Sensitivity analysis of a native knee : a numerical study

The knee joint is a fundamental structure of the human musculoskeletal system. The main soft tissues that guarantee the stability of the knee are menisci, cartilages and ligaments. Due to their complex mechanical nature, an accurate description of the behavior of these tissues can be provided only by the computational analysis with a Finite Element Model (FEM). In order to implement an accurate model, a detailed overview about the mechanical behavior of all the knee soft tissues is needed. However, in literature, the mechanical properties and the material models associated with each knee soft tissue are not univocally defined: there is a large variability from a work to another. In this context, the general aim of this work is to develop a 3D FE model of an entire native knee to perform a sensitivity analysis on the effects due to different material models and properties used to model the knee soft tissues. In particular the knee model outputs, such as kinetics and kinematics, will be analysed for the different configurations under a squat task.

L’articolazione del ginocchio è una componente fondamentale del sistema muscolo-scheletrico. I tessuti molli che ne garantiscono la stabilità sono i menischi, le cartilagini e i legamenti. A causa della loro complessa natura meccanica, il comportamento di questi tessuti molli può essere accuratamente descritto solo per mezzo dell’analisi computazionale, con un modello agli elementi finiti. Al fine di implementare un modello accurato, è necessaria una dettagliata ricerca riguardante il comportamento meccanico dei tessuti molli dell’articolazione del ginocchio. Tuttavia, in letteratura, le proprietà meccaniche e i modelli di materiale dei tessuti molli non sono definite univocamente: c’è un'ampia variabilità tra un lavoro e l’altro. In questo contesto, lo scopo generale del presente lavoro è quello di sviluppare un modello 3D agli elementi finiti di un ginocchio fisiologico al fine di condurre un’analisi di sensitività sugli effetti dei modelli di materiale e delle proprietà meccaniche utilizzati per rappresentare i tessuti molli dell’articolazione. In particolare, sono state analizzate la cinetica e la cinematica derivanti dal movimento dell’accovacciamento (squat).