Ítem
Desconocido
Biomechanical stability assessment of stemless shoulder implants through a validated finite element analysis
Título de la revista
Autores
Morales Urzola, Oswald Leonardo
Fecha
2025-12-09
Directores
Guerrero, Jose Alejandro
ISSN de la revista
Título del volumen
Editor
Universidad del Rosario
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Resumen
La predicción precisa del micromovimiento es fundamental para estimar la fijación inicial del implante, ya que desplazamientos excesivos pueden comprometer la osteointegración y el éxito clínico a largo plazo. Esta tesis evalúa la estabilidad mecánica primaria de implantes de hombro sin vástago mediante un marco de an´alisis por elementos finitos (FEA), con énfasis en el an´alisis de sensibilidad frente a umbrales de segmentación, condiciones de contacto hueso–implante y el comportamiento vectorial del desplazamiento. Para validar el rendimiento computacional, resultados de un estudio previo realizado por Zimmer Biomet fueron utilizados, en este estudio tres humeros cadavéricos fueron implantados con una prótesis sin vástago y sometidos a cargas cíclicas controladas, registrando los micromovimientos mediante un sistema de seguimiento óptico. Los modelos FEA espec´ıficos para cada espécimen se generaron a partir de imágenes de TC, evaluando diferentes umbrales de segmentación y tres condiciones de interfaz: contacto perfecto, espaciado uniforme y espaciado en cuña. Se realizó un análisis de sensibilidad para determinar cómo influye la segmentación (variando el límite de unidades Hounsfield) en la predicción de la mecánica de contacto y la distribución de rigidez. Además, el análisis incorporó no solo los valores escalares de micromovimiento, sino también el comportamiento vectorial completo de los desplazamientos, lo que permitió una comparación más robusta con los resultados experimentales. Este enfoque mostró que, si bien las simulaciones tendieron a subestimar los valores absolutos de micromovimiento, capturaron adecuadamente las direcciones de desplazamiento y la influencia de la morfología de la interfaz. Los modelos mostraron una concordancia aceptable entre los tres especímenes al utilizar un único conjunto de parámetros de material y definiciones de contacto, reflejando una respuesta mecánica coherente a pesar de la variabilidad anatómica. Aunque persisten limitaciones, como la exclusión del comportamiento plástico, el efecto del ajuste de presión y la suposici´on de rigidez en las mediciones experimentales, la metodología propuesta reproduce con ´exito la respuesta biomecánica clave en la interfaz hueso–implante y ofrece una base computacional validada para la evaluacián preclínica de implantes sin vástago.
Abstract
Accurate micromotion prediction is critical for evaluating initial implant fixation, as excessive movement can compromise osseointegration and long-term success. This thesis investigates the primary mechanical stability of stemless shoulder implants using a finite element analysis (FEA) framework, emphasizing the sensitivity of the results to segmentation thresholds, bone–implant gap conditions, and vectorial displacement behavior. To validate computational performance, data from a prior experimental study conducted by Zimmer Biomet were used. In that study, three cadaveric humeri implanted with a stemless prosthesis were subjected to controlled loading, and micromotion was measured using optical tracking. Subject-specific FEA models were constructed from CT images using varying segmentation thresholds and modeled under three interface conditions: Perfect Contact, Uniform Gap, and Wedged Gap. A sensitivity analysis was conducted to assess how segmentation (Hounsfield threshold variation) influences the predicted contact mechanics and stiffness distributions. Furthermore, the analysis incorporated not only scalar micromotion magnitudes but also the full vectorial displacement behavior, allowing for a more robust comparison against experimental measurements. This approach revealed that FEA predictions, while tending to underpredict absolute micromotion values, effectively captured the directional trends of implant displacement and the influence of gap morphology. The models demonstrated acceptable agreement across all three specimens when using a single set of material parameters and contact definitions, indicating a consistent mechanical response despite anatomical variability. However, limitations such as the exclusion of yielding behavior and press-fit mechanics, and the assumption of rigid transformation in experimental measurements, contribute to residual discrepancies. Nonetheless, the presented methodology successfully captures key biomechanical responses at the implant–bone interface and provides a validated computational foundation for preclinical evaluation of stemless shoulder implants.
Palabras clave
Análisis por Elementos Finitos , FEA , Artroplastia de Hombro , Implantes sin Vástago , Modelado basado en Tomografía , Interfaz Hueso–Implante , Relacion Densidad- Elasticidad , Micromovimientos
Keywords
Finite Element Analysis , FEA , Micromotion , CT-Based Modeling , Bone–Implant Interface , Density–Elasticity Relationship
