Biomechanical effects of different varus valgus alignments in unicompartimental knee arthroplasty : a finite element analysis

Osteoarthritis (OA) is the most common joint degeneration disease and affects a large part of the elderly population. If OA is limited to only one compartment of the knee joint, usually the medial, a Unicompartmental Knee Arthroplasty (UKA) can relieve joint pain and restore function for properly selected patients. Unicompartmental knee prosthesis are not always positioned following a neutral mechanical alignment, but 3° varus alignment is also suggested based on several clinical follow-up studies. No biomechanical outputs is currently available to justify the effectiveness of an alternative change in the varus/valgus alignments of UKAs with respect to the neutral alignment. For these reasons, this project aims to investigate the possible changes in the bone-stress distribution, in the collateral and cruciate ligaments strains, in the polymeric tibial insert due to different varus/valgus alignments for a UKA implanted in the same patient under daily activity conditions. Firstly, a 3D healthy knee model has been reconstructed using Magnetic Resonance Imaging (MRI) and Computed Tomography (CT). Subsequently, the unicompartmental knee prosthesis has been virtually implanted in the Finite Element model following the surgical procedure. The following configurations have been replicated in this study: 6° varus, 3° varus, 0°, 3° valgus, 6° valgus. All the varus/valgus positions have been compared to the neutral mechanical alignment (0°) and to the native knee configuration. The load distribution between the lateral and medial compartments of the knee in the numerical simulations with the native knee approximated the distribution found in literature whilst it considerably changes compared to the intact knee conditions when a UKA is implanted, independently by the alignment. Every configuration after UKA ended with a valgus deformity due to the change of stiffness induced by the implant that redistributes the load between the medial and lateral compartments of the knee following UKA. The deformity induced by loading had two consequences, as confirmed by the outcomes of the UKA simulations: firstly, the percentage of load that was transferred in the lateral compartment increased; secondly, the strain in the anterior MCL and posterior MCL raised and the strain in the LCL decreased. Hence, when a surgeon balances a knee during UKA in an unloaded state, the knee will no longer be balanced once it is loaded. Stresses on the polymeric insert change in function of the UKA position with lowest average and maximal values for the neutral mechanical and 3° varus alignments. All the other configurations induce an increase (up to 30%) of the stress. Due to the higher concentrated stress values in the tibial bone and in the polymeric insert, the 3° valgus and 6° valgus and 3° varus configurations could lead respectively to pain and to early wear. Based on these biomechanical outputs, the suggested UKA position should be between the neutral mechanical axis up to 3° varus.

L’articolazione del ginocchio è molto sollecitata ed esso potrebbe risultare affetto da artrosi, una malattia degenerativa delle articolazioni legata al progressivo deterioramento ed usura della cartilagine articolare. La forma più comune di artrosi è l’osteartrosi, la quale colpisce una gran parte della popolazione in età avanzata. Se l’osteoartrosi è limitata a solo un compartimento del ginocchio, l’Artroplastica Monocompartimentale del ginocchio (UKA) può alleviare il dolore e restituirne la funzionalità, nel caso di pazienti propriamente selezionati. Il presente studio si focalizza sugli effetti biomeccanici di un posizionamento varo o valgo di una protesi monocompartimentale di ginocchio in un modello paziente-specifico. Le protesi monocompartimentali di ginocchio non sono sempre impiantate con un allineamento meccanico neutro, ovvero posizionando la protesi perpendicolare all’asse meccanico della tibia; l’allineamento di 3° varo del componente tibiale viene spesso adoperato basandosi su numerosi follow-up clinici. L’efficacia biomeccanica di un posizionamento varo/valgo dell’impianto rispetto all’allineamento neutro non è presente in letteratura. Al fine di analizzare gli effetti biomeccanici di un allineamento varo/valgo dei componenti protesici, sono stati analizzati i seguenti outputs: distribuzione del carico trasferito tra compartimento mediale e laterale, distribuzione dello stress all’interno della parte prossimale della tibia, distribuzione dello stress all’interno dell’inserto tibiale polimerico e deformazione dei legamenti crociati e collaterali. In primo luogo, è stato sviluppato un modello di ginocchio ad elementi finiti paziente-specifico. Successivamente, la protesi monocompartimentale di ginocchio è stata virtualmente impiantata. I seguenti allineamenti varo/valgo delle componenti tibiali della protesi sono stati simulati: allineamento meccanico neutro (0°), 3° varo, 6° varo, 3° valgo e 6° valgo. In accordo con la letteratura, l’impianto di una protesi monocompartimentale di ginocchio ne altera la biomeccanica. In particolare la distribuzione del carico tra i compartimenti mediale e laterale varia notevolmente rispetto alle condizioni del ginocchio nativo, indipendentemente dall’allineamento della protesi. I valori di stress più bassi all’interno dell’osso spongioso sono stati registrati per l’allineamento meccanico neutro e 3° varo. Le configurazioni 3° valgo, 6° valgo e 6° varo presentano uno stress maggiore all’interno dell’inserto polimerico rispetto all’allineamento meccanico neutro e al 3° varo. Sulla base dei risultati biomeccanici ottenuti con questo studio, la posizione della protesi monocompartimentale di ginocchio suggerita varia tra l’allineamento meccanico neutro e 3°varo.