Predicting failure of bone-anchored prostheses for transfemoral amputees using finite element models: a pilot study

Abstract

Für transfemorale Amputationen gelten im Knochen verankerte Prothesen als eine gute Alternative zur standardmäßig durchgeführten Versorgung, durch sogennante Liner. Da eine gute Osseointegration für im Knochen verankerte Prothesen angestrebt wird und damit einhergehend das Bruchrisiko vermindert wird, ist die postimplantations Phase langwierig. Computersimulationen mit Hilfe von Finiten Elemente (FE) Modellen, könnten ein Implantatsversagen anhand von patientenspezifischen Modellen vorhersagen und damit die Rehabilitationszeit und das Risiko eines Implantatversagens reduzieren. Das Ziel dieser Studie war es einen Arbeitsablauf für ein patientenspezifisches FE-Modell einer transfemoral Amputation, welche mit einer gewindebehafteten endokortikal verankerndem Implantat versorgt wird, zu entwickeln. Die Phasen nach der Implantation und nach der Osseointegration wurden modelliert und evaluiert. Weiters wurde eine Parameterstudie durchgeführt, mit welcher die Einflüsse der FE-Modellsimplifikation evaluiert wurden. Quantitative Computertomographie (QCT) Scans, wurden an 24 anatomischen Präparaten humaner Femora durchgeführt. Das Präparat mit der dünnsten mittleren Kortikalis im Knochenschaft (Männlich, 71 Jahre, linkes Femur) und dem damit höchsten Bruchrisiko sowie das Integra OPRA System wurde für die anschließende Studie ausgewählt. Ein Referenz FE-Model wurde generiert, indem die Knochengeometrie aus dem QCT-Scan extrahiert, eine Amputation auf der Höhe von 350 mm generiert und das Implantatsystem virtuell mit Hilfe von CAD (Computer Aided Design) in den distalen Femurschaft eingesetzt wurde. Sowohl das Implantat als auch der kortikale Knochen in der Nähe des Implantats wurden mit nicht-linearem Material modelliert, zusätzlich wurde des Implantatsgewinde mitmodelliert. Die Phase der Postimplantation und Osseointegration wurde mit einem Reibkontakt zwischen Knochen und Implantat sowie einer idealen Verbindung simuliert. Die Parameterstudie wurde mit folgenden Vereinfachungen durchgeführt, (1) entfernen des Implantatsgewindes und (2) dem Verwenden eines rigiden Implantats. Um das Osseointegrations-Potential zu analysieren, wurde das Modell in der Einbeinkonfiguration und einer physiologischen Last von 700 N beaufschlagt und die Mikrobewegung zwischen dem Implantat und dem umgebenden Knochen evaluiert. Um das Bruchrisiko abzuschätzen, wurde die Belastung bis zum Versagen erhöht und die maximale Kraft wurde ermittelt. Zusammenfassend wurde ein Arbeitsablauf für ein patientenspezifisches FE-Modell, welches die Microbewegung sowie die Versagenslast vorhersagt, entwickelt. Für den betrachteten Fall, zeigen die Modelle nach Implantation, bzw. nach erfolgter Osseintegration kaum einen Unterschied hinsichtlich der Versagenslast. In beiden Fällen versagt das Knochen-Implantat System bei 4.6kN. Das Versagen wurde durch die plastische Verformung eines austauschbaren Implantatteils verursacht, welches schwerwiegenden Knochenschaden verhindert. Bei der physiologischen Last von 700N, war die Microbewegung in den Modellen innerhalb der Limits die für eine gute Osseointegration erforderlich sind. Die Parameterstudie zeigte, dass das Weglassen des Gewindes die Versagenslast nicht beeinflusst, die vereinfachte Annahme eines rigiden Implantats hingegen die Ergebnisse stark beeinflusst. In einer weiterführenden Studie könnte das Modell durch experimentelle Daten validiert werden.

Bone anchored prosthetics in transfemoral amputees offer an alternative to standard socket versions. However, the post implantation phase is extensive to ensure proper osseointegration and reduction of fracture risk. Computer simulations with finite element (FE) models could help to predict patient-specific implant failures and thereby reduce rehabilitation time and fracture risk. The goal of this study was to develop a workflow for a patient-specific FE model of a transfemoral amputee, with a threaded, endocortically anchored transfemoral prosthesis. The post-implantation, as well as osseointegrated state was modeled and compared. Further, a parameter study was conducted, evaluating the influence of FE-model simplifications. Quantitative computed tomography (QCT) scans were performed on 24 human cadaveric femora. One specimen (Male, 71 years, left femur) with the thinnest mean corticalis in the shaft region, e.g., highest bone fracture risk, was selected for this study. The implant system used in this study was the Integrum OPRA system that utilizes a threaded boneanchoring implant (all other systems are press-fit systems). A reference FE model was generated by extracting the bone geometry from the QCT scan, creating an amputation at a height of 350 mm and artificially inserting the implant system in the distal femoral shaft using computer aided design (CAD) software. The implant and the cortical bone in proximity to the implant were assigned non-linear material properties and the bone-implant interface was modeled including the threads of the implants. The post-implantation, as well as a fully osseointegrated state were simulated, by defining the bone-implant interface, either using frictional contact or a tie constraint. The parameter study included implant simplification, (1) thread removal and (2) use of a rigid implant. To analyze the potential for osseointegration, the models were loaded in a one-leg stance configuration with a physiological loading of 700 N and the micromotion between implant and the surrounding bone was evaluated. To estimate fracture risk, the load was increased until failure and the maximum force was recorded. In summary, an FE modelling workflow was developed that allows patient-specific prediction of micro-motions and failure loads of osseointegrated implants in transfemoral amputations. For the investigated subject, the osseointegrated and the post-implantation model, hardly showed any differences in terms of their failure loads. In both cases, the bone-implant system failed at 4.6 kN. The failure was caused by yield of the replaceable abutment of the implant, which prevented any substantial damage to the bone. At the physiological loading of 700 N, the micromotion was well below limits required for good osseointegration. The parameter study showed that simplifications of the implant thread geometry do not affect the failure load, but the implant system must not be modelled as a rigid material. In a future study, the model could be validated using experimental data.