Biomechanical analysis of the knee joint during flexion in native, cruciate deficient and cruciate substitute conditions

Nowadays computational models are widely used to analyse knee kinetics and kinematics under different healthy and pathologic conditions. Moreover, Finite Element Models are useful for the prediction of the effects of degenerative pathologies, traumatic events as well as surgical repair and replacement strategies. This work aims at understanding how much the knee joint function is influenced by the cruciate ligament damages and verifying how the replacement strategies allow to restore the proper mechanical stability of the joint. Therefore, a 3D finite element model of a native knee was developed including the following structures: proximal tibia, distal femur, patella, cartilage, menisci, patellar tendon and collateral and cruciate ligaments. The model was used to simulate an open chain motion of the knee from 0° to 90° in different cases: firstly, a native healthy knee, then a knee with only anterior or posterior cruciate deficient and finally both anterior and posterior cruciate damage. The mechanical behaviour of the deficient ligaments was achieved by decreasing the stiffness parameter by 25% and 50% with respect to the native ligament stiffness. Then, cruciate replacement conditions were simulated. Two replacement strategies were studied: autologous replacement (with native patellar tendon) and artificial (with the LARS synthetic graft). The obtained results were evaluated in terms of tibial internal-external rotation, femoral anterior-posterior translation and contact pressure on the distal femur, proximal tibia and menisci. All the cruciate-deficient conditions presented altered joint kinematics, according to their role in joint kinematics and stability. Whereas the replacement strategies gave results close to native values, showing efficacy in restoring joint mechanical stability. This study provided a better understanding of the joint performances both before and after the reconstructive surgery: starting from a cruciate-deficient condition it is possible to verify the effectiveness of the reconstruction comparing the results with the native control model. Furthermore, the model could be useful for subject-specific predictions of the joint kinematics, providing theoretical basis for the treatment of joint diseases.

Ad oggi i modelli computazionali vengono ampiamente utilizzati per l’analisi della cinetica e della cinematica del ginocchio, sia in condizioni di sane sia patologiche. Inoltre, i modelli a elementi finiti sono utili per la previsione degli effetti di patologie degenerative ed eventi traumatici e per progettare strategie di riparazione e sostituzione chirurgica. Il presente lavoro mira a comprendere quanto la funzionalità dell'articolazione del ginocchio sia influenzata dai danni ai legamenti crociati e a verificare se le strategie di sostituzione permettano di ripristinare la corretta stabilità meccanica dell'articolazione. Pertanto, è stato sviluppato un modello tridimensionale a elementi finiti di un ginocchio nativo, il quale presenta le seguenti strutture: tibia prossimale, femore distale, rotula, cartilagine, menischi, tendine rotuleo e legamenti collaterali e crociati. Il modello è stato utilizzato per simulare la flessione del ginocchio da 0° a 90° in diversi casi: innanzitutto considerando un ginocchio nativo sano, successivamente un ginocchio con carenza del solo crociato anteriore o del solo crociato posteriore e infine un danno ad entrambi i legamenti crociati. Il comportamento meccanico in caso di lassità dei legamenti crociati, è stato ottenuto diminuendo il parametro di rigidezza del 25% e del 50% rispetto alla rigidezza del legamento nativo. Infine, sono state simulate le condizioni di sostituzione del crociato, studiando due diverse strategie di sostituzione: una autologa (mediante il tendine rotuleo) e una artificiale (con un innesto sintetico chiamato LARS). I risultati ottenuti sono stati valutati in termini di rotazione interna-esterna della tibia, traslazione anteriore-posteriore del femore e pressione di contatto sul femore distale, sulla tibia prossimale e sui menischi. Considerando il ruolo dei singoli legamenti nella cinematica e nella stabilità dell'articolazione, tutte le condizioni di deficit del crociato hanno riportato una cinematica articolare alterata. Le strategie di sostituzione hanno dato risultati vicini ai valori nativi, dimostrando efficacia nel ripristinare la stabilità meccanica dell'articolazione. Questo studio ha fornito una migliore comprensione delle prestazioni dell'articolazione sia prima che dopo la chirurgia ricostruttiva: partendo da una condizione di deficit del crociato è possibile verificare l'efficacia della ricostruzione confrontando i risultati con il modello di controllo nativo. Inoltre, il modello ha la potenzialità di prevedere la cinematica paziente-specifica dell'articolazione, fornendo basi teoriche per il trattamento delle patologie articolari.