Location of Repository

Osseointegrated system for fixation of upper leg protheses

By Pawel Krzysztof Tomaszewski

Abstract

Een beenamputatie betekent een permanente misvorming van het lichaam, met een grote impact op de mobiliteit, mogelijkheden tot werken, de lifestyle en de kwaliteit van leven van patiënten. Prothesesystemen kunnen het functieverlies van het been deels compenseren. Door de grote technologische vooruitgang op het gebied van externe beenprothesen is de functionaliteit van dergelijke systemen sterk toegenomen. Echter, het traditionele principe van een fixatie rondom de amputatiestomp beperkt de revalidatie. Stomppijn, beschadiging van de zachte weefsels, het gebrek aan adequate bewegingscontrole en montageproblemen zijn daarbij veelvoorkomende problemen. Een alternatief voor de conventionele stomp-kokerbevestiging van externe beenprothesen is de directe bevestiging van de prothese aan het bot van de stomp. Deze bevestingsmethode door middel van botingroei wordt vaak aangeduid met de term ‘osseointegratie’. Direct bevestiging van kunstmatige ledematen aan het skelet minimaliseren de huidproblemen en montagemoeilijkheden die zo kenmerkend zijn voor de conventionele kokerfixatie. Deze methode biedt bovendien een betere controle over de prothese en leidt daardoor tot toename van het prothesegebruik, en dus tot hogere mobiliteit van de patiënt bij een lager energieverbruik. Daarom krijgen osseointegratie-implantaten steeds meer klinische en wetenschappelijke aandacht. Uit de literatuur blijkt echter nog steeds dat revalidatie met zo’n implantaat een uitdagende behandeling is. Complicaties zoals botverlies, breuk van bot of implantaat en infecties rond de percutane pin spelen daarbij een grote rol. In Hoofdstuk 1 worden op basis van een overzicht van relevante beschikbare literatuur over osseointegratieimplantaten, de doelen voor het project en de vereisten aan een verbeterd ontwerp geformuleerd. Het eerste doel van dit proefschrift was om de mechanische problemen van de huidige osseointegratie-implantaten te evalueren. In Hoofdstuk 2 zijn twee osseointegratie-implantaten, het OPRA systeem (Integrum AB) en de ISP Endo / Exo prothese (ESKA Implantaten AG) beoordeeld op de kans op het falen van de prothese-bot-interface, zowel in de vroege post-operatieve fase (vóór integratie, net na de implantatie) als na volledige botingroei. Bovendien zijn de veranderde belastings-patronen in het bot en de mogelijke gevolgen daarvan op de lange termijn bestudeerd met behulp van eindige elementen modellen. Hierbij zijn twee experimenteel gemeten belastingen van een normale loopcyclus toegepast. De analyses tonen aan dat de mate van botingroei bij osseointegratie-implantaten een aanzienlijke invloed op de spanningsniveaus en energiedichtheden van het bot rond de prothese hebben. Dit wordt veroorzaakt door het implantaat zelf, maar ook door de veranderde belastingstoestand van het geamputeerde been. Het ISP-ontwerp resulteert in een meer fysiologisch spanningpatroon en een betere energiedistributie (wat gunstig is voor de lange termijn botremodelering), maar het OPRA ontwerp gegenereert lagere botspanningen (minder risico op botbreuken). Beide osseointegratie-implantaten lieten relatief lage mechanische veiligheidsfactoren zien ten aanzien van het breukrisico. leg amputation is a permanent disfigurement, which has a big impact on patients' mobility, professional activity, lifestyle and quality of life. Prosthetic systems allow to overcome a part of the functional loss of the leg. High technological advancement in limb orthotics has increased prosthetic functionality. However, the traditional principle of a fixation around the amputation stump remains a limiting issue in patients' rehabilitation. Stump pain, soft-tissue damage, lack of appropriate control and fitting problems are common complications experienced by socket prostheses users. An alternative solution to the conventional stump-socket attachment of external leg prostheses is to fixate the prosthesis directly to the bone of the remnant of the leg, commonly referred to as fixation by osseointegration. Direct attachment of an artificial limb to the skeletal system allows overcoming skin problems and fitting difficulties characteristic to the conventional socket fixation. Furthermore, it provides a better control of the prosthetic limb and consequently leads to increased prosthetic use, better mobility and lower energy consumption. For those reasons osseointegrated implants gain more clinical and scientific attention. Available literature indicates, however, that rehabilitation with osseointegrated direct fixation implants still remains a challenging treatment due to restraining issues such as: periprosthetic bone loss, bone or implant failures and -infections around the percutaneous pin. In Chapter 1, based on the overview of the available literature about direct fixation implants for amputated patients, goals of the project and requirements for an improved design were formulated. The first goal of this thesis was to evaluate mechanical problems and restricting issues of the current osseointegrated direct fixation implants. In Chapter 2 two percutaneous trans-femoral implants, the OPRA system (Integrum A.B.) and the ISP Endo/Exo prosthesis (ESKA Implants A.G.) were assessed by means of finite element (FE) analysis on the probability of bone failure and stem-bone interface mechanics both early post-operative (before bony ingrowth) and after full bone ingrowth. Moreover, mechanical consequences of implantation of those devices in terms of changed loading pattern within the bone and potential consequences on long-term bone remodeling were studied using finite element models that represented the intact femur and implants fitted in amputated femora. Two experimentally measured loads from a normal walking cycle were applied. The analyses revealed that implantation of percutaneous prostheses had considerable effects on stress and strain energy density levels within the periprosthetic bone. This was caused by the implant itself, but also by changed loading conditions in the amputated leg. The ISP design promoted slightly more physiological strain energy distribution (favouring long-term bone maintenance), but the OPRA design generated lower bone stresses (reducing bone fracture risk). Both percutaneous designs showed relatively low safety factors against mechanical failure.

Topics: Proefschriften (vorm), Elasticiteit; Biomaterialen; Femur; Osseoèintegratie; Fixatie (geneeskunde); Amputatie; Prothesen; orthopedie; reumatologie
Year: 2012
OAI identifier: oai:ub.rug.nl:dbi/506c048e53e88
Download PDF:
Sorry, we are unable to provide the full text but you may find it at the following location(s):
  • http://irs.ub.rug.nl/ppn/35112... (external link)
  • Suggested articles


    To submit an update or takedown request for this paper, please submit an Update/Correction/Removal Request.