Influence of acetabular and femoral offsets in total hip arthroplasty : a whole-body-scale analysis

Background: Surgical variables play an important role in determining the success of Total Hip Arthroplasty (THA). Previous studies have reported on the benefits associated to cup medialization on the basis of a two-dimensional analysis of lever arms. Medialization of the acetabular cup to the true acetabular floor decreases the lever arm of the body weight with respect to the hip joint and also leads to a better fixation to the bone. Cup medialization is usually performed with an equivalent increase in the femoral offset in order to restore global offset. Global offset restoration helps maintaining a physiological lever arm for the abductor muscles and supports a level pelvis during gait. Nevertheless, there are potential disadvantages to cup medialization. In particular, the medialization of the implant can be a potential cause for bone impingement, with an associated reduction of the joint range of motion, while the loss of additional bone stock could compromise the possibility of a revision surgery. For these reasons, it is important to ascertain whether the benefits associated to medialization are large enough to warrant the downsides. To date, the actual benefits of this type of reconstruction remain unclear. Purpose: The purpose of this study was to quantify the effects of cup medialization and global offset restoration in THA from a whole-body-scale biomechanical perspective. In particular, we wanted to evaluate the effects by looking at the hip reaction forces, moments, and at the abductor muscles activty. Methods: A musculoskeletal model was used to simulate a patient who underwent THA. A generic marker and ground reaction forces dataset was used to simulate the gait of an average subject. Musculoskeletal simulations were run in the AnyBodyTM Modeling System in order to analyze the influence of different surgical configurations on the hip contact forces and moments, as well as on the abductors activation. In particular, to highlight the effects of medialization and global offset restoration, three types of reconstruction were identified and implemented in the model: (1) anatom- ical reconstruction, (2) medialization of the implant with global offset restoration (based on recommendations by Bonnin et al.), and (3) medialization of the implant without global offset restoration. An inverse dynamic analysis was performed to compute hip contact forces and moments, and the activity of the abductor muscles. Results: The medialization of the prosthesis results in an overall reduction of the forces and moments at the hip, as well as of the muscular activation of the abductor muscles. In particular, during the stance phase, the hip contact forces were reduced up to 7.8% when medialization was performed. Consistent trends were observed for the abduction and external rotation moments (reduced up to 27% and 10%, respectively), and for the maximum muscular activities (reduced up to 20%). The global offset restoration has no mejor effects on the contact force reduction but is responsible for an additional reduction of the abductors activity. Conclusions: Results of this study suggest that medialization of the prosthetic head with a compensatory increase in femoral offset provides the best reconstruction strategy in total hip arthroplasty, concerning joint loading and muscular activation. The medialization of the acetabular component can lead to an important reduction of the peak contact forces during the stance phase, while the combined effect of cup medialization and femoral offset restoration reduces the maximum loads on the muscles of the abductor compartment.

Background: Nella ricostruzione chirurgica dell'anca mediante utilizzo di protesi totale (PTA), il posizionamento della protesi riveste un ruolo fondamentale. In particolare, studi precedenti hanno mostrato che la medializzazione della coppa acetabolare può avere effetti benefici sulla vita della protesi. Questa considerazione è principalemente basata su un'analisi bi-dimensionale dei bracci di leva dei momenti agenti sull'articolazione. La medializzazione della protesi, infatti, comporta una riduzione del braccio di leva della forza peso rispetto al centro di rotazione dell'articolazione dell'anca e garantisce allo stesso tempo una migliore fissazione della protesi all'osso. La medializzazione della coppa acetabolare viene solitamente accompagnata da un corrispondente aumento dell'offset femorale, in modo da garantire il mantenimento dell'offset globale. Mantenere costante l'offset globale permette di preservare il braccio di leva fisiologico dei muscoli abduttori dell'anca e garantisce il giusto supporto del bacino durante il cammino. Tuttavia, esistono dei potenziali svantaggi connessi alla medializzazione. In particolare, la medializzazione dell'impianto protesico può portare alla comparsa della sindrome del conflitto femoro-acetabolare (impingment), con conseguente riduzione del range di movimento dell’articolazione, e può rendere impossibile un eventuale intervento di revisione. Risulta pertanto fondamentale verificare se i benefici legati a questo tipo di ricostruzione chirurgica siano tali da giustificare gli svantaggi. Ad oggi, gli effettivi benefici legati alla medializzazione non sono completamente chiari. Scopo del lavoro: Lo scopo di questo lavoro è la quantificazione su scala globale degli effetti legati alla medializzazione della coppa acetabolare e al corrispondente ripristino dell'offset globale. In particolare, gli effetti sono stati valutati a partire dall'osservazione delle variazioni nei valori delle forze e dei momenti agenti sull'articolazione dell'anca, e dell'attivazione dei muscoli abduttori dell'anca. Metodi: Un modello muscoloscheletrico del corpo umano è stato utilizzato per simulare un paziente protesizzato con PTA. Un singolo dataset di marker e forze di reazione del terreno è stato utilizzato per simulare il cammino in piano di un paziente generico. Le simulazioni sono state effettuate utilizzando il software di modellazione muscoloscheletrica AnyBody Modeling SystemTM con lo scopo di evidenziare l'influenza di diverse configurazioni chirurgiche sulle forze di contatto e i momenti agenti sull'anca, e sull'attivazione dei muscoli abduttori. In particolare, per mettere in luce gli effetti della medializzazione e del ripristino dell'offset globale, sono state messe a confronto tre possibili strategie di ricostruzione dell'articolazione: (1) ricostruzione anatomica, (2) medializzazione della protesi con ripristino dell'offset globale (sulla base di quanto raccomandato da Bonnin et al.), e (3) medializzazione della protesi senza ripristino dell'offset globale. Un'analisi a dinamica inversa è stata utilizzata per calcolare le forze e i momenti agenti sull'articolazione dell'anca, e le attività muscolari dei muscoli abduttori. Risultati: La medializzazione della protesi porta complessivamente ad una riduzione delle forze e dei momenti agenti sull'articolazione, e dell'attivazione dei muscoli abduttori. In particolare, durante la fase di appoggio, la forza di contatto sull'articolazione ha mostrato riduzioni sino al $7.8\%$. Coerentemente, i momenti di abduzione e rotazione esterna hanno registrato riduzioni sino al 27% e 10%, rispettivamente. La massima attivazione dei muscoli abduttori ha subito riduzioni sino al 20%. Il ripristino dell'offset globale non ha mostrato effetti significativi sulle forze di contatto e sui momenti, ma è legato ad un'ulteriore diminuzione dell'attività degli abduttori. Conclusioni: I risultati dello studio suggeriscono che la migliore strategia di impianto di una protesi totale d'anca è quella che include la medializzazione della protesi e l'aumento compensatorio dell'offset femorale, in base a quanto osservato dalle variazioni del carico sull'articolazione e dell'attivazione muscolare. La medializzazione della componente acetabolare sembra infatti responsabile di un'importante riduzione delle massime forze di contatto agenti sull'anca e dell'attivazione dei muscoli abduttori dell'articolazione.