ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
3-ott-2017
2016/2017
L’obiettivo di questo lavoro è stato quello di porre le basi per la realizzazione di un modello computazionale di articolazione di ginocchio che potesse essere in grado di fornire le informazioni necessarie al chirurgo in fase di planning negli interventi di artroprotesi.
Il numero di interventi di protesizzazione è in continua crescita e sembra essere destinato ad aumentare ancora nel corso dei prossimi anni. Sebbene i numeri siano molto grandi, ancora oggi non esistono degli strumenti validi ed affidabili per prevedere gli outcome che una determinata scelta chirurgica comporta sull’esito finale. Questo può provocare, qualora le soluzioni adottate non siano quelle ottimali, un fallimento dell’impianto e quindi un grosso danno per il paziente. Tramite i modelli sviluppati mediante i simulatori computazionali è possibile invece offrire ai clinici un valido strumento, per prendere le migliori decisioni possibili ai fini della buona riuscita dell’intervento. Ciò porterebbe ad una netta diminuzione delle cause di fallimento dell’impianto dovute ad errori di dimensionamento, posizionamento e bilanciamento.
Un intervento di protesizzazione si rende necessario per i pazienti affetti da malattie infiammatorie o degenerative come le artrosi e le artriti, per pazienti soggetti ad osteoporosi o tumori ossei estesi, per pazienti le cui strutture articolari non sono più in grado di garantire la stabilità necessaria all’articolazione. La scelta viene presa in seguito al fallimento di terapie conservative come quelle farmacologiche o fisioterapiche. Il risultato finale è il notevole miglioramento della qualità della vita del paziente operato, che può tornare a svolgere tutte le normali attività quotidiane. Il tipo di protesi da impiantare dipende dalle condizioni in cui versa l’articolazione. Esistono diverse tipologie di impianti, che vengono classificati in varie categorie. Esiste una classificazione a seconda del compartimento sostituito (mono-compartimentale, bi-compartimentale e totale), una classificazione secondo il grado di vincolo (ricoprimento, semi-vincolata o vincolata), una classificazione secondo il tipo di fissazione (cementata, non cementata e ibrida), una classificazione in base al piatto tibiale (mobile o fisso). La buona riuscita dell’intervento dipende anche dalla corretta scelta del dispositivo da utilizzare. Nel corso degli anni, per valutare e testare i diversi dispositivi sono stati costruiti dei simulatori meccanici, di cui l’Oxford-Knee Testing Rig ne è un esempio. Questi consentono di impiantare le componenti protesiche su cadavere e di testarne il comportamento sotto determinate condizioni. Tuttavia, oltre ad essere molto costosi, tali simulazioni sono anche lunghe da svolgere, obbligando a tempi di attesa notevoli prima di avere risultati attendibili. Per questo motivo sono stati sviluppati modelli computazionali dei simulatori reali, che potessero fornire dei risultati più completi, limitando i costi e soprattutto riducendo i tempi. Esistono diversi lavori in letteratura che sono stati pubblicati proprio con l’intento di sviluppare dei modelli computazionali in grado di effettuare analisi cinematiche e dinamiche [24] [27] [28].
In questa tesi si è seguita la strada computazionale, sviluppando un modello di articolazione di ginocchio che potesse essere utilizzato per svolgere analisi cinematiche e dinamiche. Per farlo è stato utilizzato SimWise 4D, un programma che consente di effettuare analisi su forze, spostamenti, momenti, angoli e molto altro ancora, relativi al modello implementato. Per sviluppare questo modello sono stati utilizzati i file CAD provenienti dalla segmentazione da immagini di RMN di tibia fibula e femore, e i file CAD della protesi Vanguard® Posterior Stabilized (PS) Complete Knee System. La Vanguard® è una protesi di ginocchio totale con eliminazione del legamento crociato posteriore. Tramite questi file si è svolta una prima fase di messa a punto dell’articolazione. In particolare sfruttando le constraints, ovvero una funzione di SimWise che consente la creazione di vincoli come molle, cerniere, pattini etc., è stata progettata la struttura legamentosa sia con che senza la presenza dei legamenti crociati, per poter effettuare i test sia su ginocchio fisiologico che su ginocchio protesico. Tuttavia, a seguito dello svolgimento del test di pendolamento (test in cui con la gamba estesa, mediante il controllo di un motore posto in corrispondenza dell’articolazione dell’anca, viene imposta una flessione tala da portare la coscia orizzontale e la tibia ad un angolo di 90°) e di controllo accurato della posizione delle inserzioni dei legamenti, ci si è resi conto che la configurazione ottenuta non rispecchiava il comportamento fisiologico. Si è deciso perciò di passare ad una seconda versione del modello, con un diverso posizionamento dei legamenti e con una diversa caratterizzazione meccanica. In seguito a queste modifiche è stato ripetuto il test di pendolamento, che ha fornito risultati decisamente più soddisfacenti dei primi. Si è deciso quindi di svolgere altri due test qualitativi, il test di pendolamento posteriore e quello di rotazione interna-esterna. Il primo consiste in un’estensione dell’anca fino al raggiungimento della posizione orizzontale, e il secondo nell’applicazione di un momento torcente alla tibia e una valutazione della conseguente rotazione. Entrambi i test hanno fornito risultati soddisfacenti, consentendo così di passare a test quantitativi che fornissero dei valori confrontabili con quelli presenti in letteratura. I test che sono stati riprodotti a questo punto sono stati i test del cassetto (anteriore e posteriore), e il test di varo-valgo. I primi due sono test clinici che vengono svolti per controllare la lassità legamentosa in direzione antero-posteriore, che può essere dovuta ad eventuali danni a carico dei legamenti crociato anteriore (cassetto anteriore) e crociato posteriore (crociato posteriore). Anche i secondi sono test clinici ma valutano la lassità in direzione medio-laterale, tipicamente dovuta al danneggiamento dei legamenti collaterale laterale (test di varo) e collaterale mediale (test di valgo). I risultati ottenuti in questi test sono stati confrontati con alcuni articoli trovati in letteratura e si sono rivelati coerenti, consentendo così di poter ritenere affidabile la configurazione trovata. Si è infine passati alla simulazione tramite un modello computazionale di Oxford-Rig sviluppato nel corso di tesi precedenti. Tale modello riproduce il movimento di squat, situazione che mette sotto forte stress l’articolazione, e utile per valutare il comportamento generale del sistema. In questo caso si è deciso di svolgere le simulazioni con le sole componenti protesiche, per andare a studiare le variazioni che i diversi posizionamenti provocano sul sistema generale. Sfortunatamente però, per via di problemi inerenti ai file CAD delle componenti e al software SimWise, è stato possibile svolgere unicamente il test con diversi gradi di slope posteriore dell’inserto tibiale. Questo perché ancora oggi non si conoscono bene gli effetti che uno slope posteriore più o meno accentuato abbia sulle diverse strutture dell’articolazione. Alcuni studi affermano che un incremento dello slope consenta di raggiungere un maggior grado massimo in flessione [59], altri che aumentare lo slope provochi uno spostamento anteriore dell’inserto, crescente con la flessione [58]. I dati che sono stati considerati più utili per una valutazione e che quindi stati esportati ed analizzati sono: tensioni del legamento collaterale laterale e del collaterale mediale, forza di contatto tra componente femorale e inserto tibiale, spostamento antero-posteriore dell’inserto tibiale rispetto alla componente femorale e angoli di abduzione-adduzione (varo-valgo) e di rotazione interna-esterna. I risultati hanno dimostrato che al crescere dello slope dell’inserto da 0° fino a 4° aumentano anche le tensioni dei legamenti collaterali (sia mediale che laterale) e la forza di contatto tra componente femorale e inserto tibiale. Raggiunti i 6° invece sia le tensioni che la forza diminuiscono, diventando minori anche della configurazione a 0°. Per quanto riguarda lo spostamento antero-posteriore si è visto come questo aumenti con l’aumentare dello slope, tranne negli ultimi gradi di flessione in cui risulta maggiore nella configurazione a 0° e 2°, confermando parzialmente quanto trovato in letteratura [58]. Gli angoli di abduzione-adduzione e di rotazione interna-esterna invece non hanno mostrato alcun cambiamento specifico in relazione all’inclinazione dell’inserto. Per via delle problematiche avute durante le simulazioni non è possibile affermare con assoluta certezza che i risultati ottenuti siano corretti e inconfutabili, e soprattutto non sono sufficienti a giustificare la scelta di utilizzo di uno slope piuttosto che un altro. Il modello sviluppato però può sicuramente essere ripreso e migliorato in futuro, cercando di risolvere quelle problematiche di natura tecnica a cui non si è riuscito a porre rimedio nel corso di questo lavoro. Ulteriore aggiunta potrebbe essere quella dell’analisi ad elementi finiti, possibilità che è integrata all’interno di SimWise e che consentirebbe di andare a valutare non solo i cambiamenti globali che subisce il sistema, ma anche gli sforzi e le deformazioni locali di tutte le singole componenti. Un modello di questo tipo, con integrazione di analisi cinematica, dinamica e agli elementi finiti, si rivelerebbe uno strumento indispensabile e fondamentale nella pianificazione mirata sul paziente, in un intervento di artroprotesi.
The aim of this work has been to lay the foundation for the development of a computational model of the knee joint that could offer to the surgeon all the necessary information during the planning phase of an arthroplasty surgery.
The number of this kind of surgery is rapidly rising, and the predictions suggest that this growth will continue in the next years. Though such large numbers, still today do not exist valuable and reliable tools to predict the outcome that a specific surgery decision will have on the final results. If the adopted solutions are not the optimal ones, the implant could go under a failure and cause enormous damages for the patient. Offering a computational model to the clinicians means a more conscious decision-making process due to the increased number of the provide information. Therefore, this could lead to a reduction of the implant failure caused by human errors in sizing, positioning and balancing of the prosthesis components.
