Selection Methodology of Femoral Stems According to the Cross Section and the Maximum Stresses

Abstract

The maximum stresses on a femoral stem must be known for selecting the right size and shape of the shaft cross-sectional area for reducing the stress shielding effect generated after the total hip arthroplasty (THA) surgical procedure. The methodology proposed in this study provides the tools to the designers of femoral stems and orthopedic surgeons to select the adequate femoral stem cross section, decreasing the stiffness of the stem, thus reducing the stress shielding effect in the patient bones. The first contribution is the theoretical development of the maximum static stress calculation for 12 different femoral stem models with the beam theory, followed by the comparison with the static finite element analysis (FEA) simulations and finally the experimental corroboration of one femoral stem model measuring the strain with linear strain gages and transform it to stresses, the three different approaches provide comparable results, with a maximum average error of less than 8.5%. The second contribution is the formulation of a new selection methodology based on maximum stresses in the femoral stem and the cross section area for decreasing the stress shielding effect, optimizing the area needed for withstand the loads and decreasing the overall stiffens of the stem. Copyright © 2022 by ASME.

Se deben conocer las tensiones máximas sobre un vástago femoral para seleccionar el tamaño y la forma correctos del área de la sección transversal del eje para reducir el efecto de protección contra la tensión generado después del procedimiento quirúrgico de artroplastia total de cadera (ATC). La metodología propuesta en este estudio proporciona las herramientas a los diseñadores de vástagos femorales y a los cirujanos ortopédicos para seleccionar la sección transversal adecuada del vástago femoral, disminuyendo la rigidez del vástago y reduciendo así el efecto de protección contra el estrés en los huesos del paciente. La primera contribución es el desarrollo teórico del cálculo de la tensión estática máxima para 12 modelos diferentes de vástago femoral con la teoría del haz, seguido de la comparación con las simulaciones estáticas del análisis de elementos finitos (FEA) y finalmente la corroboración experimental de un modelo de vástago femoral midiendo la deformación con galgas extensométricas lineales y transformarla en tensiones, los tres enfoques diferentes proporcionan resultados comparables, con un error promedio máximo de menos del 8,5%. La segunda contribución es la formulación de una nueva metodología de selección basada en tensiones máximas en el vástago femoral y el área de la sección transversal para disminuir el efecto de protección de tensiones, optimizar el área necesaria para soportar las cargas y disminuir las rigideces generales del vástago. Copyright © 2022 por ASME.