Master's Thesis

Stress and deformation analyses of the trapeziometacarpal joint with shape deviations

Final Thesis 14.58 MB

Author of thesis: Ing. Aneta Cahová

Acad. year: 2024/2025

Supervisor: doc. Ing. Vladimír Fuis, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jaroslav Kovář, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis focuses on the stress-strain analysis of a total trapeziometacarpal (TMC) joint replacement of the human thumb. The objective was to assess the impact of manufacturing deviations on the mechanical behavior of the implant and adjacent bone tissue. A computational model incorporating the implant, bone structures, and selected ligaments was created based on real component geometry. Five loading scenarios representing physiological thumb movements were simulated using the finite element method.
The analysis included overall displacements, ligament forces, contact pressures, stress distribution in the cup, and strain in the cancellous bone of the trapezium. Dimensional deviations most significantly affected contact conditions and first metacarpal kinematics, while strain in bone tissue and ligament loading remained nearly constant. The results provide a detailed insight into the mechanical response of the joint replacement and offer a basis for further implant design optimization and improved understanding of its clinical performance.

Keywords:

trapeziometacarpal joint, total, dual mobility, finite element method, stress-strain analysis, manufacturing deviations

Date of defence

09.06.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Studentka ve vymezeném čase prezentovala svoji závěrečnou práci. Poté byly předneseny posudky a zodpovězeny dotazy oponenta. Následně byly pokládány další otázky vztahující se k diplomové práci: Záleží pro použitou hypotézu na rozložení zatížení v čase? Byly výsledky nějak interpretovány pro klinickou praxi? Odkud byla vzata hodnota zatížení? Jak na náhradách při výrobě vznikají odchylky? Po zodpovězení všech dotazů bylo vystoupení hodnoceno jako výborné.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Engineering Mechanics and Biomechanics (N-IMB-P)

Specialization

Biomechanics (BIO)

Composition of Committee

prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (člen)
prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Florian, CSc. (člen)
prof. RNDr. Matej Daniel, Ph.D. (člen)
Ing. László Iván, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (místopředseda)

Supervisor’s report
doc. Ing. Vladimír Fuis, Ph.D.

Téma diplomové práce je z oblasti biomechaniky a jejím autorem je MUDr. Trtík z nemocnice v Havlíčkově Brodě. Jedná se tedy o řešení aktuálního problému z klinické praxe, pro které bylo využito výpočtové modelování. Po úvodu a kvalitně zpracovaných rešerších, ve kterých mi trochu chybí zmínka o výrobních odchylkách, jejichž vliv je hlavním cílem DP, se diplomantka zabývá tvorbou výpočtového modelu. V práci se zabývá i citlivostní analýzou hustoty diskretizace na výsledky výpočtového modelování. Celkem vytvořila 20 variant, které se lišily typem zatížení a velikostí radiální vůle mezi kontaktními plochami. Analýzy získaných výsledků jsou provedeny velmi detailně a na vysoké úrovni. Závěr práce je napsán stručně a výstižně.

Práce v rozsahu 69-ti stran je napsána srozumitelně s minimem překlepů, má vhodnou a jasnou strukturu. Jediným problémem byla skutečnost, že práci řeší s přestávkami již několik let a komunikace s vedoucím nebyla kontinuální. Nejčetnější komunikace nastala v týdnu, kdy se DP odevzdávala (do té doby jsem viděl pouze prezentace)- první finální části DP jsem obdržel 20. 5., pokračování následovalo 22. 5. a v den odevzdání DP (23. 5.) jsem před polednem obdržel „část analýzy výsledků“.

Celkově lze říci, že diplomová práce splnila všechny cíle a proto ji doporučuji k obhajobě a hodnotím stupněm „A-“.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jaroslav Kovář, Ph.D.

Předložená práce se zabývá napjatostně deformační analýzou totální náhrady trapéziometakarpálního kloubu se zahrnutím tvarových odchylek kontaktních ploch. Rešeršní část se věnuje anatomii ruky se zaměřením na trapéziometakarpální kloub a dále popisu nejčastěji používaných náhrad. Rešeršní část je zdařilá, studentka v ní porovnává údaje z velkého počtu zdrojů. Bylo by ovšem vhodné přidat alespoň stručnou kapitolu věnující se tvarovým odchylkám, které mohou nastat při výrobě náhrady.

Následuje část, ve které studentka podrobně představuje výpočtový model. Výtku bych měl k aplikaci okrajové podmínky vetknutí na celý povrch druhého metakarpu. Tato okrajová podmínka znemožňuje jeho deformaci, což může ovlivnit napnutí vazů vIML a dIML. Vzhledem k tomu, že se jedná o srovnávací analýzu a deformace metakarpu bude malá, není vliv použité okrajové podmínky významný. Nicméně v kapitole věnující se síti studentka uvádí, že použitá síť jen těsně splňuje zvolené kritérium přesnosti a další zjemnění vede k významnému nárůstu výpočetního času. Nabízí se tedy otázka, proč studentka nemodelovala metakarpál pouze zjednodušeně, případně na něm nevytvořila ještě hrubší síť.

V analýze výsledků studentka porovnává výpočty s různými tvarovými odchylkami a určuje, které veličiny jsou tvarovými odchylkami ovlivněny. Studentka správně zdůvodňuje nepřesné hodnoty napětí a kontaktních tlaků v místech skokové změny tuhosti, dále je ovšem uvádí v tabulce srovnávající výsledky bez toho, aby uvedla i maximální hodnotu kontaktního tlaku mimo tuto oblast.

Práce je psána srozumitelným jazykem téměř bez překlepů s použitím několika nepřesných pojmů (např. redukované napětí je označováno jako ekvivalentní). Práce je na dobré grafické úrovni, vytknout lze chybějící legendu na obrázku 7.1 a to, že některé porovnávané výsledky by mohly být vykresleny ve stejné barevné škále.

Vzhledem k výše uvedenému a tomu, že cíle práce byly splněny doporučuji tuto práci k obhajobě a navrhuji hodnocení stupněm B.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Axiální zatížení je aplikováno jako síla působící v remote pointu a dále pomocí momentů, které kompenzují moment vzniklý vyosením síly. Bylo by možné upravit okrajovou podmínku tak, aby tyto momenty nebylo nutné používat?
  2. Mohla by studentka uvést maximální hodnoty kontaktních tlaků v tabulce 7.3 bez hodnot ovlivněných skokovou změnou tuhosti?
  3. Na obrázku 7.12 je znázorněna přetěžovaná tkáň při maximálním zatížení. Bylo by možné vykreslit tento obrázek v řezu tak, aby bylo patrné, do jaké hloubky je spongiózní tkáň přetěžována?
  4. Pro výpočty byl použit předpoklad malých deformací. Mohla by studentka na výsledcích přetvoření zdůvodnit, zda bylo možné tento předpoklad použít?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová