Analisi comparativa di diversi modelli di protesi di ginocchio mediante simulazione dinamica

The purpose of the present thesis work is to compare several knee prosthesis models, in order to investigate the parameters determining the loads and the movements during the movement of flexion-extension, through the usage of a computational simulator, developed by SimWise 4D software. Such investigation allows the understanding of how the anatomic structures change depending on the prosthesis device or on the surgical technique, and to give a preliminary evaluation, which otherwise, would be possible only during the surgery.The further studies were conducted on the effects that may be caused by a different cut of the femoral bone in the surgical implant. During surgery, the decision on the amount of the femur to be removed is taken by the surgeon, depending on his experience. Two simulations were performed, cutting the bone in the vertical direction. It was found that a lower bone removal causes a higher stress in the ligaments and by increasing the amount of the removed femoral bone, a lower force of the ligaments is developed. Other simulations were performed to study the movement of the prosthetic (tibial and femoral) components in the antero-posterior direction.Moreover, the behavior of four different prototypes of prosthesis placed in the simulator computational with different geometries and characteristics was investigated: the model LKS, G1, Multigen Plus CR with preservation of the posterior cruciate ligament, while the model and Multigen Plus PS with removal of this ligament.The parameters analyzed in each simulation are: angles Grood & Suntay (angles of flexion, abduction, external rotation), the tension of popliteal ligament, the tension of medial collateral ligament, the tension of lateral collateral ligament, the tension of capsule front side, the tension of posterior cruciate ligament and the strength of the tibial component. Finally was evaluated displacement of the femoral condyles on the insert tibial. This procedure has some limits because of the lack of specific description of coordinate system, loads applied, ligaments attachments or motion law. Results were found to be in agreement with literature data, in spite of limits described before.

Scopo di questa tesi è di effettuare un’analisi comparativa di diversi modelli di protesi di ginocchio e per studiare gli elementi che ne determinano le sollecitazioni ed i movimenti durante il movimento di flesso-estensione, grazie all’utilizzo di un simulatore computazionale realizzato con il software SimWise4D. Questa valutazione risulta utile per comprendere come le strutture anatomiche si modificano in base alla scelta del dispositivo protesico o della tecnica chirurgica, permettendo una valutazione preventiva dell’esito che avrebbe l’intervento. Si sono svolti approfondimenti riguardanti gli effetti che potrebbero essere causati da un differente taglio dell’osso femorale in sede di impianto, poiché la decisione sulla quantità di femore da asportare è presa dal chirurgo sulla base della sua esperienza in sala operatoria. Sono state effettuate due simulazioni per il taglio dell’osso in direzione verticale: la minore asportazione provoca una maggiore tensione dei legamenti e viceversa. Altre simulazioni sono state eseguite per studiare lo spostamento delle componenti protesiche in direzione antero-posteriore. Si sono confrontati i comportamenti di quattro diversi prototipi di protesi, con differenti geometrie e caratteristiche, realizzati da primaria azienda produttrice. Il modello LKS, G1, Multigen Plus CR, con conservazione del legamento crociato posteriore, mentre il modello e Multigen Plus PS, con rimozione di tale legamento. I parametri analizzati in ciascuna simulazione sono: gli angoli di Grood & Suntay (angoli di flessione, abduzione, rotazione esterna); la tensione dei seguenti legamenti: popliteo; collaterale mediale e laterale, crociato posteriore (anteriore viene invece rimosso); della capsula laterale anteriore e della forza su componente tibiale. Infine è stato valutato lo spostamento dei condili femorali sull’inserto tibiale. Questo metodo presenta dei limiti, poiché negli studi in letteratura spesso non vengono descritti i sistemi di riferimento, i carichi applicati, la collocazione dei legamenti o le leggi che regolano il moto. I risultati ottenuti sono stati concordi con quanto presente in letteratura, seppure con i limiti evidenziati sopra.