Master's Thesis

Stress-strain analysis of the femoral diaphysis with defect

Final Thesis 9.02 MB

Author of thesis: Bc. Tomáš Sláčík

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Petr Marcián, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jindřich Šafran

Abstract:

This master’s thesis deals with a stress-strain finite element analysis of the femoral diaphysis with a bone defect after intralesional curettage of a benign bone tumour, filled with bone cement (PMMA) and stabilised by prophylactic osteosynthesis. A finite element model of the femur–cement–implant assembly was created based on the CT data of a real patient. Six model variants were analysed, differing in fixation device (NCB locking
plate vs. intramedullary nail) and cortical window shape (rectangular with sharp corners, rectangular with fully rounded ends, hexagonal with sharp corners). The analysis was performed in ANSYS under static loading corresponding to single-leg stance. The evaluated parameters included von Mises stress in the implants and screws, von Mises strain in cortical bone tissue classified according to Frost’s hypothesis, structural stiffness, and
safety against static failure. The results showed that intramedullary nailing exhibits 3–4 times lower implant stress, higher stiffness, and more uniform load transfer to the screws. Both fixation strategies generate comparable strain distribution in the cortex, with the predominance of the resorption zone being an inherent property of the cemented defect. A rounded cortical window shape reduces stress concentration at the fenestration edges
by approximately 40 %. All variants meet the requirements for static safety.

Keywords:

femur, bone defect, intralesional curettage, bone cement (PMMA), prophylactic osteosynthesis, locking plate, intramedullary nail, finite element method, Frost's hypothesis, stress concentration

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student ve vymezeném čase prezentoval svou závěrečnou práci. Následně byly přečteny posudky vedoucího a oponenta spolu s přiloženými dotazy k závěrečné práci, které byly studentem zodpovězeny. Po zodpovězení doplňujících dotazů bylo přistoupeno k odborné rozpravě. Vzhledem ke komplexnosti celého modelu by bylo záhodno použít submodeling, na vhodném obrázku zkuste jeho použití demonstrovat. Na začátku práce bylo porovnáváno napětí na šroubu a na dlaze, popište oblasti maximálního zatížení. Proč byla použita podmínka HMH a nedošlo použitím této podmínky ke zhoršení kvalitativního popis modelu? Jak porovnáváte různé zátěžné stavy vzhledem k různým materiálům? Jaká je biomechanická výhoda hřebu? Vyjádřit se k provedené citlivostní analýze a konvergenci sítě. Po zodpovězení všech dotazů bylo vystoupení hodnoceno jako: B-Velmi dobře.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Engineering Mechanics and Biomechanics (N-IMB-P)

Specialization

Biomechanics (BIO)

Composition of Committee

prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D. (místopředseda)
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)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Petr Marcián, Ph.D.

Diplomová práce Tomáše Sláčika se věnuje aktuální problematice rekonstrukce traumatických defektů a defektů vzniklých v důsledku nádorového onemocnění diafýzy femuru. Práce je vhodně strukturována a jednotlivé kapitoly na sebe logicky navazují. Provedené analýzy jsou rozsáhlé a metodicky dobře zpracované, avšak jejich prezentace místy působí méně přehledně a místy postrádá dostatečnou míru detailu. Tato skutečnost pravděpodobně souvisí s časovou tísní, do níž se student v závěrečné fázi zpracování práce dostal. Přesto je třeba ocenit jeho samostatný přístup k řešení problematiky a schopnost osvojit si pokročilé techniky 3D skenování i zpracování lékařských CT snímků pro tvorbu výpočtových modelů. Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené 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 A
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Jindřich Šafran

Diplomová práce Bc. Tomáše Sláčíka se zabývá deformačně-napěťovou analýzou diafýzy femuru s defektem vyplněným kostním cementem, přičemž stabilizace femuru je zajištěna dlahou nebo nitrodřeňovým hřebem. Pozitivně hodnotím zpracování CT dat a tvorbu modelů geometrie jednotlivých variant. Práce však obsahuje nadbytečné množství výstupů, v nichž se ztrácí hlavní smysl analýzy. Některé výsledky nejsou dostatečně popsány a není vždy zřejmé, jakou oblast autor vyhodnocuje a proč. Příkladem je obr. 47, u něhož není jednoznačné, zda je zobrazena kortikální tkáň v okolí vstupního či výstupního otvoru šroubu, nebo jiná oblast.

Výrazným omezením je zjednodušení geometrie a kontaktních vazeb. Závity šroubů jsou nahrazeny hladkými válci a spojení šroub–kostní tkáň je definováno jako spojení bonded. Tím není zohledněna méně příznivá varianta mechanické interakce a detailní analýza napětí šroubů ani přetvoření tkáně v jejich okolí má omezenou vypovídací hodnotu. U dlahy autor uvádí definovaný odstup od periostu, konkrétní hodnota ani případný kontakt dlaha–kost však nejsou dostatečně popsány.

Za diskutabilní považuji také prezentaci a analýzu redukovaného přetvoření dle HMH pro klasifikaci kostní tkáně podle Frostovy hypotézy; vhodnější by bylo zvážit intenzitu přetvoření. Není rovněž dostatečně vysvětlen klinický účel analýzy hlavních napětí v kosti a určování součinitele bezpečnosti kostní tkáně. Zatížení 834 N je pouze uvedeno jako odpovídající pacientovi o hmotnosti 85 kg, bez bližšího zdůvodnění této hodnoty.

Závažným nedostatkem je neověřitelný původ koeficientů tření v tab. 3. Odkaz uvedený v citaci [56] odkazuje na zcela nesouvisející článek, takže použité parametry nejsou průkazně doloženy. Současně není zřejmé, kde v modelu je zahrnut kontakt mezi implantátem a spongiózní kostní tkání.

Přestože je patrné, že student odvedl značné množství práce při tvorbě výpočtových modelů i zpracování a analýze výsledků, uvedené nedostatky výrazně omezují jejich průkaznost. Navrhuji hodnocení stupněm D; v případě přesvědčivého zodpovězení doplňujících otázek při obhajobě bych se přiklonil ke stupni C.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod D
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry E
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii E
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací C
Topics for thesis defence:
  1. Jak by se změnilo lokální přetvoření kostní tkáně v okolí šroubu při použití konzervativnějšího kontaktu bez tření namísto spojení bonded?
  2. Uveďte správnou citaci zdroje, ze kterého jste převzal koeficienty tření uvedené v tabulce 3. Na vhodném obrázku vyznačte jednotlivá kontaktní rozhraní a doplňte typ kontaktu a použitý koeficient tření.
  3. Bylo by vhodné využít pro detailní analýzu lokálních napětí a přetvoření metodu submodelingu? Popište stručně princip postupu a způsob přenosu vazeb a zatížení z globálního modelu do lokálního submodelu.

Grade proposed by reviewer: D

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová