Étude des mécanismes de sollicitations et de rupture des plaques de compression à verrouillage lors de la marche

La plaque de compression à verrouillage (PCV) est un dispositif médical utilisé pour stabiliser une fracture osseuse pendant le processus de guérison. Lorsque la PCV est installée sur le membre inférieur, cet implant orthopédique est sollicité davantage en raison des charges provenant du poids du patient durant la marche. Une installation adéquate de l'implant est donc recherchée pour créer un environnement propice à la guérison de l'os, tout en limitant les surcharges de l'implant. Dans cette optique, le patient retrouve plus rapidement sa mobilité et évite une longue période de convalescence associée à une mauvaise guérison de l'os ou à un bris de l'implant. Selon la revue la littérature, l'utilisation de la PCV est caractérisée par un taux de complication se situant entre 9 et 20%. Une des complications graves est le bris de l'implant, qui induit souvent une seconde fracture du fémur. Ces bris ont majoritairement été associés à un mécanisme de rupture par fatigue, remettant principalement l'installation de l'implant en cause. C'est pourquoi des études proposent des directives à respecter pour l'installation de la PCV, mais rarement le comportement mécanique de l'implant et celui de la fracture sont intégrés dans la même analyse. De plus, des modèles numériques ont été utilisés à quelques reprises pour quantifier les contraintes dans un implant du membre inférieur. Cependant, la majorité des modèles sont simplifiés à des cas de chargement statique, où seulement le poids du patient est considéré. Les résultats ne sont donc pas adaptés à la résolution des problèmes de bris en fatigue. L'objectif de ce travail est d'évaluer si une modélisation dynamique du cycle complet de marche d'un patient permet de prédire avec plus de réalisme le comportement mécanique de l'assemblage os-PCV. La première étape du projet a été d'étudier le bris réel d'une PCV afin d'identifier le mécanisme de rupture d'un cas type. À l'aide d'analyses chimiques, d'essais de dureté, et d'analyses de la microstructure, il a d'abord été confirmé que le matériau était l'acier inoxydable 316L formé à froid. Les observations visuelles du faciès de rupture de l'implant ont ensuite révélé un mécanisme de rupture par fatigue. De plus, des stries de fatigue ont été observées sur 85% du faciès de rupture, ce qui caractérise un chargement cyclique à faible amplitude. Le nombre de cycles menant au bris a été approximé à 106 selon le nombre de pas du patient pendant 2 ans. En fonction de ce nombre de cycles et des propriétés mécaniques de l'acier inoxydable 316L, la contrainte d'amorçage et de propagation a été estimée à 400 MPa (amplitude de contrainte de 200 MPa à R = 0). En parallèle avec l'analyse fractographique, un modèle par éléments finis de l'assemblage os-implant a permis d'observer que la fissure s'est amorcée dans une zone de contraintes élevées. D'un point de vue ingénierie, les nombreux trous de la PCV, qui permettent une versatilité d'installation, agissent tous comme des concentrateurs de contraintes qui diminuent la résistance en fatigue de l'assemblage. La géométrie ainsi que l'installation doivent être améliorées afin de réduire le risque de bris en fatigue. La seconde étape du projet a été de développer un modèle dynamique pour quantifier les contraintes dans l'implant durant un cycle complet de marche. Un modèle dynamique multicorps flexible de l'assemblage fémur-PCV a été conçu à partir de l'analyse de marche du patient et de la géométrie de l'implant étudié dans la première partie du projet. L'objectif était de reproduire le plus fidèlement possible les conditions de chargement ayant mené au bris. En supplément à ce modèle dynamique, la modélisation statique, décrite dans la littérature, a aussi été appliquée pour produire des résultats comparatifs. Ces résultats ont démontré que la méthode statique sous-estimait la contrainte dans l'implant (76 MPa), alors que la contrainte obtenue avec la méthode dynamique (346 MPa) s'approchait davantage des conclusions de l'analyse de défaillance. La méthode dynamique reproduit plus fidèlement le chargement puisque les couples articulaires et les effets dynamiques sont intégrés dans la modélisation. Cette méthode présente aussi un avantage considérable puisque la contrainte critique associée à la marche est définie sur un cycle complet de chargement. La contrainte maximale a été relevée à 48% du cycle de marche, soit à la fin de la phase d'appui. Cette évolution de la contrainte permettra de calculer plus précisément le nombre de cycles avant la rupture dans une analyse de bris par fatigue. De plus, une étude complémentaire a été effectuée pour observer la sensibilité du modèle dynamique (déformation osseuse de la fracture et contrainte maximale dans l'implant) à une variable critique de l'installation, soit la sélection de la longueur de la plaque par le chirurgien. Cette sensibilité a été étudiée selon quatre longueurs de PCVs, soit 170, 206, 242 et 278 mm. Les résultats ont démontré qu'en passant de la plus courte PCV à la plus longue PCV étudiée, la contrainte maximale dans l'implant augmentait de 20%, alors que la déformation de la fracture diminuait de 24%. Une PCV plus longue reprend donc mieux la charge du patient pendant la guérison, mais engendre un plus haut risque de bris en fatigue. Le développement du modèle dynamique permet d'obtenir des valeurs quantifiables qui indiquent si la méthode d'installation procure un environnement propice à la guérison, tout en tenant compte de la contrainte dans l'implant. La principale conclusion de ce projet est que la modélisation dynamique multicorps flexible permet de retrouver le niveau de contrainte qui correspond avec les observations d'un bris en fatigue d'un implant du membre inférieur. De plus, en intégrant l'étude de la déformation osseuse de la fracture, cette modélisation permet d'évaluer le degré de stabilité associé à la méthode d'installation de la PCV. À long terme, le développement de la modélisation dynamique de l'assemblage fémur-PCV permettra de proposer des directives plus précises sur cette méthode d'installation et de réduire les bris par fatigue des PCVs.

Abstract

The locking compression plate (LCP) is a medical device used to stabilize fractured bone parts during the healing process. Especially for a lower limb fracture, this orthopedic implant has to support the loads from the body weight during gait. In this conditions, an appropriate installation method is required to obtain a successful healing of the bone, while limiting the mechanical overloads on the implant. With that in mind, the patient avoids a long convalescence period associated with an implant failure or an unsuccessful healing process. According to the literature, the complication rate related to LCPs is between 9% and 20%. One of the most severe complication is the failure of the implant, which normally induces a second fracture of the bone. In the majority of the studies, the LCP failure is mainly due to fatigue damage and the installation method is identified as the main root cause of failure. In order to address this challenge, some studies are proposing installation guidelines for LCPs, but the implant and bone mechanical behavior are rarely integrated in the same analysis. In some cases, numerical modeling is employed to compute the stress distribution of a lower limb implant. However, most of these numerical models are simplified to a static loading case, which only considered the patient body weight. Thus, this modeling procedure is not suitable for studying fatigue failure mechanisms. The aim of this project is to evaluate if a dynamic modeling of the patient gait gives a more realistic mechanical prediction of the bone-LCP assembly. The first part of this project was to study a real broken LCP in order to identify its failure mechanism. Chemical analysis, hardness tests, and microstructural analysis confirmed that the implant was manufactured from cold-worked stainless steel 316L. The macro and micro fractographic analyses revealed that the failure mechanism was fatigue. A crack propagated over more than 85% of the implant cross section, which demonstrates that the implant underwent several loading cycles of low stress amplitude. The number of cycles before failure was approximated to 106 according to the patient number of steps over 2 years. From this number of cycles and from the material properties, the crack initiation and propagation stress variation was approximated to 400 MPa (stress amplitude of 200 MPa at R = 0). In addition to the fractographic observations, a finite element analysis of the femur-LCP assembly indicated that the crack initiation site was located in a highly stressed region. From an engineering point of view, the several fixation holes of the LCP give installation versatility but induce stress concentration that results in a low fatigue resistance of the assembly. The implant geometry and installation method could be optimized in order to reduce the risk of fatigue failures. The second part of this project was to develop a dynamic model that computes the implant stress distribution during a complete gait cycle. A flexible multibody dynamic model of the femur-LCP assembly was designed according to the patient gait analysis and the studied implant geometry. The objective was to closely reproduce the loading conditions that led to the LCP failure. For comparison purposes, a static method found in the literature was also employed to compute the stress distribution in the implant. The results showed that this static method underestimates the maximum stress (76 MPa), when compared to the developed dynamic method (346 MPa). This conclusion is supported by the crack initiation stress obtained following the failure analysis, previously performed on the case studied. The dynamic method predicted stresses in closer agreement with the failure analysis because it considers the human joint torques and the dynamic effects characterizing gait. This method also has the advantage of presenting the temporal evolution of stress during a complete gait cycle. The maximum stress was identified at 48% of the gait cycle, which is at the end of stance phase. This fluctuation of the critical stress is mandatory when studying fatigue failures and is necessary to approximate the number of cycles before failure. The last part of the project was to evaluate the sensibility of the dynamic model (bone strain at the fracture and implant maximum stress) to a critical installation variable, which in this project is the selection of the LCP length by the surgeon. It was studied on four LCP lengths: 170, 206, 242 and 278 mm. The maximum stress in the longer plate was 20% higher than the one found with the shorter plate, but the bone strain was 24% lower with the longer plate. Thus, a longer LCP takes more over the body weight loads than the shorter one, but shows a higher risk of fatigue failure. This sensibility evaluation demonstrates that the developed dynamic model predicts measurable values giving indication on the suitability of the installation in terms of healing process and implant stresses. The main conclusion of this project is that the flexible multibody dynamic modeling of a lower limb implant during gait gives a stress distribution that is in agreement with a failure analysis. Moreover, the stability level associated with the installation method of LCP can be evaluated from this dynamic model by characterizing the bone strain at the fracture site, as well as the implant critical stress. The development of the flexible multibody dynamic modeling of the femur-LCP assembly is the basis of future tools development that will assist the design and installation of lower limb implants in order to reduce the fatigue failures.