefPubMed Lewis G. Fatigue testing and performance of acrylic bone-cement materials: state-of-the-art review. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2003;66:457–86.CrossRefPubMed
3.
Zurück zum Zitat Lennon AB, Britton JR, MacNiocaill RF, Byrne DP, Kenny PJ, Prendergast PJ. Predicting revision risk for aseptic loosening of femoral components in total hip arthroplasty in individual patients–a finite element study. J Orthop Res : Off Public Orthop Res Soc. 2007;25:779–88.CrossRef Lennon AB, Britton JR, MacNiocaill RF, Byrne DP, Kenny PJ, Prendergast PJ. Predicting revision risk for aseptic loosening of femoral components in total hip arthroplasty in individual patients–a finite element study. J Orthop Res : Off Public Orthop Res Soc. 2007;25:779–88.CrossRef
4.
Zurück zum Zitat Janssen D, van Aken J, Scheerlinck T, Verdonschot N. Finite element analysis of the effect of cementing concepts on implant stability and cement fatigue failure. Acta Orthop. 2009;80:319–24.CrossRefPubMedCentralPubMed Janssen D, van Aken J, Scheerlinck T, Verdonschot N. Finite element analysis of the effect of cementing concepts on implant stability and cement fatigue failure. Acta Orthop. 2009;80:319–24.CrossRefPubMedCentralPubMed
5.
Zurück zum Zitat Stolk J, Verdonschot N, Cristofolini L, Toni A, Huiskes R. Finite element and experimental models of cemented hip joint reconstructions can produce similar bone and cement strains in pre-clinical tests. J Biomech. 2002;35:499–510.CrossRefPubMed Stolk J, Verdonschot N, Cristofolini L, Toni A, Huiskes R. Finite element and experimental models of cemented hip joint reconstructions can produce similar bone and cement strains in pre-clinical tests. J Biomech. 2002;35:499–510.CrossRefPubMed
6.
Zurück zum Zitat Harrigan TP, Kareh JA, O’Connor DO, Burke DW, Harris WH. A finite element study of the initiation of failure of fixation in cemented femoral total hip components. J Orthop Res: Off Public Orthop Res Soc. 1992;10:134–44.CrossRef Harrigan TP, Kareh JA, O’Connor DO, Burke DW, Harris WH. A finite element study of the initiation of failure of fixation in cemented femoral total hip components. J Orthop Res: Off Public Orthop Res Soc. 1992;10:134–44.CrossRef
7.
Zurück zum Zitat Waide V, Cristofolini L, Stolk J, Verdonschot N, Boogaard GJ, Toni A. Modelling the fibrous tissue layer in cemented hip replacements: experimental and finite element methods. J Biomech. 2004;37:13–26.CrossRefPubMed Waide V, Cristofolini L, Stolk J, Verdonschot N, Boogaard GJ, Toni A. Modelling the fibrous tissue layer in cemented hip replacements: experimental and finite element methods. J Biomech. 2004;37:13–26.CrossRefPubMed
8.
Zurück zum Zitat Jeffers JR, Browne M, Lennon AB, Prendergast PJ, Taylor M. Cement mantle fatigue failure in total hip replacement: experimental and computational testing. J Biomech. 2007;40:1525–33.CrossRefPubMed Jeffers JR, Browne M, Lennon AB, Prendergast PJ, Taylor M. Cement mantle fatigue failure in total hip replacement: experimental and computational testing. J Biomech. 2007;40:1525–33.CrossRefPubMed
9.
Zurück zum Zitat Waanders D, Janssen D, Berahmani S, Miller MA, Mann KA, Verdonschot N. Interface micromechanics of transverse sections from retrieved cemented hip reconstructions: an experimental and finite element comparison. J Mater Sci Mater Med. 2012;23:2023–35.CrossRefPubMedCentralPubMed Waanders D, Janssen D, Berahmani S, Miller MA, Mann KA, Verdonschot N. Interface micromechanics of transverse sections from retrieved cemented hip reconstructions: an experimental and finite element comparison. J Mater Sci Mater Med. 2012;23:2023–35.CrossRefPubMedCentralPubMed
10.
Zurück zum Zitat Sabatini AL, Goswami T. Hip implants VII: finite element analysis and optimization of cross-sections. Mater Des. 2008;29:1438–46.CrossRef Sabatini AL, Goswami T. Hip implants VII: finite element analysis and optimization of cross-sections. Mater Des. 2008;29:1438–46.CrossRef
11.
Zurück zum Zitat Ruben RB, Folgado J, Fernandes PR. Three-dimensional shape optimization of hip prostheses using a multicriteria formulation. Struct Multidiscip Opt. 2007;34:261–75.CrossRef Ruben RB, Folgado J, Fernandes PR. Three-dimensional shape optimization of hip prostheses using a multicriteria formulation. Struct Multidiscip Opt. 2007;34:261–75.CrossRef
12.
Zurück zum Zitat Ishida T, Nishimura I, Tanino H, Higa M, Ito H, Mitamura Y. Use of a genetic algorithm for multiobjective design optimization of the femoral stem of a cemented total hip arthroplasty. Artif Organs. 2011;35:404–10.CrossRefPubMed Ishida T, Nishimura I, Tanino H, Higa M, Ito H, Mitamura Y. Use of a genetic algorithm for multiobjective design optimization of the femoral stem of a cemented total hip arthroplasty. Artif Organs. 2011;35:404–10.CrossRefPubMed
13.
Zurück zum Zitat Katoozian H, Davy DT. Effects of loading conditions and objective function on three-dimensional shape optimization of femoral components of hip endoprostheses. Med Eng Phys. 2000;22:243–51.CrossRefPubMed Katoozian H, Davy DT. Effects of loading conditions and objective function on three-dimensional shape optimization of femoral components of hip endoprostheses. Med Eng Phys. 2000;22:243–51.CrossRefPubMed
14.
Zurück zum Zitat Tanino H, Ito H, Higa M, Omizu N, Nishimura I, Matsuda K, et al. Three-dimensional computer-aided design based design sensitivity analysis and shape optimization of the stem using adaptive p-method. J Biomech. 2006;39:1948–53.CrossRefPubMed Tanino H, Ito H, Higa M, Omizu N, Nishimura I, Matsuda K, et al. Three-dimensional computer-aided design based design sensitivity analysis and shape optimization of the stem using adaptive p-method. J Biomech. 2006;39:1948–53.CrossRefPubMed
15.
Zurück zum Zitat Stolk J, Verdonschot N, Murphy BP, Prendergast PJ, Huiskes R. Finite element simulation of anisotropic damage accumulation and creep in acrylic bone cement. Eng Fract Mech. 2004;71:513–28.CrossRef Stolk J, Verdonschot N, Murphy BP, Prendergast PJ, Huiskes R. Finite element simulation of anisotropic damage accumulation and creep in acrylic bone cement. Eng Fract Mech. 2004;71:513–28.CrossRef
16.
Zurück zum Zitat Dally JW, Riley WF. Experimental stress analysis. New York: McGraw-Hill; 1965. Dally JW, Riley WF. Experimental stress analysis. New York: McGraw-Hill; 1965.
17.
Zurück zum Zitat Ito H, Tanino H, Yamanaka Y, Nakamura T, Matsuno T. Hybrid total hip arthroplasty using specifically-designed stems for patients with developmental dysplasia of the hip. A minimum five-year follow-up study. Int Orthop. 2011;35:1289–94.CrossRefPubMedCentralPubMed Ito H, Tanino H, Yamanaka Y, Nakamura T, Matsuno T. Hybrid total hip arthroplasty using specifically-designed stems for patients with developmental dysplasia of the hip. A minimum five-year follow-up study. Int Orthop. 2011;35:1289–94.CrossRefPubMedCentralPubMed
18.
Zurück zum Zitat Hertzler J, Miller MA, Mann KA. Fatigue crack growth rate does not depend on mantle thickness: an idealized cemented stem construct under torsional loading. J Orthop Res: Off Public Orthop Res Soc. 2002;20:676–82.CrossRef Hertzler J, Miller MA, Mann KA. Fatigue crack growth rate does not depend on mantle thickness: an idealized cemented stem construct under torsional loading. J Orthop Res: Off Public Orthop Res Soc. 2002;20:676–82.CrossRef
19.
Zurück zum Zitat Kawate K, Ohmura T, Nakajima H, Takakura Y. Distal cement mantle thickness with a triangular distal centralizer inserted into the stem tip in cemented total hip arthroplasty. J Arthroplast. 2001;16:998–1003.CrossRef Kawate K, Ohmura T, Nakajima H, Takakura Y. Distal cement mantle thickness with a triangular distal centralizer inserted into the stem tip in cemented total hip arthroplasty. J Arthroplast. 2001;16:998–1003.CrossRef
20.
Zurück zum Zitat Cristofolini L, Erani P, Bialoblocka-Juszczyk E, Ohashi H, Iida S, Minato I, et al. Effect of undersizing on the long-term stability of the Exeter hip stem: a comparative in vitro study. Clin Biomech. 2010;25:899–908.CrossRef Cristofolini L, Erani P, Bialoblocka-Juszczyk E, Ohashi H, Iida S, Minato I, et al. Effect of undersizing on the long-term stability of the Exeter hip stem: a comparative in vitro study. Clin Biomech. 2010;25:899–908.CrossRef
21.
Zurück zum Zitat Berli BJ, Schafer D, Morscher EW. Ten-year survival of the MS-30 matt-surfaced cemented stem. J Bone Joint Surg Br. 2005;87:928–33.CrossRefPubMed Berli BJ, Schafer D, Morscher EW. Ten-year survival of the MS-30 matt-surfaced cemented stem. J Bone Joint Surg Br. 2005;87:928–33.CrossRefPubMed
22.
Zurück zum Zitat Maloney WJ, Jasty M, Burke DW, O’Connor DO, Zalenski EB, Bragdon C, et al. Biomechanical and histologic investigation of cemented total hip arthroplasties. A study of autopsy-retrieved femurs after in vivo cycling. Clin Orthop Related Res. 1989:129–40. Maloney WJ, Jasty M, Burke DW, O’Connor DO, Zalenski EB, Bragdon C, et al. Biomechanical and histologic investigation of cemented total hip arthroplasties. A study of autopsy-retrieved femurs after in vivo cycling. Clin Orthop Related Res. 1989:129–40.
Metadaten
Titel
Three-dimensional shape optimization of a cemented hip stem and experimental validations
verfasst von
Masaru Higa
Hiromasa Tanino
Ikuya Nishimura
Yoshinori Mitamura
Takeo Matsuno
Hiroshi Ito
Publikationsdatum
01.03.2015
Verlag
Springer Japan
Erschienen in
Journal of Artificial Organs / Ausgabe 1/2015
Print ISSN: 1434-7229
Elektronische ISSN: 1619-0904
DOI
https://doi.org/10.1007/s10047-014-0792-y

Weitere Artikel der Ausgabe 1/2015

Journal of Artificial Organs 1/2015 Zur Ausgabe

Häusliche Gewalt in der orthopädischen Notaufnahme oft nicht erkannt

28.05.2024 Häusliche Gewalt Nachrichten

In der Notaufnahme wird die Chance, Opfer von häuslicher Gewalt zu identifizieren, von Orthopäden und Orthopädinnen offenbar zu wenig genutzt. Darauf deuten die Ergebnisse einer Fragebogenstudie an der Sahlgrenska-Universität in Schweden hin.

Fehlerkultur in der Medizin – Offenheit zählt!

28.05.2024 Fehlerkultur Podcast

Darüber reden und aus Fehlern lernen, sollte das Motto in der Medizin lauten. Und zwar nicht nur im Sinne der Patientensicherheit. Eine negative Fehlerkultur kann auch die Behandelnden ernsthaft krank machen, warnt Prof. Dr. Reinhard Strametz. Ein Plädoyer und ein Leitfaden für den offenen Umgang mit kritischen Ereignissen in Medizin und Pflege.

Mehr Frauen im OP – weniger postoperative Komplikationen

21.05.2024 Allgemeine Chirurgie Nachrichten

Ein Frauenanteil von mindestens einem Drittel im ärztlichen Op.-Team war in einer großen retrospektiven Studie aus Kanada mit einer signifikanten Reduktion der postoperativen Morbidität assoziiert.

TAVI versus Klappenchirurgie: Neue Vergleichsstudie sorgt für Erstaunen

21.05.2024 TAVI Nachrichten

Bei schwerer Aortenstenose und obstruktiver KHK empfehlen die Leitlinien derzeit eine chirurgische Kombi-Behandlung aus Klappenersatz plus Bypass-OP. Diese Empfehlung wird allerdings jetzt durch eine aktuelle Studie infrage gestellt – mit überraschender Deutlichkeit.

Update Chirurgie

Bestellen Sie unseren Fach-Newsletter und bleiben Sie gut informiert.

S3-Leitlinie „Diagnostik und Therapie des Karpaltunnelsyndroms“

Karpaltunnelsyndrom BDC Leitlinien Webinare
CME: 2 Punkte

Das Karpaltunnelsyndrom ist die häufigste Kompressionsneuropathie peripherer Nerven. Obwohl die Anamnese mit dem nächtlichen Einschlafen der Hand (Brachialgia parästhetica nocturna) sehr typisch ist, ist eine klinisch-neurologische Untersuchung und Elektroneurografie in manchen Fällen auch eine Neurosonografie erforderlich. Im Anfangsstadium sind konservative Maßnahmen (Handgelenksschiene, Ergotherapie) empfehlenswert. Bei nicht Ansprechen der konservativen Therapie oder Auftreten von neurologischen Ausfällen ist eine Dekompression des N. medianus am Karpaltunnel indiziert.

Prof. Dr. med. Gregor Antoniadis
Berufsverband der Deutschen Chirurgie e.V.

S2e-Leitlinie „Distale Radiusfraktur“

Radiusfraktur BDC Leitlinien Webinare
CME: 2 Punkte

Das Webinar beschäftigt sich mit Fragen und Antworten zu Diagnostik und Klassifikation sowie Möglichkeiten des Ausschlusses von Zusatzverletzungen. Die Referenten erläutern, welche Frakturen konservativ behandelt werden können und wie. Das Webinar beantwortet die Frage nach aktuellen operativen Therapiekonzepten: Welcher Zugang, welches Osteosynthesematerial? Auf was muss bei der Nachbehandlung der distalen Radiusfraktur geachtet werden?

PD Dr. med. Oliver Pieske
Dr. med. Benjamin Meyknecht
Berufsverband der Deutschen Chirurgie e.V.

S1-Leitlinie „Empfehlungen zur Therapie der akuten Appendizitis bei Erwachsenen“

Appendizitis BDC Leitlinien Webinare
CME: 2 Punkte

Inhalte des Webinars zur S1-Leitlinie „Empfehlungen zur Therapie der akuten Appendizitis bei Erwachsenen“ sind die Darstellung des Projektes und des Erstellungswegs zur S1-Leitlinie, die Erläuterung der klinischen Relevanz der Klassifikation EAES 2015, die wissenschaftliche Begründung der wichtigsten Empfehlungen und die Darstellung stadiengerechter Therapieoptionen.

Dr. med. Mihailo Andric
Berufsverband der Deutschen Chirurgie e.V.