Comparative analysis of conventional versus patient specific primary TKA implants in valgus knee: a finite element study​

Total knee arthroplasty (TKA) is an effective procedure to treat degenerative knee arthritis, but achieving proper alignment of the prosthesis in the valgus knee joints remains challenging due to their altered biomechanics. Standard implants may not fit both the tibio-femoral and patello femoral joints simultaneously, requiring a surgical compromise to ensure stability and function. This study aims to analyze and compare, using finite element analysis (FEA), the biomechanical behavior of the knee joint under three different implant alignments, including a Genus fixed bearing (FB) posterior stabilized (PS) prosthesis (Adler Ortho, Cormano, Italy) with standard alignment or with 3° of extra-rotation of the femoral component and a patient-specific implant design. Gait and squat motor tasks were simulated. The goal is to determine whether the extra-rotation of the femoral component can achieve a biomechanical behavior similar to the patient-specific option. Computed tomography (CT) images of a patient with a mild 3 ° valgus knee joint, provided by Adler Ortho, were used to reconstruct the 3D geometry through a semi-automatic segmentation process. Using Abaqus/CAE (Simulia, Dassault Systems) software, three finite element models (FEM) have been developed. Material properties were defined according to literature data. Explicit dynamic analyses have been performed for both motor tasks to evaluate patellofemoral and tibiofemoral joints kinetics, focusing on Von Mises stress distribution, contact areas, and contact forces across the three different approaches. For both the examined movements, the analysis revealed no evident differences in the behavior between the patient-specific implant configuration and the model featuring the Genus fixed bearing posterior-stabilized prosthesis with a 3° extra-rotated femoral component in terms of Von Mises stress distribution, contact area, contact force and micro-movements between the tibial component and the tibial bone. The main difference in the patient-specific implant configuration, suggesting its slight optimality, is a more balanced force distribution between the medial and lateral compartments of the insert. In contrast, the standard implant configuration exhibited increased stress on the insert, attributed to a smaller contact area under the same force. Additionally, the squat revealed that the post-cam system in the standard configuration experienced higher stress compared to the other two models. Consequently, the extra-rotated femoral component configuration can be considered a cost-effective alternative to the patient-specific design, offering comparable biomechanical benefits while mitigating the increased stresses observed in the standard prosthesis model.

L’artroplastica totale del ginocchio (TKA) è una procedura efficace per il trattamento dell’artrite degenerativa di questa articolazione, ma ottenere un corretto allineamento della protesi per pazienti affetti da valgismo risulta difficile a causa della loro alterata biomeccanica. Gli impianti standard potrebbero non essere adatti contemporaneamente sia all’articolazione tibio-femorale che patello-femorale, richiedendo un compromesso chirurgico per garantire stabilità e funzione. Questo studio ha lo scopo di analizzare e confrontare, utilizzando l’analisi agli elementi finiti (FEA), il comportamento biomeccanico dell’articolazione del ginocchio in tre diverse configurazioni, tra cui una protesi posteriore stabilizzata (PS) a cuscinetto fisso (FB) Genus (Adler Ortho, Cormano, Italia) con allineamento standard o con 3° di extra-rotazione della componente femorale e un design dell’impianto specifico per il paziente. Per ognuna delle tre diverse configurazioni sono state simulate le attività motorie di cammino e squat. L’obiettivo è determinare se l’extra-rotazione della componente femorale può ottenere un comportamento biomeccanico simile alla configurazione che considera l’utilizzo di impianto specifico per il paziente. Le immagini di tomografia computerizzata (TC) di un paziente con lieve valgismo di 3° dell’articolazione di ginocchio destro, fornite da Adler Ortho, sono state utilizzate per ricostruire la geometria 3D attraverso un processo di segmentazione semi-automatico. Utilizzando il software Abaqus/CAE (Simulia, Dassault Systems), sono stati sviluppati i tre modelli agli elementi finiti (FEM). Le proprietà dei materiali sono state definite in base ai dati della letteratura. Sono state eseguite analisi dinamiche esplicite per entrambe le attività motorie al fine di valutare la cinetica delle articolazioni patello-femorale e tibio-femorale, concentrandosi sulla distribuzione della sollecitazione di Von Mises, sulle aree e sulle forze di contatto nei tre diversi approcci. Per entrambi i movimenti esaminati, l’analisi non ha rivelato differenze evidenti nel comportamento tra la configurazione dell’impianto specifico del paziente e il modello che presenta la protesi posteriore stabilizzata a cuscinetto fisso Genus con una extra-rotazione di 3° della componente femorale in termini di distribuzione dello stress, area di contatto, forza di contatto e micro-movimenti tra la componente tibiale e l’osso tibiale. La principale differenza nella configurazione che considera l’utilizzo dell’impianto specifico per il paziente, che suggerisce una sua leggera ottimalità, è una distribuzione della forza più equilibrata tra i compartimenti mediale e laterale dell’inserto. Al contrario, la configurazione standard dell’impianto ha mostrato un aumento della sollecitazione sull’inserto, attribuita ad una minore area di contatto a parità di forza applicata. Inoltre, l’accovacciamento ha rivelato che il sistema post-cam nella configurazione standard ha subito un maggiore stress rispetto agli altri due modelli. Di conseguenza, la configurazione che considera l’utilizzo della protesi standard ma con com ponente femorale extra-ruotata può essere considerata un’alternativa economica al design specifico per il paziente, offrendo vantaggi biomeccanici comparabili e attenuando le maggiori sollecitazioni osservate nel modello standard di protesi.