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Modélisation et simulation du comportement d'une tige fémorale poreuse

Dumas, Mathieu (2016). Modélisation et simulation du comportement d'une tige fémorale poreuse. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Présentement, la rigidité élevée des tiges fémorales utilisées pour les procédures d’arthroplastie de la hanche fait en sorte qu’il existe une incompatibilité mécanique entre ces implants et l’os avoisinant ceux-ci. Cette incompatibilité peut créer un effet de transfert de charges et réduire significativement la durée de vie des tiges fémorales. Une approche qui peut être utilisée pour réduire l’effet de transfert de charge consiste à fabriquer les tiges en matériaux poreux, beaucoup plus flexibles. Le présent ouvrage traite de la modélisation et la simulation du comportement d’une tige fémorale contenant une région poreuse.

Dans un premier temps, un algorithme a été développé dans l’environnement Matlab afin de modéliser la géométrie de matériaux architecturés avec une cellule unitaire en diamant. L’algorithme a été utilisé pour modéliser et exporter un fichier STL de trois matériaux architecturés ayant une taille de cellule constante de 0.83 mm et des densités différentes, soit de 20%, 42% et 60%. Des analyses avec des éléments finis poutres et solides ainsi que des essais expérimentaux avec des échantillons produits par fabrication additive ont été réalisés afin de caractériser les trois matériaux modélisés. Les rigidités évaluées expérimentalement étaient de 1.61 GPa pour le matériau à 20% de densité puis 7.58 GPa et 20.27 GPa pour les matériaux à 42% et 60% de densité, respectivement.

Une tige fémorale ayant une région poreuse constituée du matériau architecturé à 42% de densité a par la suite été conçue. Un modèle par éléments finis de la tige a été développé et la rigidité de la région poreuse a été définie à l’échelle macroscopique à l’aide des résultats expérimentaux de caractérisation. La tige poreuse ainsi qu’une tige complètement dense ont par la suite été produites par fabrication additive et testées expérimentalement à l’aide d’essais de compression.

Les déplacements à la surface des tiges ont été mesurés à l’aide d’un système de corrélation d’image et comparés aux résultats de simulations à l’aide d’une analyse de validation. Cette dernière a permis de conclure que les valeurs mesurées expérimentalement sont en bon accord avec celles évaluées par la méthode des éléments finis. Finalement, il a été démontré que la tige poreuse conçue dans le cadre de cette étude est environ 30% plus flexible que la tige dense.

Titre traduit

Modeling and simulation of a porous femoral stem

Résumé traduit

Current femoral stems used in arthroplasty procedures are very stiff which can create a mechanical incompatibility with the bone surrounding them. This incompatibility can cause stress shielding which can significantly reduce the life expectancy of the implants. One approach which can be used to reduce stress shielding consists in fabricating the stems from porous materials which are more flexible. The current work describes the modelling and simulation of a femoral stem with a porous region.

First, an algorithm was developed in the Matlab environment in order to model the geometry of a lattice material with a diamond unit cell. The algorithm was used to model and export the STL file of three lattice materials with a constant cell size of 0.83 mm and varying densities of 20%, 42% and 60%. Finite element analyses performed using solid and beam elements as well as tests performed on additively manufactured samples were used to characterise the modelled materials. The stiffness of the 20% dense lattice material was evaluated at 1.61 GPa whereas the stiffnesses for the 42% and 60% dense materials were evaluated at 7.58 GPa and 20.27 Gpa, respectively.

A femoral stem with a porous region made up of the 42% dense lattice material was designed. A finite element model of the stem was developed and the macroscale stiffness of the porous zone was set using the characterization results from the test samples. The porous stem as well as a fully dense stem were then additively manufactured and tested through compression testing. Displacements on the surface of the stems were measured via a digital image correlation system and compared with finite element modelling results through a validation analysis. This analysis confirmed that there is good agreement between the measured and finite element displacements. Finally, the porous stem designed for the study was shown to be approximately 30% more flexible than the fully dense stem.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Bibliographie : pages 75-80.
Mots-clés libres: Prothèses de hanche Conception et fabrication. Matériaux poreux Modèles mathématiques. Matériaux poreux Propriétés mécaniques. Prothèses de hanche Propriétés mécaniques. Impression tridimensionnelle. Titane. Méthode des éléments finis. Essais de compression. Arthroplastie de la hanche. architecture, fémoral, tige, matériau architecturé, fabrication additive, biomécanique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Terriault, Patrick
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 09 janv. 2017 17:17
Dernière modification: 09 janv. 2017 17:17
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1782

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