Amélioration et évaluation d'une prothèse d'essai acétabulaire à diamètre variable

Dansereau, Mathieu (2010). Amélioration et évaluation d'une prothèse d'essai acétabulaire à diamètre variable. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L'arthroplastie totale de la hanche (ATH) est pratiquée chez les patients présentant une sévère dégradation de la hanche afin de retrouver une mobilité et de réduire les douleurs. Dans le but de réduire les coûts de nettoyage, de stérilisation, d'entreposage et d'acquisition d'instruments chirurgicaux utilisés lors de cette chirurgie, un nouvel insert d'essai à diamètre variable (IEDV) a été conçu. Cet outil est composé d'un mécanisme de déploiement et de pièces interchangeables permettant de modifier ses dimensions et de remplacer 66 inserts d'essai (IE) aux dimensions fixes. L'objectif principal est d'améliorer et d'évaluer la conception d'une solution antérieurement proposée. Les objectifs spécifiques sont d'améliorer le concept afin de le rendre plus fonctionnel, d'évaluer l'amplitude de mouvement permis par l'IEDV et d'évaluer sa résistance mécanique.

Les améliorations apportées à l'IEDV permettent de doubler sa résistance mécanique, d'accroître la fonctionnalité et la précision du mécanisme de déploiement et d'obtenir un système efficace immobilisant les pièces interchangeables. L'amplitude de mouvement de l'IEDV est établie par simulation numérique et validée expérimentalement. L'IEDV présente une amplitude de mouvement constante et en moyenne 5% inférieure à celle des IE conventionnels, laquelle varie en fonction du diamètre de la tête fémorale. La résistance mécanique de l'IEDV est évaluée à l'aide de modèles par éléments finis où trois conditions de chargements sont simulées. La constitution des modèles numériques est validée expérimentalement à l'aide d'essais mécaniques contrôlés sur un prototype de l'IEDV. Les résultats de cette étude suggèrent une résistance mécanique insuffisante de l'IEDV. En effet, certaines pièces, sollicitées en flexion sous l'hypothèse d'un matériau linéaire, affichent des contraintes de 1117 MPa, alors que la limite définie est de 750 MPa. De plus, l'analyse des déplacements de l'IEDV a permis de démontrer qu'il existe une condition de chargement plus sévère que celles définies lors de ce projet.

L'analyse de ces résultats mène à l'élaboration de nouvelles contraintes de conception encadrant la future phase d'optimisation de l'IEDV. De plus, ce projet a permis d'élaborer une méthode d'évaluation de l'amplitude de mouvement et de la résistance mécanique de l'IEDV. Une fois ces méthodes améliorées grâce aux recommandations émises, elles pourront être utilisées lors de la validation de l'IEDV. Enfin, ce projet a mis en évidence le potentiel de l'IEDV et la pertinence de poursuivre son développement afin d'obtenir une solution commercialisable.

Titre traduit

Improvement and evaluation of a variable diameter acetabular trial prosthesis

Résumé traduit

Total hip arthroplasty (THA) is indicated for patients with severe hip degradation in arder to recover mobility and to reduce pain. With intent to reduce cleaning, sterilisation, storing and purchase costs of surgical instruments used during THA, a new variable diameter trial liner (VDTL) has been designed. This tool consists of a deployment mechanism and interchangeable bearing parts allowing the modification of its own dimension. This way, it can replace 66 of the currently used trial liners (TL). The main objective of this thesis is to improve and to evaluate the design of a previously proposed solution. Three specifie objectives are proposed to reach the main objective: 1- to improve VDTL design in arder to improve its functionality, 2- to evaluate the range of motion (ROM) allowed by the VDTL and 3- to evaluate the mechanical strength of the VDTL.

Improvements of the VDTL allow increasing its mechanical strength by a factor of 2, increasing the deployment mechanism functionality and precision and obtaining an efficient bearing parts locking system. ROM was estimated with kinematic simulations and validated from experimental testing. Results show constant VDTL ROM while TLs present a variable ROM in function of femoral head size. Also, VDTL ROM is, on average, 5 % less than conventional TLs ROM. Evaluation of the VDTL mechanical strength was performed with finite element models where three loading conditions were reproduced. The numerical models were validated with experimental mechanical testing on a prototype of the VDTL. Results of this study suggest an insufficient mechanical strength of the VDTL. The weakest part of the VDTL shows bending stresses, under hypothesis of linear material behavior, of 1117 MPa while the established threshold is 750 MPa. Furthermore, the analysis of VDTL displacements during loading revealed the existence of a loading condition more critical than the ones simulated in this project.

The analysis of results leads to the establishment of new design criteria which will manage the upcoming optimisation process of the VDTL. Moreover, this project allowed development of an evaluation method for the VDTL ROM and mechanical strength. Recommendations of this project concern the improvement of this method for the validation of the next generation of DVTL. Lastly, this project underlines the potential of the VDTL and the relevance to continue its development in arder to bring to an end this cutting edge technology.

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 en génie mécanique" Bibliogr : f. [158]-161.
Mots-clés libres:	Arthroplastie de la hanche. Contraintes (Mécanique). Articulations. Amplitude du mouvement. Insert d'essai, résistance mécanique, modèle par éléments finis, prototype.
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Petit, Yvan
Codirecteur:	Codirecteur Fernandes, Julio
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	16 oct. 2012 20:19
Dernière modification:	18 janv. 2017 22:03
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1037

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