Effect of Stress Distribution in Designing Reverse Shoulder Prosthesis: A Finite Element Analysis

Abstract

One of the extreme diseases among patients are Rotator cuff tear and degenerative shoulder join, which result in stark pain and shrink performance in shoulder joint. Nowadays, a substitute shoulder is the best way to relieve pain and reestablish stability. A reversed spare shoulder is needed whenever, the substitute shoulder isn’t efficient enough to refurbish the joint. The only difference between those two components is that the reverse replacement is similar to the normal shoulders. For instance, the ball component is positioned to the glenoid and the socket is placed to the proximal humerus. The main reason of the altered anatomy is to provide a greater lever arm for the deltoid muscle to regain active shoulder elevation. Identically to other inventions, reversed replacement has inconvenient, such as loosening in glenohumeral joint and failure of prosthesis at the glenoid attachment area. The main purpose of this thesis is to recognize the probable failures at any of the implant`s components like the glenoid and glenohumeral joint. 3D model of reverse shoulder implant was created using the software SolidWorks in order to perform finite element analysis (FEA). The finite element (FE) analysis has been carried out in this study via ANSYS software to obtain the maximum values for Von Mises stress on each component, in order to evaluate the values and see if the designed component would sustain during the three analyzed movements (abduction, flexion and rotation) for a movement span of 4 seconds. It is hypothesized that the range of motion (ROM) of the shoulder joint is altered with reverse shoulder implant. An investigation is carried out concerning the extent of contact stress to cause wear of the humeral cup in glenohumeral joint. The results show that the maximum stress of the polyethylene made humeral cup happens during abduction, and it can get as high as 26 MPa that exceeds the polyethylene yield strength. This high value of stress Polyethylene would probably wear which can lead to joint loosening of reverse glenohumeral joint. Also according to the obtained results the two screws used in the implementation of the implant (Inferior screw and Superior screw) are the componets with the maximum Von Mises Stress, especially in flexion movement (maximum stress of 134 MPa for superior screw). Almost in all three movements these screws are the most critical component however their maximum stress does not become critical since it does not exceed 15% of the titanium yield strength (neither compressive or tensile). Hence the titanium alloy parts of the implant would not become critical for the design. On an overall conclusion the results shows that in the design of humeral cup, the abduction movement is the key movement since it has the most stress impact on this component, and similarly the flexion movement is the key movement in the design of the baseplate and connection screws. Keywords: Shoulder arthroplasty, Finite Element, Shoulder 3D modeling, Von Mises stress equivalent

Öz: Omuz ağrılarına ve omuz hareketlerinin engellenmesine sebep olan en önemli rahatsızlıklardan biri “Rotator Cuff” yırtılmasıdır. Omuzdaki ağrıları dindirmek ve omuz ekleminin dengesini sağlamak için kullanılan bazı yöntemler vardır. Fakat, birçok tedavinin sonuç vermemesi sebebi ile omuz eklemini tedavi etmek için ters eklem protezine ihtiyaç vardır. Ters omuz protezi de düz omuz protezine benzer şekilde üretilir fakat yalnızca küre kısmı ile oyuk kısım yer değiştirmiş şekildedir. Normal omuz protezinde küre kısmı kol kemiği ve oyuk kısım da kürek kemiği yerine monte edilir. Bunun tam tersi olarak, ters omuz eklemi protezinde küre kısmı kürek kemiği üzerine ve oyuk kısım ise kol kemiği üzerine monte edilmektedir. Ters omuz eklemi protezinin kullanılmasının en büyük amacı omuzu saran delta şeklindeki “Deltoid” kasının kolu kaldırma hareketinde daha aktif rol oynayabilmesidir. Fakat, ters omuz protezinin avantajlarının yanında protezin kaybı ve protez parçalarının kırılması gibi önemli dezavantajlar da görülebilmektedir. Bu tez için yapılan çalışmanın amacı, ters omuz protezinde bulunan kol kemiği ve kürek kemiği arasındaki eklemin ve protez parçalarının kırılma olasılıklarını bulabilmektir. Öncelikle SolidWorks yazılımı kullanılarak üç boyutlu ters omuz protezi modeli oluşturuldu. Daha sonra bu model sonlu elemanlar analizi gerçekleştirmek için ANSYS yazılımına aktarıldı. Ters omuz protezinde bulunan tüm parçalar ile kürek kemiği ve kol kemiğinin de Von Mises stres analizleri yapılıp stres yoğunluğunun dağılımları da incelendi. Protez parçalarının stres analizi kolun üç farklı hareketi altında incelenip, harekete bağlı olarak da stres dağılımları bulundu. Bu sonuçlar ters omuz protezi parçalarının tasarımında değişiklik yapılıp yapılmaması gerektiği konusunda da bizi aydınlatmıştır. Bu çalışmada omuz hareketlerinin parçalar üzerindeki stres dağılımında etkili olabileceği hipotezi ortaya konuldu ve doğruluk payı kanıtlandı. Bunların yanında omuz eklemi arasındaki kontak stres de incelenerek aşınmaya sebep olup olmadığı da bulundu. Elde edilen sonuçlar, UHMWPE kullanılarak üretilen “humeral cup” parçasında oluşan stresin en yüksek değerinin 26 MPa olup “abduction” hareketinde görüldüğü tespit edilmiştir. Bu stress değeri UHMWPE maddesinin mukavemet değerinden daha yüksek olduğu görülmüştür. Bu sonuç, ters eklem protezi takılan kişinin abduction hareketi sırasında “humeral cup” üzerinde oluşan stresin aşınmaya ve protezin kaybına yol açabileceği bulunmuştur. Incelenen diğer hareket olan flexion hareketindeyse, “Inferior screw” ve “Superior screw” parçalarının en yüksek stress altında oldukları bulunmuştur. Incelenen tüm omuz hareketleri içinde en kritik ve kırılmaya eğilimli parçaların da “Inferior screw” ve “Superior screw” oldukları belirlenmiştir. Son olarak, yapılan bu çalışmada, en kritik hareketlerin “abduction” ve “flexion” olduğu ve sırasıyla “humeral cup” ile baseplate ve “Inferior screw” ve “Superior screw” parçalarının kırılmasına neden olabileceği belirlenmiştir. Anahtar Sözcükler: Ters omuz artroplastisi, sonlu elemanlar, omuz modeli, Von Mises stres