Avaliação da Integridade Estrutural
de uma Prótese Cimentada por Emissão Acústica
Gueiral, N. [1], Nogueira, E. [1], Ramos, A.[2]
[1] Instituto Politécnico do Porto, Instituto Superior de Engenharia, Departamento de Física –
ndg@isep.ipp.pt
[2] Universidade de Aveiro, Departamento de Engenharia Mecânica
Resumo
A ocorrência de falhas no cimento em próteses cimentadas é um dos meca-nismos de insucesso da artroplastia total da anca (ATA). As falhas de fadiga devido ao aparecimento e à propagação de fissuras (cracks) no manto do cimento e na interface prótese/cimento, estão directamente envolvidas no processo de perda da prótese.
O objectivo deste trabalho foi utilizar o fenómeno da Emissão Acústica como teste não destrutivo e não intrusivo na monitorização da integridade de uma componente femural in vitro.
Foi efectuada a colocação da componente femural com todo o sistema de monitorização EA numa máquina de fadiga, tendo sido sujeita a um ciclo de forças aplicadas de acordo com as normas em vigor.
Os sinais de emissão acústica depois de analisados através da Transformada Wavelet (WT) conduziram a um resultado que levantou a hipótese de uma falha na estrutura em estudo.
Pontos de localização de fontes de emissão acústica obtidos pela análise da resposta EA, coincidiram com a existência de uma fissura visualizada pelo teste de diagnóstico complementar por microscopia óptica.
A vantagem dos estudos com emissão acústica reside na possibilidade de monitorizar continuamente as falhas sem ser preciso seccionar a componente femural.
A utilização da transformada Wavelet dos sinais EA na determinação de fissuras na artroplastia total da anca permitiu obter resultados conclusivos, abrindo assim caminho à avaliação pré-clínica e clínica da perda de implantes e outros estudos ortopédicos.
Palavras-chave: Emissão Acústica, Burst, Fissura (Crack), Transformada Wavelet,
Artroplastia Total da Anca.
1. INTRODUÇÃO
A Emissão Acústica é sem dúvida um método dos mais promissores, não só in vivo como
in vitro no diagnóstico ortopédico o qual de preferência deve incluir métodos não destrutivos,
Estudos de Emissão Acústica têm sido realizados desde 1990 em ATA com diferentes objectivos como avaliação de parâmetros de fixação da prótese, de fadiga do cimento e outros.
Os primeiros estudos da integridade da interface cimento metal de uma prótese in vitro com emissão acústica e ultra-som realizaram-se por volta de 1996 (Davies, 1996). Estudos em cimento acrílico e sintético surgem em 2000 (Qi, 2000).
A emissão acústica permite melhorar o conhecimento dos mecanismos na construção ortopédica e realçar mecanismos que não eram detectados com os meios convencionais.
No condicionamento do sinal de emissão acústica é importante utilizar técnicas eficientes de filtragem fazendo a redução do ruído que está misturado com as partes do sinal rela-cionadas com o processo de fractura.
Para isso neste estudo utilizou-se o domínio Wavelet para análise dos transitórios com-pletos dos sinais EA. Os transitórios de sinais AE contêm uma riqueza de informação acerca do processo de fractura e do percurso da onda, o qual não pode ser extraído pelo simples armazenamento de parâmetros tais como tempo do sinal que excede um threshold, tempo de subida ou máxima amplitude, etc.
No presente estudo foi levado a efeito um ensaio de carga em fadiga de uma componente femural in vitro de acordo com Qi (2005) e Ramos (2005) e a monitorização efectuada por emissão acústica.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
No estudo em causa foi utilizada uma componente femural artificial da Sawbones com o modelo comprido 3306 esquerdo de 3ª geração em material compósito, com as seguintes dimensões: a= 485mm, b= 52mm, c= 37mm, d= 120 graus, e= 32mm, f= 93mm e g= 16mm de diâmetro do canal, como se pode verificar na figura 1.
Figura 1 - Componente Femural da Sawbones Figura 2 – Prótese Stanmore. A imagem anterior mostra o canal femural (ao centro), o qual é preenchido com cimento e a prótese. O cimento usado para fixar a prótese Stanmore nº3 (figura 2) foi o CMW3 (mis-tura de polimetil metacrilato com sulfato de bário e sulfato de gentamicina) de alta visco-sidade visto ser o mais usual em todos implantes de próteses cimentadas.
A máquina de fadiga utilizada foi um equipamento dedicado para o efeito de acordo com as normas em vigor (projecto desenvolvido no seio do Grupo de Investigação em Biome-cânica do Departamento de Engenharia MeBiome-cânica da Universidade de Aveiro).
A norma ISO7206 define as condições em que se realiza o teste de fadiga em próteses da anca. A posição da componente femural na máquina de fadiga está representada na figura 3. Como se trata de uma componente femural do lado esquerdo, a imagem mostra um plano visto de trás (parte anterior da componente femural).
Figura 3 - Posição do fémur nos ensaios in vitro de fadiga (Ramos, 2005)
A posição de ensaio do fémur é onze graus (11º) no plano frontal e nove graus (9º) no plano sagital. Para garantir esta posição foi utilizado um suporte que além de permitir a colo-cação da componente femural na máquina de fadiga impunha as inclinações descritas na norma acima citada.
O conjunto formado pela componente femural e o seu suporte foram colocados numa máquina de fadiga onde um veio com pressão controlada exerce tensão numa peça que car-rega a cabeça da prótese. Esta peça consiste num disco de metal colado a uma cavidade cilíndrica em polietileno que fará a simulação do par prótese - acetábulo.
O sistema de aquisição EA usado foi o AMSY5 - Acoustic Emission System da Vallen com 4 canais, um para cada sensor. Foram usados quatro sensores, sendo o sensor 1 o mais próximo da cabeça da prótese e o sensor 4 o mais próximo da cauda da prótese como mostra a figura 4.
A colocação dos sensores na componente femural segue a distribuição cilíndrica (mis-tura entre triângulo e posicionamento "F") usada em corpos cilíndricos como nos apresenta Gang Qi (2005).
Os sensores são do fabricante PAC, Physical Acoustic Corporation, excepto um que é da DAC, Digital Wave Corporation. O sensor da DAC tem modelo B1025 (sensor 1), os sen-sores da PAC tem modelos mu30 (sensor 2) e mu80 (sensen-sores 3 e 4). Todos os pré-amplificadores usados são da PAC, modelo 1220A, com um ganho de 40dB. A configuração dos sensores foi feita no sistema de aquisição, no local de ensaio, e os valores atribuídos aos parâmetros constam da tabela I.
Tabela I – Configuração dos sensores.
Parâmetros Sensores 1, 2, 3 e 4
Threshold (dB) Gain (dB) Rearm Time (ms) Peak Definition Time (µs)
Sample Rate (MHz) Trigger Points Sample Points Sensor Trigger 42 40 0.3008 100 5 150 1024 Normal
Na interface entre os sensores e a componente femural utilizou-se silicone com caracte-rísticas próprias para superfícies de polímeros, com excelente capacidade de conduzir as ondas geradas pelas fontes EA (fissuras) até ao cristal piezoeléctrico dos sensores EA. Para segurar os sensores à componente femural foi usada fita adesiva vulgar.
O ensaio de fadiga efectuado sobre a prótese segue as condições usadas por Ramos (2005) e por Bergman (2000) sendo considerado como o de maior severidade por outros autores (Stolk e Cristofolini, 2002 e 2004).
O ciclo de fadiga da componente femural corresponde a um carregamento de frequência 2.5Hz, com uma amplitude média de 450N. O valor mínimo de amplitude de carga foi de 900N e o máximo de 1800N. O ensaio durou 247343 segundos o que corresponde a 618 433 ciclos (aproximadamente 6 anos e 2 meses de vida activa).
No estudo realizado optou-se pelo processamento do sinal EA por Transformada
Wavelet (WT) uma vez que a análise a partir do sinal completo permite investigações mais
detalhadas tais como informação acerca do tipo de fractura, a sua orientação, a energia libertada e outros parâmetros que descrevem o processo de falha além da localização precisa das fontes EA.
Segundo Axinte et al (2005) os métodos de localização de fontes EA a três e duas dimensões são baseados na triangulação de sensores colocados em diferentes planos da estrutura em análise como mostra a figura 5.
Na imagem anterior a posição do sensor S1 é considerada a origem do sistema de eixos
pelo que x1=0, y1=0, z1=0 logo S1(0,0,0). A intercepção das três superfícies esféricas cen-tradas em cada um dos sensores resulta no ponto P cujas coordenadas definem a localização da fonte EA sendo o raio r a sua distância ao sensor tomado como referência do sistema de eixos. O raio da superfície esférica relativa a cada sensor é a soma do raio r com a diferença do percurso entre o referido sensor e o de referência. A diferença de percurso ∆1,i é calculada com base na diferença dos tempos de chegada ∆t1,i (entre cada sensor e o sensor de referência) e na velocidade de propagação v da onda EA no material, de acordo com as expressões.
€
Δ1,2= v.Δt1,2 (1)
€
Δ1,3= v.Δt1,3 (2)
As variações dos tempos ∆t1,2 , ∆t1,3 , são obtidos pelas expressões:
€
Δt1,2= t1− t2 (3)
€
Δt1,3= t1− t3 (4)
Considerando as coordenadas das posições dos outros sensores S2(x2, y2, z2) e S3(x3, y3, z3) resulta o sistema de equações não lineares constituído por três equações e quatro incógnitas. € x2+ y2+ z2 = r2 (x − x2)2+ (y − y2) 2 + (z − z2)2= (r − Δ1,2)2 (x − x3)2+ (y − y3) 2 + (z − z3)2= (r − Δ1,3)2 (5)
Sendo possível estabelecer uma analogia entre o sistema utilizado por Axinte et al (2005) e o sistema em estudo constituído pela componente femural mais sensores, os cálculos efectuados para localização das fontes EA seguiram este procedimento.
Para efectuar os cálculos de localização das fontes EA (fissuras) segundo Axinte et al (2005) é fundamental obter os tempos de chegada a todos os sensores. Para isso utilizou-se segundo Jiao et al (2004) o processamento do sinal EA através da Transformada Wavelet (WT) e não a análise de parâmetros, garantindo uma maior confiabilidade dos resultados.
3. RESULTADOS E ANÁLISE
Durante o processo de carga da componente femural foram obtidos três conjuntos de eventos EA surgindo o primeiro próximo dos 7500 segundos (aproximadamente duas horas em fadiga), o segundo acima dos 20000 segundos (aproximadamente cinco horas e meio em fadiga) e o terceiro perto dos 55000 segundos (aproximadamente quinze horas e quinze minutos de fadiga).
A figura 6 apresenta um conjunto de quatro imagens relativas ao sensor S1 para o primeiro conjunto de eventos EA. A imagem do canto superior esquerdo mostra o sinal eléctrico obtido no sensor, designado burst. A imagem do canto superior direito apresenta um gráfico dos coeficientes WT em função do tempo. Este gráfico permitiu obter o tempo de
chegada ao sensor, referente à onda gerada numa eventual fissura. Os restantes gráficos representam respectivamente uma representação 2D e 3D da Transformada Wavelet.
Figura 6 – Imagens relativas ao sensor 1.
A mesma análise foi efectuada para os sensores S2 e S3 no mesmo conjunto de eventos EA. O procedimento repetiu-se para os outros dois conjuntos de eventos, cujos valores obtidos dos gráficos estão apresentados na tabela II.
Tabela II – Valores da Transformada Wavelet
Conjunto Eventos Sensor Amplitude (mV) Coeficiente WT Tempo Chegada (µs) 1 (± 7500 s) 1 2 3 1.6 6.5 3.5 0.00210 0.00825 0.00394 11.5 23.5 60.0 2 (± 20000 s) 1 2 3 1.7 6.5 3.6 0.00226 0.00842 0.00401 11.0 24.0 60.0 3 (± 55000 s) 1 2 3 3.6 13.0 6.5 0.00426 0.01452 0.00755 13.5 26.0 59.5
Os valores de amplitude têm um erro máximo admissível de 0.05mV e o tempo de chegada de 0.5µs.
Observando os valores da tabela é possível perceber que apesar dos três conjuntos de eventos EA terem acontecido em horas diferentes durante a carga em fadiga da prótese, os
tempos de chegada dos sinais EA aos sensores são semelhantes o que levanta a possibilidade de ter ocorrido uma falha/fissura (fonte EA) na componente femural.
Observa-se também a subida de amplitude nos eventos EA detectados à medida que o ensaio evoluiu nomeadamente do segundo para o terceiro conjunto, podendo significar que a possível fissura evolui do interior da estrutura para a superfície.
Em cada conjunto de eventos, a amplitude é sempre superior para o sensor 2 seguida do sensor 3 e por fim o sensor 1, o que indica que o sensor 2 está mais próximo (recebe o sinal primeiro) da fonte de emissão acústica (fissura).
Fazendo a triangulação dos sensores segundo Axinte et al (2005) para localização de fontes EA obtiveram-se os valores das coordenadas mostrados na tabela III.
Tabela 3 – Coordenadas da localização da fonte EA. Conjunto de Eventos x(cm) y(cm) z(cm)
1 (± 7500 s) -0.601 -2.556 0.972 2 (± 20000 s) -0.821 -2.473 1.025 3 (± 55000 s) -0.697 -2.611 0.732
Para realizar testes de diagnóstico complementar seccionou-se a componente femural na zona onde estava inserida a prótese metálica. Por microscopia óptica observou-se a irregularidade que mostra a figura 7c). A sequência de imagens microscópicas da figura 8 permite visualizar a evolução da fissura provocada pelo ensaio de carga.
Figura 7 – Irregularidade observada. Figura 8- Imagens microscópicas da fissura (200x)
Observa-se que o material que constitui a prótese tem uma saliência bicuda (parte metálica) como se pode ver na imagem nº1 onde parece ter início a fissura. A fissura não possui paredes bem definidas o que pode ter duas interpretações possíveis, ou seja, já existiam bolhas no cimento ou então o cimento ter cedido aquando da carga do teste em fadiga.
4. CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS
A monitorização por emissão acústica na avaliação da integridade de estruturas tem a vantagem de poder ser efectuada quando esta está sob carga, o que não acontece em outros testes não destrutivos. Esta vantagem é muito importante quando se trata de estruturas orgâ-nicas ou de substituição orgânica como no trabalho que foi desenvolvido.
Os sinais obtidos nos sensores tinham um perfil típico dos sinais burst de emissão acústica, ou seja, boa amplitude, duração e número suficiente de passagens pela linha de
threshold.
Os resultados de emissão acústica indicaram as coordenadas da localização de uma possível fissura ou ruptura do material, a qual coincidiu com pontos da fissura observada pelo microscópio óptico.
Verifica-se ainda que a superfície da prótese metálica deve ser bem polida, uma vez que, ainda que microscópicas, a saliência metálica visível na imagem 1 da figura 8 parece estar envolvida no processo de falha do manto do cimento.
A fissuração do cimento está directamente envolvida no processo de perda de uma prótese quando ocorre a falha de fadiga devido ao ínicio e à propagação de fissuras do manto do cimento e na interface prótese/cimento. A componente femural em causa já tinha sido sujeita a um milhão de ciclos de carga correspondente a 10 anos de vida activa. Os resultados deste estudo mostram que a perda desta prótese ocorreria após mais um ano e dois meses de vida activa.
Agradecimentos
Gostaria de agradecer ao Professor Torres Marques da Unidade de Materiais Com-pósitos do INEGI, assim como ao Rui Oliveira e André Vieira pela ajuda e disponibilidade de empréstimo de equipamento EA. Agradecer também ao Professor José António Simões do Departamento de Mecânica da Universidade de Aveiro, pela ajuda e autorização para realizar os ensaios no Laboratório de Biomecânica.
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