Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: The knee is the largest, most complicated and incongruent joint in the human
body. It sustains very high forces and is susceptible to injury and disease.
Osteoarthritis is a common disease prevalent among the elderly and causes
softening or degradation of the cartilage and subcondral bone in the joint, which
leads to a loss of function and pain. This problem can be alleviated through a
surgical intervention commonly termed a “knee replacement”. The aim of a knee
replacement procedure is to relieve pain and restore normal function. Ideally, the
knee replacement prosthesis should have an articulating geometry similar to that
of the patient’s healthy knee, and must allow for normal motion. Unfortunately,
this is often problematic since knee prostheses are supplied in standard sizes from
a variety of manufacturers and each one has a slightly different design.
Furthermore, commercial prostheses are not always able to restore the complex
geometry of an individual patient’s original articulating surfaces. This dissertation
shows that there is a significant variation between knee geometries, regardless of
gender and race. This research aims to resolve the problem in two parts: Firstly by
presenting a method for preoperatively selecting the optimal knee prosthesis type
and size for a specific patient, and secondly by presenting a design procedure for
designing and manufacturing patient-specific unicompartmental knee
replacements. The design procedure uses mathematical modelling and an artificial
neural network to estimate the original and healthy articulating surfaces of a
patient’s knee. The models are combined with medical images from the patient to
create a knee prosthesis that is patient-specific. These patient-specific implants are
then compared to conventional implants with respect to contact stresses and
kinematics. The dissertation concludes that patient-specific implants can have
characteristics that are comparable to or better than conventional prostheses. The
unique design methodology presented in this dissertation introduces a significant
advancement in knee replacement technology, with the potential to dramatically
improve clinical outcomes of knee replacement surgery. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die knie is die grootste, mees komplekse en mees ongelyksoortige gewrig in die
liggaam. Osteoarthritis is ’n siekte wat algemeen by bejaardes voorkom en die
versagting of agteruitgang van die kraakbeen en subchondrale bene in die gewrig
tot gevolg het, wat tot ’n verlies van funksionering en pyn lei. Hierdie probleem
kan verlig word deur ’n chirurgiese ingryping wat algemeen as ’n
“knievervanging” bekend staan. Die doel van ’n knievervangingsprosedure is om
pyn te verlig en normale funksionering te herstel. Ideaal gesproke behoort die
knievervangingsprostese ’n gewrigsgeometrie te hê wat soortgelyk aan die pasiënt
se gesonde knie is, en normale beweging moontlik maak. Ongelukkig is dit
dikwels problematies aangesien knieprosteses in standaardgroottes en deur ’n
verskeidenheid vervaardigers verskaf word, wat elkeen se ontwerp effens anders
maak. Verder kan kommersiële prosteses nie altyd die komplekse geometrie van
’n individuele pasiënt se oorspronklike gewrigsoppervlakke vervang nie. Hierdie
proefskrif wys dat daar ’n betekenisvolle variasie tussen knieafmetings is,
afgesien van geslag en ras. Hierdie navorsing is daarop gemik om die problem op
tweërlei wyse te benader: Eerstens deur ’n metode aan te bied om die optimal
knieprostesetipe en -grootte vir ’n spesifieke pasiënt voor die operasie uit te soek,
en tweedens om ’n ontwerpprosedure aan te bied vir die ontwerp en vervaardiging
van pasiëntspesifieke unikompartementele knievervangings. Die
ontwerpprosedure gebruik wiskundige modellering en ’n kunsmatige neurale
netwerk om die oorspronklike en gesonde gewrigsoppervlakke van ’n pasiënt se
knie te bepaal. Die modelle word met mediese beelde van die pasiënt
gekombineer om ’n knieprostese te skep wat pasiëntspesifiek is. Hierdie
pasiëntspesifieke inplantings word dan met konvensionele inplantings vergelyk
wat kontakstres en kinematika betref. Daar word tot die slotsom gekom dat die
pasiëntspesifieke inplantings oor eienskappe kan beskik wat vergelykbaar is met
of selfs beter is as dié van konvensionele prosteses. Die unieke
ontwerpmetodologie wat in hierdie proefskrif aangebied word, stel beduidende
vordering in knievervangingstegnologie bekend, met die potensiaal om die
kliniese uitkomste van knievervangingsoperasies dramaties te verbeter.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:netd.ac.za/oai:union.ndltd.org:sun/oai:scholar.sun.ac.za:10019.1/17942 |
| Date | 12 1900 |
| Creators | Van den Heever, David Jacobus |
| Contributors | Scheffer, C., Stellenbosch University. Faculty of Engineering. Dept. of Mechanical and Mechatronic Engineering. |
| Publisher | Stellenbosch : Stellenbosch University |
| Source Sets | South African National ETD Portal |
| Language | en_ZA |
| Detected Language | Unknown |
| Type | Thesis |
| Format | 191 p. : ill. |
| Rights | Stellenbosch University |
Page generated in 0.0019 seconds