António Manuel Godinho Completo ESTUDO NUMÉRICO E EXPERIMENTAL DA BIOMECÂNICA ...

425 Pages·2007·16.23 MB·English

Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica
2006
António Manuel ESTUDO NUMÉRICO E EXPERIMENTAL DA
Godinho Completo BIOMECÂNICA DA PRÓTESE DO JOELHO
Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica
2006
António Manuel ESTUDO NUMÉRICO E EXPERIMENTAL DA
Godinho Completo BIOMECÂNICA DA PRÓTESE DO JOELHO

Tese apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos
necessários à obtenção do grau de Doutor em Engenharia Mecânica, realizada
sob a orientação científica do Doutor José Antonio de Oliveira Simões,
Professor Associado do Departamento de Engenharia Mecânica da
Universidade de Aveiro e co-orientada pelo Doutor Fernando Manuel Pereira
da Fonseca, Professor Auxiliar da Faculdade de Ciências da Saúde da
Universidade da Beira Interior e Assistente Graduado de Ortopedia dos
Hospitais da Universidade de Coimbra.

Apoio financeiro da FCT no âmbito do Programa POCI 2010 do Quadro
Comunitário de Apoio III.

Referência da bolsa:
SFRH/BD/18717/2004

ii
À Susana, à Margarida e à Francisca

iii
o júri

presidente Prof. Doutora Celeste de Oliveira Alves Coelho
Professora Catedrática da Universidade de Aveiro

Prof. Doutor José Joaquim de Almeida Grácio
Professor Catedrático da Universidade de Aveiro

Prof. Doutor José António de Oliveira Simões
Professor Associado da Universidade de Aveiro

Prof. Doutor Renato Manuel Natal Jorge
Professor Auxiliar da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Prof. Doutor Fernando Manuel Pereira Fonseca
Professor Auxiliar da Universidade da Beira Interior

Prof. Doutor Jorge Augusto Fernandes Ferreira
Professor Auxiliar da Universidade de Aveiro

Doutor José Pereira Pinto Noronha
Médico Especialista da Ordem da Trindade

iv
agradecimentos Aos meus pais, Agostinho e Luísa

Ao meu irmão Rui

À Fernanda e ao Júlio

Ao José Simões

Ao Fernando Fonseca

Ao José Grácio

Ao Jorge Andrade

Ao António Ramos

Ao Pedro Talaia

Ao António Louro

À Lídia Carvalho

Ao Carlos Relvas

Ao Nelson Martins

Ao António Festas

À Ana Santos

À Mónica Oliveira

Ao José Pires

Ao Miguel Trinidad

Ao José Figueiredo

A todos que me apoiaram e incentivaram

v
palavras-chave Biomecânica, prótese do joelho, artroplastia do joelho, haste cimentada,
haste não cimentada (press-fit), método dos elementos finitos, stress
shielding, medição experimental de extensões, estabilidade inicial, micro
movimentos, dor, descolamento, reabsorção óssea, validação pré clínica.

resumo Nesta tese foi objectivo estudar os aspectos biomecânicos da prótese do
joelho e a problemática da artroplastia do joelho, nomeadamente a sua
revisão. Para o efeito, diversos estudos biomecânicos sobre hastes da
artroplastia total do joelho foram realizados através de modelos
numéricos e experimentais. Foi seleccionada a prótese do joelho P.F.C.
Sigma Knee System como elemento para a realização do estudo
comparativo das hastes. Foram validados modelos numéricos de
elementos finitos através da comparação das defromações-extensões de
modelos da tíbia e do fémur sintéticos instrumentados com
extensómetros. O estudo referente às hastes usadas na revisão incluiu
as cimentadas e press-fit, tendo-se determinando a repartição de carga,
deformações nas diferentes interfaces, tensões no manto de cimento e
os micromovimentos relativos. Estes parâmetros mecânicos foram
determinados de forma individual para a tíbia e para o fémur e foram
correlacionados com efeitos clínicos como reabsorção óssea,
descolamento e a dor. Os mesmos foram também analisados em
conjunto, determinando-se a influência biomecânica que a haste exerce
sobre o osso contrário. O estudo foi finalizado com uma avaliação pré-
clínica dum novo conceito de implante de fixação combinada aplicado à
haste tibial. Os resultados obtidos evidenciaram que a capacidade de
transferência de carga dos componentes condilianos da prótese do joelho
é somente efectiva com as hastes cimentadas. No entanto, a estabilidade
proporcionada pelas hastes press-fit é superior à proporcionada pelas
hastes cimentadas. A haste press-fit induz deformações mais elevadas
no osso cortical, na zona da extremidade, podendo estas estarem na
origem da dor sentida pelos pacientes. A haste cimentada evidencia um
efeito de stress-shielding mais pronunciado na zona vizinha dos
componentes condilianos; no entanto, as hastes press-fit originam uma
maior extensão deste efeito no osso. Este facto pode ser correlacionado
clinicamente com o efeito de reabsorção óssea associada às zonas
vizinhas dos componentes condilares. Os resultados permitiram
igualmente concluir que a utilização de hastes na tíbia pouco alteram a
estabilidade do componente femoral. Já a utilização de hastes no fémur
aumentam a instabilidade dos componentes tibiais, levando a aconselhar
os cirurgiões à utilização de hastes tibiais sempre que se utilizam hastes
no fémur. O novo conceito de haste adaptado à tíbia evidenciou uma
estabilidade que se situa entre os dois conceitos convencionais, com
uma capacidade efectiva de transferência de carga, minimiza os efeitos
de necrose térmica originados pelo cimento e permite um contacto
directo entre a haste e o osso, facilitando a osteointegração, e evita a
destruição massiva de osso em caso da sua retirada (revisão), quando
comparada com as hastes cimentadas.

vi
keywords Biomechanics, knee prosthesis, cemented stem, press-fit stem, finite element
method, stress shielding, experimental strain measurement, end-of-stem pain,
pre-clinical validation, primary stability, bone resorption, aseptic loosening.

abstract The main objective of this thesis was to study different biomechanical aspects
of the knee prosthesis and revision arthroplasty. Finite element and
experimental studies were performed concerning the use of stems in revision
knee arthroplasty. The P. F. C. Sigma Knee System prosthesis was used within
the study. Numerical finite element models were validated by the measurement
of principal strains on synthetic tibia and femur models. Press-fit and cemented
stems were analyzed and load share, interface strains, cement mantle stresses
and relative micromotions were assessed. These mechanical parameters were
determined solely for the tibia and for the femur and correlated with clinical
effects such as bone resorption, loosening and pain. Same parameters were
also assessed considering the tibia and the femur stems as a set and the
influence of the stem was analyzed over the other bone structure. Finally, a
pre-clinical evaluation of a new combined fixation concept applied to the tibial
stem was made. For this, the results evidence that load transfer capacity of the
condylar components of the knee prosthesis is only effective for cemented
stems. However, press-fit stems provide higher stability. These types of stems
induce higher cortical strains in the distal-tip region of cemented stems, and
can be responsible for pain referred by patients at this region of the stem.
Cemented stem provoke higher stress shielding in the region close to the
condylar components. However, this effect is more extensive in bone and can
be clinically correlated with the effect of bone resorption in the condylar region.
The results also allowed drawing the conclusion that the use of tibial stems
does not change the stability of the femoral component. On the contrary,
femoral stems raise instability of the tibial components, and therefore it is
advisable to use tibial stems if femoral stems are used. The new tibial stem
concept evidenced a degree of stability in between the two conventional stems
analyzed. The novel stem provokes effective load transfer, minimizes bad
effects of thermal necrosis due to cement polymerization and allows direct
bone contact, facilitating potential osteointegration. It also minimizes bone
destruction in revision, when the stem needs to be taken out.

vii
viii
Índice
INTRODUÇÃO 1

1 ARTICULAÇÃO DO JOELHO 5
1.1 As articulações 5
1.2 Ossos da articulação do joelho 7
1.2.1 Estrutura do osso 7
1.2.2 Desenvolvimento do tecido ósseo 8
1.2.3 O fémur 9
1.2.4 A tíbia 10
1.2.5 A patela 11
1.3 Cartilagem 11
1.4 Articulação do joelho 12
1.4.1 Introdução 12
1.4.2 Superfícies articulares 12
1.4.3 Cápsula articular 13
1.4.4 Ligamentos extracapsulares 15
1.4.5 Ligamentos intra-articulares e meniscos 15
1.4.6 Movimentos da articulação do joelho 18
1.4.7 Joelho valgo e varo 18
1.4.8 Lesões da articulação do joelho 19
1.5 Biomecânica da articulação do joelho 20
1.5.1 Introdução 20
1.5.2 Cinemática do joelho natural 21
1.5.3 Forças e momentos na articulação do joelho 27
1.6 Referências 31

2 ARTROPLASTIA TOTAL DO JOELHO 33
2.1 Introdução 33
2.2 A evolução da artroplastia do joelho 35
2.3 Conceitos das próteses actuais 48
2.3.1 Próteses unicompartimentais 49
2.3.2 Próteses fémur-patelares 50
2.3.3 Próteses totais de deslizamento de prato fixo 50
2.3.4 Prótese com componente de polietileno móvel 52
2.3.5 Próteses de restrição varo-valgo 53
2.4 Materiais utilizados nas próteses do joelho 54
2.5 Fixação das próteses do joelho 55
2.5.1 Fixação com cimento 55
2.5.2 Fixação sem cimento 56
2.6 Biomecânica 57
2.6.1 Distribuição da carga medial-lateral 58
ix
2.6.2 Carga patela-femoral 59
2.6.3 Altura da interlinha articular 60
2.6.4 Ligamento cruzado posterior 61
2.6.5 Conformidade 63
2.6.6 Constrangimento 64
2.6.7 Polietileno 64
2.6.8 Ligamento cruzado anterior 65
2.7 Indicações e contra-indicações 65
2.7.1 Artrite Reumatóide 66
2.7.2 Artrose do Joelho 66
2.7.3 Tratamento cirúrgico 68
2.8 Técnica cirúrgica 68
2.9 Complicações 75
2.10 Revisão 78
2.11 Referências 85

3 REGISTOS ORTOPÉDICOS 91
3.1 Introdução 91
3.2 Evolução do número de artroplastias do joelho 92
3.3 Incidência da artroplastia por escalão etário e por género 95
3.4 Principais razões para a realização da artroplastia do joelho 100
3.5 Métodos de fixação usados nas artroplastias 100
3.6 Cimentos ósseos 103
3.7 Uso do componente patelar 104
3.8 Revisão 105
3.8.1 Número de revisões e taxas de incidência 105
3.8.2 Razões para a revisão 107
3.8.3 Factores de influência nas taxas de revisão 108
3.9 Próteses mais utilizadas 112
3.9.1 Modelos mais utilizados 113
3.9.2 Taxas de revisão 116
3.10 Conclusões 120
3.11 Referências 121

4 VALIDAÇÃO DOS MODELOS NUMÉRICOS 125
4.1 Introdução 125
4.2 Tipo de elemento e número de graus de liberdade 127
4.2.1 Materiais e métodos 128
4.2.2 Resultados 133
4.2.3 Discussão 139
4.3 Modelos numéricos e experimentais 140
4.3.1 Introdução 140
4.3.2 Materiais e métodos 142
4.3.3 Ensaio experimental 147
4.3.4 Modelos numéricos 148
x