Optimization of tibial stem geometry in total knee arthroplasty using design of experiments: a finite element analysis

Abstract

서론: 슬관절 인공관절 전치환술에서는 무균성 해리를 방지하기 위해 경골치환물 주대의 안정성에 중점을 두고 있다. 경골 주대의 형태는 통상적으로 치환물의 안정성을 개선하는 방향으로 고안되었지만, 응력 차폐 및 골 흡수를 줄이기 위한 추가적인 최적화가 필요하다. 본 연구는 실험 계획법을 활용하여 주요 설계 매개변수를 평가하고, 장기적으로 치환물의 안정성과 환자 결과를 향상시키는 최적의 경골 주대 형태를 개발하고자 하였다. 방법: 본 연구에서는 전방익 개념이 추가된 "양익 원통형" 경골 주대 설계를 사용하였다. 또한 아시아인 62세 여성의 CT 영상을 기반으로 무릎의 3D 유한 요소 모델을 생성하였다. 주대 길이, 직경, 날개 각도, 경골치환물 직경 대비 주대 직경 비율과 같은 주요 설계 매개변수의 정의와 분석을 통해 무균성 해리 및 응력 차폐를 최소화하는 데 중점을 두고 실험 계획법을 활용하여 매개변수를 최적화하였다. 결과: 주요 설계 매개변수의 범위를 설정하고, 기존 상용 치환물들과 비교하여 최소 주응력 및 변형 에너지에서 경쟁력 있는 값을 가지는 새로운 경골 주대 모델을 고안하였다. 실험 설계법을 활용한 선별검사를 통해 주대 직경과 길이가 주요 요인으로 확인되었으며, 이를 기반으로 최적화를 진행하였다. 최종 최적화 모델은 주대 직경 12mm, 길이 40mm, 경골치환물 직경 대비 주대 직경 비율 0.61, 날개 각도 60°로 예측되었다. 결론: 응력 차폐 및 무균성 해리를 줄이는 데 있어 주대 직경이 주대 길이보다 중요한 요인임을 확인하였다. 날개 각도와 전방익의 개념은 생체역학적 결과에 미치는 유의미한 영향이 없었다. 최적화된 설계는 주요 요인 간의 균형된 트레이드-오프를 통해 슬관절 인공관절 전치환술 치환물의 장기적인 결과 향상을 얻을 수 있을 것으로 생각된다.

Introduction: Total Knee Arthroplasty (TKA) relies on the stability of the tibial component, particularly the tibial stem, to prevent aseptic loosening, a major cause of TKA failure. Common tibial stem designs have improved implant stability but require further optimization to reduce stress shielding and bone resorption. This study uses Design of Experiments (DOE) to evaluate key design parameters, aiming to develop an optimized tibial stem that enhances long-term implant stability and patient outcomes. Methods: The study employed the "Cylinder with wing" tibial stem design, enhanced with an anterior wing concept. A 3D finite element model of the knee was created from CT images of a 62-year-old female. Key design parameters—stem length, diameter, wing angle, and M/L ratio—were defined and analyzed. The DOE methodology was utilized to optimize these parameters, focusing on minimizing aseptic loosening and stress shielding. Results: The study established boundaries for key design parameters and developed a new tibial stem model, which ranked competitively in both minimum principal stress and strain energy compared to conventional models. DOE screening identified stem diameter and length as dominant factors, leading to further optimization. The final optimized model, with a stem diameter of 12mm, length of 40mm, M/L ratio of 0.61, and wing angle of 60°, demonstrated a significant improvement in performance. Conclusion: The study identified stem diameter as a more critical factor than stem length in reducing stress shielding and aseptic loosening. The exclusion of the wing angle and anterior wing from further optimization was supported by their minimal impact on biomechanical performance. This optimized design effectively addresses the trade-offs between key factors, enhancing the long-term success of TKA implants.