Sviluppo e utilizzo di un modello computazionale dell'articolazione di ginocchio a supporto della fase pre-operatoria di un intervento di artroprotesi

The mechanical behavior of the human musculoskeletal system has become an important area of medical research. In orthopedics, for example, developments in replacement and reconstructive surgery of artificial joints required extensive knowledge of the mechanical functioning of human joints. Starting from this assumption, the present thesis work has as its objective the realization of a three-dimensional anatomical model of the lower limb with the aim of studying the mechanical behavior of the healthy knee joint. The computational model can then be used to provide the surgeon's necessary indications during planning in arthroplasty operations. Following the implantation of a total knee prosthesis (TKR), in fact, the anatomical structures can be considerably altered for various reasons. In some cases, ligaments may not be able to perform their function because of the pathology or trauma that led to the need for intervention or other times the ligaments must be sacrificed or modified to allow the insertion and functionality of the prosthesis. These structural changes are usually decided by the surgeon during the operative planning phase based on anamnestic, clinical-functional analysis and diagnostic images; often, however, decisions are changed or changed directly in the operating room. Only at the end of the operative intervention and of the post-operative rehabilitative path of the patient is it possible to verify the functional result obtained and the choices made in the operating room are not always effective. The possibility of predicting the outcome of the intervention in terms of joint mobility, functionality and stress of the various structures involved thanks to quantitative data, deriving from the simulation of the operating conditions and of the knee load, would allow the surgeon to orientate towards a better choice among the various options and hopefully to improve the results of the arthroplasty operations. In the past, studies in the field of joint mechanics were fundamentally based on experiments done on anatomical samples, which may be considered as the most reliable representation of a real knee. However, the availability of specimens for research purposes is limited and the use of dead and living animals as human surrogates has often been requested. For example, Krause et al. (1976) and Jaspers et al. (1978) studied the mechanical behavior of the menisci, respectively, in dogs and pigs. The analysis of knee joint kinematics was also of greater interest through mathematical and analytical models based on the laws of physics; they consist of a set of mathematical equations between the relevant parameters of the articular system. Huson's spatial knee model (1974) and anthropomorphic test devices used in Wismans accident research (1979) can be considered typical examples of physical models. These models were solid tools for analyzing and understanding knee kinematics, but their abilities are limited because they are not able to simulate the mechanical contact between the articulated surfaces subjected to large deformations. The introduction of computational modeling has greatly increased the possibilities of investigation in biomechanical modeling and has led to the development of increasingly complex and complete models. In this thesis work the computational approach was adopted. Based on the hypotheses that knee movements are determined by the geometry of the articular surfaces and the characteristics of ligaments and capsules, the computational model was formulated describing the movements and forces between the segments of the body as a load function acting on the joint. A computational knee model had already been made in a previous thesis, in which a structural model of the ligaments of the left knee joint was developed from bone components obtained from magnetic resonance images. The realization of this model was carried out using SimWise 4D, a software that allows to perform analysis on forces, displacements, moments, angles and more, related to the model implemented. In addition, this software allows to import the CAD files of the prosthetic device whose behavior you want to study. In this thesis, a total knee prosthesis Vanguard® Posterior Stabilized (PS) Complete Knee System was used, in which the posterior cruciate ligament was eliminated. This model of the knee, however, proved insufficiently adequate when the available prosthesis was implanted. It was thought that the problems were due to the size of the prosthesis, considered too large for the bone components. Therefore, dimensional changes of the femoral bone were made to adapt it to the prosthesis. Since