Patient-specific patellofemoral joint: finite element modeling and validation

The patellofemoral joint is part of the knee joint, which is considered the largest joint in the human body. The patellofemoral joint is composed of the patella, a flat, rounded triangular bone, the distal part of the femur, which forms an inverted U-shaped intercondylar groove, and the articular cartilage that covers both the distal femur and posterior patella. Articular cartilage has several functions to enhance functionality in this joint (e.g., reduce friction, shock absorption, load distribution). Patellofemoral disorders are a leading cause of knee pain and cartilage degeneration, with a diagnosis of 1.5%-7.3% of all patients seeking medical care within the United States. Females experience patellofemoral pain more often than males, and the pain increases with age (the 50-59-year-old age group had the most cases). The most relevant patellofemoral joint diseases are associated with overuse, repetitive stress, muscle imbalance, misalignment, or poor patellar tracking because the kneecap may not move appropriately along the femoral groove during flexion and extension. A non-surgical approach is usually preferred for these pathologies, but the failure of conservative management will result in exploring surgical approaches. A common surgical treatment when conservative treatments fail is Tibial Tubercle Osteotomy (TTO), which consists of the realignment of the patellar tendon, changing its insertion point on the tibia. This thesis is part of a larger project whose final goal is to obtain a validated finite element modeling framework that can predict patellofemoral contact mechanics and changes after TTO surgery, assess patients before surgery, and plan the surgery accordingly with quantified measurements. The aim is to obtain the best surgical outcome possible and plan the surgery accordingly. Based on this final goal, the primary specific goal of this study is to develop a pipeline to create patient-specific models of the patellofemoral joint from clinical images (MRI). Once the workflow is established and the baseline patellofemoral joint model is created, the secondary goal is to evaluate its sensitivity to numerical parameters and uncertainties arising during its development. Finally, the last goal is to compare the FE model results of cadaveric models created and experimental results derived from cadaveric experiments to quantify the trustability of the created pipeline and validate the model. Contact pressure between patella articular cartilage and femur articular cartilage will be the primary variable in evaluating results. Sensitivity analyses conclude that the model is a promising tool for simulated TTO surgeries since the patellar tendon attachment point on the tibia is the most influential parameter on final contact pressure variation. The project has some limitations related explicitly to non-patient-specific parameters used in this pilot study, such as material properties of bones, cartilage, and soft tissue, geometrical aspects of soft tissue, and ideal waveform as boundary conditions to simulate squatting movement. Overall model behavior, sensitivity studies, and comparison to experiments suggests that it can be a valuable tool in surgical planning and patient assessment.

L’articolazione femoro-rotulea fa parte dell’articolazione del ginocchio, la più grande del corpo umano. Questa articolazione è formata dalla rotula, un osso piatto e triangolare con angoli arrotondati, dalla parte distale del femore, che presenta un solco intercondilare a forma di U rovesciata, e dalla cartilagine articolare che ricopre sia il femore distale sia la superficie posteriore della rotula. La cartilagine ha diverse funzioni tra cui la riduzione dell’attrito, l’assorbimento degli urti e la distribuzione del carico. I disturbi femoro-rotulei rappresentano una delle principali cause di dolore al ginocchio e degenerazione cartilaginea, con un’incidenza compresa tra l’1,5% e il 7,3% dei pazienti che richiedono cure mediche negli Stati Uniti. Il dolore femoro-rotuleo colpisce più frequentemente le donne rispetto agli uomini e tende ad aumentare con l’età, con il numero più alto di casi registrato nella fascia 50-59 anni. Le patologie più rilevanti dell’articolazione femoro-rotulea sono spesso associate a sovraccarico, stress ripetitivo, squilibri muscolari, malallineamento o alterazioni della cinematica rotulea. In questi casi, la rotula potrebbe non seguire correttamente il solco femorale durante i movimenti di flessione ed estensione del ginocchio. Il trattamento conservativo è generalmente preferito, ma nei casi in cui questo fallisce si ricorre a opzioni chirurgiche. Un intervento comunemente eseguito in questi casi è l’osteotomia della tuberosità tibiale (TTO), che prevede il riallineamento del tendine rotuleo modificandone il punto di inserzione sulla tibia. Questa tesi fa parte di un progetto più ampio il cui obiettivo finale è sviluppare una struttura consolidata e validata per creare modelli agli elementi finiti, in grado di prevedere la meccanica del contatto femoro-rotuleo e le modifiche che avvengono dopo l’intervento di TTO. Questo modello consentirà di valutare i pazienti prima dell’intervento e pianificare l’operazione basandosi su misurazioni oggettive, al fine di ottenere il miglior esito chirurgico possibile. Sulla base dell’obiettivo finale del progetto, il primo obiettivo specifico di questo studio è sviluppare una pipeline per la creazione di modelli paziente-specifici dell’articolazione femoro-rotulea a partire da immagini cliniche (MRI). Una volta definito il workflow, viene creato il modello di base. Dopodichè, il secondo obiettivo è valutare la sensitività del modello ai parametri numerici e alle incertezze che emergono durante lo sviluppo del modello stesso. Infine, l’ultimo obiettivo è confrontare i risultati del modello agli elementi finiti (di cadaveri) con dati sperimentali ottenuti da studi su cadaveri, per valutare l’affidabilità della pipeline sviluppata e validare il modello. La variabile principale considerata per la valutazione dei risultati sarà la pressione di contatto tra la cartilagine articolare della rotula e quella del femore. Le analisi di sensitività hanno evidenziato che il modello sviluppato è un valido strumento per la simulazione di interventi di TTO, poiché il punto di attacco del tendine rotuleo sulla tibia risulta essere il parametro che influenza maggiormente la variazione della pressione di contatto finale. Nonostante diverse limitazioni, in particolare legate all’uso di parametri non paziente specifici in questa fase di studio pilota, come le proprietà dei materiali di ossa, cartilagine e tessuti molli, e gli aspetti geometrici dei tessuti molli, il comportamento globale del modello suggerisce che con le dovute future implementazioni, questa pipeline può rappresentare uno strumento utile per la pianificazione chirurgica e la valutazione dei pazienti.