A knee replacement surgery is necessary in patients affected by inflammatory or degenerative diseases such arthrosis or arthritis, in patients with osteoporosis or bone cancer, and more in general in patients with severe instability and painful knee joint. The decision of undergo arthroplasty surgery is taken after the failure of the pharmacological and physiotherapy treatment. The final result of the surgery leads to an improved level in the quality life of the patient, that will be able to manage again all the normal daily activities. There are several types of knee prosthesis, subdivided into various categories. One classification is based on the compartment replaced (mono-compartment, bi-compartment and total), another on the mechanical constraint (unconstrained resurfacing, partially constrained and constrained), another on the type of fixation (cemented or not), another on the type of tibial insert (mobile or fixed). The optimal results of a surgery depend also on the correct choice of the type of prosthesis that must be used. During the years different mechanical simulators have been built for the evaluation and testing of the prosthesis, one of the most famous is known as the Oxford-Knee Testing Rig. With this simulator, the type of prosthesis that must be evaluated is implanted on a cadaveric knee and then are made on it the necessary tests. However, the simulator requires a lot of time and money to perform this kind of tests. It is for this reason that have been developed computational models based on real mechanical simulator. In literature are present several articles, that describe different computational models for the evaluation of the kinematics and dynamics of the knee joint [24] [27] [28].
In this thesis has been developed a computational model of the knee joint that could perform kinematic and dynamic analysis. The software used is SimWise 4D, a program that computes forces, translations, torques, angles and much more generated by the model. In the development of the model has been used CAD files of the tibia, fibula and femur obtained by the segmentation of the MRI images, and CAD files of the Vanguard® Posterior Stabilized (PS) Complete Knee System. Vanguard® is a total knee replacement prosthesis (TKR) with the sacrifice of the posterior cruciate ligament. Using these files has been performed a first preliminary phase of implementation of the knee joint. In particular, with the constraints (a SimWise function to create spring, motor, rigid and revolute joint, linear actuator etc.) have been projected the ligaments structure with and without cruciate ligaments in order to be used with and without the Vanguard® prosthesis. However, after the pendulum test (test where initially the leg is fully extended; then, with a revolute motor constraint applied on the hip, the femur rises until the horizontal position and the tibia oscillates around a 90° angle) and after the evaluation of the position of the ligaments, has been realized that the configuration does not reflect correctly the physiological behaviour and the anatomy of the knee joint. Therefore, a second version of the ligaments structure has been created, with a position of the bundles much more congruent to the anatomy, and a more complete mechanical characterization. The pendulum test has been performed again with definitively better results than the previous ones. At this point other two qualitative tests have been realized: posterior pendulum and internal-external rotation. The first one is a test in which the hip is extended until the horizontal position and the second consists in an application of a torque at the tibia for the evaluation of the generated rotation. Both tests had satisfactory results, allowing the realization of tests with quantitative results, comparable with the literature.
The test implemented has been the anterior and posterior drawer test, and the varus-valgus test with and without prosthesis. Anterior and posterior drawer tests are clinical tests that evaluate the condition of the anterior cruciate ligament (anterior drawer) and posterior cruciate ligament (posterior drawer). Varus-valgus instead evaluate the condition of lateral collateral ligament (varus) and medial collateral ligament (valgus). The results of these tests, compared with the literature, have been considered reliable. At this point, using an Oxford-Rig model developed in previous thesis, has been performed an analysis on the system during the squat movement. In particular, have been studied the changes in the kinematic and dynamic of the knee joint relative to the different position of the components. Unfortunately, due to problems relative to the file CAD used and to the SimWise itself, have been possible to perform only tests with various posterior slope of the tibial insert component. Still nowadays the effects of the posterior tibial slope are almost unknown. Some authors reported that incrementing posteriorly the slope leads to an increase of the maximum degree achievable during flexion [59], others that with an increased posterior slope, the tibial insert moves anteriorly with respect to the femur [58]. Data exported from squat simulation for the evaluation of the joint have been: collateral ligament tension, contact force between femur component and tibial insert, anterior-posterior movement of tibial insert and the abduction-adduction and intra-extra rotation angles. The results have shown that with the increasing of the slope from 0° to 4° degrees there is an increasing of the ligaments tension (both medial and lateral) and of the contact force. Instead at 6° tensions and forces are minor with respect to the other configurations. The A-P movement increase with the slope except for the last degrees of flexion where is major with 0° and 2°, confirming partially the literature [58]. Abduction-adduction and intra-extra rotation did not show any changes for the different configurations. Due to the difficulties occurred during the simulations is not possible to say that the results are completely reliable and also they are not sufficient to justify the choice of a certain slope. This model, however, could surely be improved in the future with the solving of the technical problems occurred. Another addition could be the finite element analysis, that is integrated in SimWise and could allow the evaluation of the local forces and deformations of the different components. This kind of model, with the integration of kinematics, dynamics and finite element analysis would prove to be an essential and fundamental tool in the patient specific planning of a knee arthroplasty.