in literature34, ligaments are often approximated to elastic elements, springs (Linear Spring / Damper) have been used in the model. They are not attached directly to the bone, but using blocks connected to the bony components, so it was necessary to change the position of the coords to which the ligaments are connected following the dimensional changes made. Following these modifications, the final and most important step in the development of the model is its validity. The validation of a model is established when the model's predictions are acceptably correlated with the data in the literature and, if possible, with the results of the experiments. Within this work, no experiments have been planned for the validation of the model, the results obtained can be compared only with the experiments described in the literature. Specifically, some qualitative tests were performed (the front and back pendulum test and the internal-external rotation test) to evaluate the correct positioning and balancing of the ligamentous structures. Subsequently, clinical tests (the test of the anterior and posterior drawer, the varus and valgus test and the squat exercise) were reproduced to evaluate the stability of the cruciate and collateral ligaments and the contact forces exchanged between the femur and the tibia. The results obtained, as mentioned before, were compared with the data present in the literature and proved to be coherent, thus allowing the configuration found to be considered reliable. The model of the knee joint, including ligaments, was then integrated into the walking simulator, and muscle input forces were set. The muscles included within the model were: the quadriceps (rectus femoris, vastus lateral, vastus intermediate and vastus medial), the hamstrings (biceps femoris long head (BFlh), biceps femoris short head (BFsh), semimembranosus and semitendinosus) and gastrocnemius (lateral and medial). The choice of input forces was made based on what was already present in the literature where possible and, in some cases, they were varied in order to obtain a movement that better reflected the trend of the actual physiological path. The system made it possible to reproduce different loading and movement conditions and then performed simulations with the Vanguard® Posterior Stabilized knee prosthesis. There are few studies in the literature of computational modeling that investigate the alignment of the components in the total replacement of the knee joint. The work of this thesis is one of the first to directly compare the mechanical and anatomical implantation techniques using computational models with assessment of tibiofemoral contact force, ligament response and joint kinematics. The model also allowed to investigate the influence of other local changes of the prosthetic alignment, such as the height of the articular line, the anterior-posterior displacement and the intra- and extra-rotation of the femoral component. The results obtained can be useful for the surgeon in the pre-operative phase, as they can provide information on the risks that may occur by choosing one option for positioning the prosthesis in relation to another. Since it is a model of dimensions referring to a specific subject, it is not possible to extend the validity of the results obtained to other cases that could have different morphologies and structural characteristics, and in particular the indication for the choice of a position rather than another it will have to take into account many factors, not only biomechanical but also certainly, of an anamnestic clinical type. The model developed, however, provides quantitative information in line with clinical expectations, and lends itself to further developments for the study of further conditions for modification of the prosthetic alignment, such as varus and valgus conditions or the introduction of a tibial slope. Further addition could be that of the finite element analysis, possibility that is integrated within SimWise 4D and that would allow to evaluate in addition to the global changes that the system undergoes, also the local efforts and deformations of all the individual components. In this way, an increasingly complete model would be obtained, capable of performing kinematic, dynamic and finite element analysis, that would reveal itself to be an indispensable and fundamental tool in subject-specific planning in an arthroplasty operation.

Il comportamento meccanico del sistema muscoloscheletrico umano è diventato un importante argomento della ricerca medica. In ortopedia, per esempio, gli sviluppi nella chirurgia sostitutiva e ricostruttiva delle articolazioni artificiali, ha richiesto una vasta conoscenza del funzionamento meccanico delle articolazioni umane. Partendo da questo presupposto, il presente lavoro di tesi ha avuto come obiettivo la realizzazione di un modello anatomico tridimensionale dell’arto inferiore con il fine di studiare il comportamento meccanico dell’articolazione del ginocchio. Il modello computazionale può essere sfruttato, poi, per fornire indicazioni necessari al chirurgo in fase di pianificazione pre-operatoria negli interventi di artroprotesi. In seguito all’intervento di impianto di una protesi totale di ginocchio (TKR), infatti, le strutture anatomiche possono essere alterate considerevolmente per vari motivi. In alcuni casi i legamenti possono non essere in grado di svolgere la propria funzione a causa della patologia o del trauma che ha portato alla necessità di intervento oppure altre volte i legamenti devono essere sacrificati o modificati per permettere l’inserimento e la funzionalità della protesi. Queste modifiche strutturali vengono decise, solitamente, dal chirurgo in fase di planning operatorio sulla base dell’analisi anamnestica, clinico-funzionale e delle immagini diagnostiche; spesso, però, le decisioni vengono cambiate o modificate direttamente in sala operatoria. Solo al termine dell’intervento operatorio e del percorso riabilitativo post-intervento del paziente si ha la possibilità di verificare il risultato funzionale ottenuto e non sempre le scelte prese in sala operatoria si rivelano veramente efficaci. La possibilità di effettuare una predizione dell’esito dell’intervento in termini di mobilità articolare, di funzionalità e di sollecitazione delle varie strutture interessate grazie a dati quantitativi, derivanti dalla simulazione delle condizioni di funzionamento e di carico del ginocchio, permetterebbe di orientare il chirurgo verso una scelta migliore fra le varie opzioni e, auspicabilmente, di migliorare i risultati degli interventi di artroplastica. In passato, gli studi nel campo della meccanica delle articolazioni erano basati fondamentalmente su esperimenti fatti su campioni anatomici, i quali possono essere considerati come la rappresentazione più affidabile di un ginocchio reale. Tuttavia, la disponibilità degli esemplari per scopi di ricerca è limitata e spesso è stato richiesto l’uso di animali come surrogati umani. Per esempio, Krause et al. (1976) e Jaspers et al. (1978) hanno studiato il comportamento meccanico dei menischi, rispettivamente, nei cani e nei maiali. Di maggiore interesse è stata, poi, l’analisi della cinematica articolare del ginocchio attraverso modelli matematici e analitici basati sulle leggi della fisica; essi consistono in un insieme di equazioni matematiche tra i parametri rilevanti del sistema articolare. Il modello ginocchio spaziale di Huson (1974) e i dispositivi di prova antropomorfi utilizzati nella ricerca di incidenti di Wismans (1979) possono essere considerati esempi tipici di modelli fisici. Questi modelli sono stati strumenti solidi per analizzare e per comprendere la cinematica del ginocchio, ma le loro capacità sono limitate in quanto non sono in grado di simulare il contatto meccanico tra le superfici articolate sottoposte a grandi deformazioni. L’introduzione della modellizzazione computazionale ha notevolmente aumentato le possibilità di indagine nella modellizzazione biomeccanica e ha portato allo sviluppo di modelli sempre più complessi e completi. In questo lavoro di tesi è stato adottato l’approccio computazionale. Basato sulle ipotesi che i movimenti del ginocchio sono determinati dalla geometria delle superfici articolari e dalle caratteristiche dei legamenti e delle capsule, il modello computazionale è stato formulato descrivendo i movimenti e le forze tra i segmenti del corpo come una funzione del carico agente sull’articolazione. Un modello computazionale di ginocchio era già stato realizzato in una tesi precedente, in cui era stato messo a punto un modello strutturale dei legamenti dell’articolazione di ginocchio sinistro a partire da componenti ossee ricavate da immagini di risonanza magnetica. La realizzazione di tale modello è stata svolta sfruttando SimWise 4D, un software che consente di effettuare analisi su forze, spostamenti, momenti, angoli e altro ancora, relativi al modello implementato. Inoltre, questo software consente di importare i file CAD del dispositivo protesico di cui si vuole studiare il comportamento. In questo lavoro di tesi è stata utilizzata una protesi di ginocchio totale Vanguard® Posterior Stabilized (PS) Complete Knee System, in cui viene eliminato il legamento crociato posteriore. Questo modello di ginocchio però si è dimostrato non sufficientemente adeguato nel momento in cui è stata impiantata la protesi disponibile. Si è pensato che le problematiche fossero dovute alla grandezza della protesi, ritenuta troppo grande per le componenti ossee. Sono state, di conseguenza, effettuate delle modifiche dimensionali dell’osso femorale al fine di adattarlo alla protesi. Poiché in letteratura34, i legamenti vengono approssimati spesso ad elementi elastici, nel modello sono state utilizzate delle molle (Linear Spring/ Damper). Esse non sono attaccate direttamente all’osso, ma tramite blocchetti collegati alle componenti ossee, perciò è stato necessario cambiare la posizione delle coords a cui sono collegati i legamenti in seguito alle modifiche dimensionali effettuate. In seguito a queste modifiche, lo step finale e più importante nello sviluppo del modello è verificarne la validità. La validazione di un modello è stabilita quando le predizioni del modello sono correlate in modo accettabile con i dati in letteratura e, se possibile, con i risultati degli esperimenti. All’interno di questo lavoro non sono stati programmati esperimenti fisici per la validazione del modello, ma i risultati ottenuti vengono comparati con gli esperimenti descritti in letteratura. Nello specifico, sono stati effettuati alcuni test qualitativi (il test di pendolamento anteriore e posteriore e il test di rotazione interna-esterna) per valutare il corretto posizionamento e bilanciamento delle strutture legamentose. Successivamente, sono stati riprodotti test clinici (il test del cassetto anteriore e posteriore, il test di varo e valgo e l’esercizio dello squat) per valutare la stabilità dei legamenti crociati e collaterali e le forze di contatto scambiate tra femore e tibia. I risultati ottenuti, come detto prima, sono stati confrontati con i dati presenti in letteratura e si sono rivelati coerenti, consentendo così di poter ritenere affidabile la configurazione trovata. Il modello dell’articolazione del ginocchio, compreso di legamenti, è stato poi integrato nel simulatore del cammino, e sono state impostate le forze di input dei muscoli. I muscoli inclusi all’interno del modello sono stati:il quadricipite (retto femorale, vasto laterale, vasto intermedio e vasto mediale), gli hamstrings (bicipite femorale capo lungo (BFlh), bicipite femorale capo breve(BFsh), semimembranoso e semitendinoso) e gastrocnemio (laterale e mediale). La scelta delle forze di input è stata effettuata basandosi su quanto già presente in letteratura dove possibile e, in alcuni casi, sono state variate al fine di ottenere un movimento che rispecchiasse al meglio l’andamento del cammino fisiologico reale. Il sistema ha permesso di riprodurre diverse condizioni di carico e di movimento effettuando, successivamente, simulazioni anche con la protesi di ginocchio Vanguard® Posterior Stabilized. In letteratura sono pochi gli studi di modellazione computazionale che indagano l'allineamento dei componenti nella sostituzione totale dell’articolazione del ginocchio. Il lavoro di questa tesi è uno dei primi a confrontare direttamente le tecniche di impianto meccanico e anatomico utilizzando modelli computazionali con valutazione della forza di contatto tibiofemorale, della risposta dei legamenti e della cinematica articolare. Il modello ha permesso inoltre di indagare l’influenza di alcune modifiche locali dell'allineamento protesico, come l'altezza della linea articolare, lo spostamento antero-posteriore e l’intra- ed extra- rotazione della componente femorale. I risultati ottenuti possono essere utili per il chirurgo in fase pre-operatoria, in quanto possono fornire indicazioni sui rischi che si incorrono scegliendo un’opzione di posizionamento della protesi rispetto ad un’altra. Trattandosi di un modello di dimensioni riferite ad un soggetto specifico, non è possibile estendere la validità dei risultati ottenuti ad altri casi che potrebbero presentare morfologie e caratteristiche strutturali diversificate, e in particolare l’indicazione per la scelta di una posizione piuttosto che un’altra dovrà tener conto di molteplici fattori, non solo biomeccanici ma anche certamente, di tipo clinico anamnestico. Il modello sviluppato però fornisce informazioni quantitative in linea con le aspettative cliniche, e si presta ad ulteriori sviluppi per lo studio di ulteriori condizioni di modifica dell’allineamento protesico, come ad esempio le condizioni di varo e valgo o l’introduzione di uno slope tibiale. Ulteriore aggiunta potrebbe essere quella dell’analisi ad elementi finiti, possibilità che è integrata all’interno di SimWise 4D e che consentirebbe di valutare oltre ai cambiamenti globali che il sistema subisce, anche gli sforzi e le deformazioni locali di tutte le singole componenti. Si otterrebbe in questo modo un modello sempre più completo in grado di effettuare analisi cinematica, dinamica e agli elementi finiti, che si rivelerebbe uno strumento indispensabile e fondamentale nella pianificazione mirata sul paziente, in un intervento di artroprotesi.