Master's Thesis

Stress-strain analysis of osseointegratable titanium total hip replacement

Final Thesis 10.85 MB Appendix 13.62 MB

Author of thesis: Bc. Eduard Paclík

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Petr Marcián, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jakub Chamrad, Ph.D.

Abstract:

This master’s thesis focuses on the stress--strain analysis of uncemented titanium femoral stems used in total hip arthroplasty. Four variants of the computational model were developed, differing in the geometry of the femoral stem used. The bone structures were reconstructed from anonymized CT data, while the cancellous bone tissue of the femur was considered as a heterogeneous material derived from the CT data. The geometrical models of the femoral stems were obtained by 3D scanning of real implants. The computational model was solved using the finite element method in Ansys® Workbench™ 2025 R2 as a static structural analysis for a loading model corresponding to single--leg stance. The evaluation included total deformation displacements, equivalent stress in the femoral stem, strain in the bone tissue, and micromotion at the stem--bone interface. The results showed that all femoral stem variants satisfied the safety assessment with respect to the elastic limit state. Based on the evaluation of bone tissue strain, variant~3 showed the most favourable response, whereas variant~2 was the most suitable in terms of micromotion. Variant~1 was evaluated as the least favourable. These conclusions must be interpreted in relation to the considered computational scenario, the material properties used, and the defined model of constraints and loading.

Keywords:

total hip arthroplasty, cementless femoral stem, finite element method

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

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. Jak byla určena relativní hodnota BMI a jaká byla použita v práci a proč? Zohledňuje tento parametr velikost pacienta? Jak vidíte možnost praktického využití výsledků? Bylo uvažováno možné vzpříčení v kosti? Po zodpovězení všech dotazů bylo vystoupení hodnoceno jako: A-výborně.

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.

Bc. Eduard Paclík zpracoval diplomovou práci zaměřenou na deformačně-napěťovou analýzu oseointegrovatelných titanových dříků totální endoprotézy kyčelního kloubu. Práce se zabývá aktuální problematikou biomechanického hodnocení implantátů používaných v ortopedické praxi a přináší cenné poznatky o jejich mechanickém chování při zatížení.
Autor při řešení postupoval systematicky a jednotlivé části práce na sebe logicky navazují. Diplomant prokázal schopnost samostatně nastudovat odbornou problematiku, pracovat s relevantní odbornou literaturou a vhodně aplikovat získané poznatky při tvorbě výpočtových modelů a interpretaci výsledků.
K řešení práce přistupoval aktivně a zodpovědně, průběžně konzultoval dosažené výsledky a prokázal vysokou míru samostatnosti při řešení. Oceňuji zejména jeho pečlivý přístup k tvorbě výpočtových modelů a kritické hodnocení získaných výsledků. Předložená diplomová práce splňuje požadavky kladené na závěrečné práce a doporučuji ji k obhajobě.
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 B
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. Jakub Chamrad, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá Deformačně-napěťovou analýzou titanových dříků TEP kyčelního kloubu. Cíle diplomové práce byly podle mého názoru zvoleny vhodně a všechny shledávám za splněny. Některé části řešení byly dokonce nad rámec rozsahu cílů.

Tato diplomová práce je velice zajímavá hned z několika pohledů. Jedná se o vysoce aktuální téma. Navíc, při řešení, které bylo velice pracné, bylo nutné ukázat pokročilou znalost ve více software, především při procesu tvorby modelu geometrie, tak i při pre-processingu samotného výpočtového řešení. Kromě zdatnosti v software bylo pozitivní provedení citlivostní analýzy před samotným řešením. Prezentace výsledků byla dostatečně důkladná, a zároveň přehledná.

Přestože je práce na celkově velmi dobré úrovni, pozitivně nehodnotím úvodní kapitoly. Úvod mě jak obsahem, tak rozsahem neoslovil. Název Kapitoly 2 bych zvolil jiný (např. Anatomie v oblasti kyčelního kloubu). Historický vývoj TEP kyčelního kloubu (Kap. 3.1) je napsána podle jedné jediné práce – uvítal bych více zdrojů a rozsáhlejší ponoření do tohoto tématu včetně uvádění dat, aby bylo zřejmé, o jakých obdobích se bavíme. U popisu osseointegrace (Kap. 3.4) bych preferoval popis vztahující se přímo k TEP kyčelního kloubu. Obrázek pro závity šroubů (které se vřešení této práce nevyskytují), jsou pro účely této diplomové práce méně popisné. Rešerše v Kap. 4 je přehledně rozdělená, ale postrádám podkapitolu, která by se zabývala aktuálními trendy v této oblasti. V závěru bych zvolil jednoznačnější „škálování“ v Tab. 8.3 pro porovnání jednotlivých variant. Z výsledků této tabulky vyplává, že Varianty 2 a 3 jsou „velmi příznivé“. Rád bych se v práci dočetl, která z nich je vhodnější, popřípadě, v čem se může lišit jejich použitelnost?

I přes tyto moje komentáře, které se dají brát spíše jako doporučení než jako nějaká forma kritiky, jednoznačně převažují pozitivní aspekty a tvrdá práce, která je vidět v praktické části diplomové práce. Proto předloženou práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
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 B
Topics for thesis defence:
  1. 1. Jaký typ segmentace byl použit při tvorbě modelu geometrie?
  2. 2. Vzhledem k tomu, že po segmentaci jste měl geometrii celé kosti, zkoušel jste provést řešení pro původní kost bez zavedené TEP?
  3. 3. Řešené Varianty 2 a 3 byly hodnoceny jako „velmi příznivé“. Která z nich je tedy lepší? Dá se nějak rozdělit vhodnost jejich použití pro různé pacienty/podmínky?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová