Dynamic Wear Simulations of Hip Implants for Daily Life Activities

Abstract

Total hip replacement is widely used around the world for patients whose hip joints lost their functionality. Despite its wide applications and technological developments taking place in the recent years, it still does not produce near-perfect results. It has been observed that many patients with implants have their range of motion often restricted. Although there has been literature covering the daily life motion profiles in Western societies, , it has been observed that a through database of activities including sitting, worship, and lifestyles suitable for Middle Eastern societies is non-existent.Therefore, it is difficult to determine the lifespan of implants used especially in these societies and to determine their wear rates with accuracy. In this thesis, I have utilized the first comprehensive database of daily activities of Turkish population, which was formed using the state-of-the-art motion capture (MOCAP) technologies at Biomechanics and Motion Capture Laboratory of IZTECH. The range of motion and reaction force data were calculated using the inverse kinematics and kinetics methods previously. This previously calculated boundary conditions are fed into the finite element models of hip implants to simulate ten distinct daily life activities Asian style sitting, normal walking cycle, obstacle crossing, Stoop lifting, Squat lifting, Ruku' and I'tıdal, Ruku to Sujud, Sujud, Ascending stairs, and Descending Stairs. The dynamic simulations of hip implants under these boundary conditions are performed in this thesis. In this thesis, a computational wear methodology is utilized to assess the wear performance of hip bearing surfaces under these boundary conditions. Each comprehensive computational wear simulations of each of these daily life activities over five million cycles is performed to provide omputational evidence on the wear rates to assess the wear performance of the bearing couple. The wear prediction model could be utilized to provide guidance on the design parameters with the aim of prolonging the life span of hip implants.

Kalça eklemi hareket kabiliyetini kaybeden hastalarda total kalça protezi dünya çapında yaygın olarak kullanılmaktadır. Geniş kullanım alanı ve özellikle son yıllardaki teknolojik gelişmelere rağmen hala mükemmele yakın bir sonuç vermemektedir. Protezi takılan hastalarda hareket kısıtlılığı sıklıkla görülmektedir. Batı toplumlarında günlük yaşamdaki hareket profillerini kapsayan literatür bulunmasına rağmen Ortadoğu toplumlarına uygun oturma, ibadet ve yaşam tarzını içeren kapsamlı bir aktivite veri tabanının bulunmadığı gözlemlenmiştir. Bu nedenle özellikle bu toplumlarda kullanılan implantların ömrünün belirlenmesi ve aşınma oranlarının doğrulukla belirlenmesi zordur. Bu tezde, İYTE Biyomekanik ve Hareket Yakalama Laboratuvarı'nda en son hareket yakalama (MOCAP) teknolojileri kullanılarak oluşturulan, Türk nüfusunun günlük aktivitelerine ilişkin ilk kapsamlı veri tabanından yararlanıldı. Hareket aralığı ve reaksiyon kuvveti verileri daha önce ters kinematik ve kinetik yöntemler kullanılarak hesaplandı. Önceden hesaplanan bu sınır koşulları, on farklı günlük yaşam aktivitesini simüle etmek için kalça implantlarının sonlu eleman modellerine beslenir. Bu aktiviteler Asya tarzı oturma, normal yürüyüş döngüsü, engel geçme, eğilerek kaldırma, çömelerek kaldırma, Ruku' ve İ'tıdal, Ruku'dan Secdeye, Secde, Merdivenleri tırmanma ve Merdivenlerden inme şeklindedir. Bu tezde, bu sınır koşulları altında hip implantların dinamik simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Bu tezde, kalça yatak yüzeylerin bu sınır koşulları altında aşınma performansını hesaplamak için yeni bir hesaplamalı aşınma metodolojisi kullanılmıştır. Beş milyon döngüden fazla bu günlük yaşam aktivitelerinin her birinin kapsamlı hesaplamalı aşınma simülasyonları, yatak çiftinin aşınma performansını değerlendirmek amacıyla aşınma oranlarına ilişkin hesaplamalı kanıt sağlamak için gerçekleştirilir. Aşınma tahmin modeli, kalça implantlarının ömrünü uzatmak amacıyla tasarım parametrelerine rehberlik sağlamak için kullanılabilir.