Glenohumeral joint stability after the Latarjet procedure: a finite element analysis of different bone graft dimensions

Anterior shoulder instability is frequently associated with glenoid bone loss and recurrent dislocations. The Latarjet procedure is widely regarded as the gold standard in such cases. However, postoperative stability is contingent on several biomechanical factors, including graft size and positioning. The objective of this thesis is to develop a computational model to evaluate glenohumeral joint stability after a simulated Latarjet procedure using finite element analysis, with particular focus on the effect of different bone graft lengths. The present study utilised an integrated workflow to process two patient-specific CT datasets. This workflow encompassed a series of processing steps, including the segmentation of the humerus and scapula, mesh generation, and digital reproduction of the coracoid bone graft fixation. The mechanical characterisation of bone tissue was conducted utilising a voxel-based approach, which established a correlation between Hounsfield Units and porosity, as well as elastic properties, through the utilisation of micromechanical models. The humerus kinematics, obtained from a musculoskeletal model in OpenSim (Lavaill et al., 2023), were applied to the finite element model developed in Abaqus. Furthermore, a compression load of 100N and a 30mm displacement to simulate the dislocation were applied to the humerus. As an alternative approach, the joint reaction forces from the OpenSim model were evaluated. Four graft lengths (18, 20, 22 and 25 mm) were analysed in order to assess their influence on contact mechanics and anterior stabilization in the clinically relevant configuration, characterised by 90° of abduction and 90° of external rotation of the humerus. The results demonstrate that graft size exerts a substantial influence on joint stability and the distribution of contact pressures at the interface. In conclusion, finite element analysis can complement clinical assessment by providing quantitative insight into postoperative stability and by supporting preoperative decisions concerning graft design in the Latarjet procedure.

L'instabilità anteriore della spalla è spesso correlata a perdita ossea della glena e ricorrenti lussazioni. L’intervento di Latarjet è riconosciuto come lo standard di riferimento per questi casi patologici. Tuttavia, la stabilità postoperatoria dipende da diversi fattori biomeccanici, tra cui le dimensioni e il posizionamento del graft osseo. L'obiettivo di questa tesi è lo sviluppo di un modello computazionale per la valutazione della stabilità dell'articolazione gleno-omerale a seguito di una operazione di Latarjet simulata, mediante l'impiego dell'analisi agli elementi finiti, con un'attenzione specifica rivolta agli effetti delle diverse lunghezze dell'innesto osseo. Il presente studio ha adottato un approccio metodologico finalizzato all'elaborazione di due set di dati TC specifici per ciascun paziente. Il processo, suddiviso in diverse fasi, includeva la segmentazione dell'omero e della scapola, la generazione di mesh e la riproduzione digitale del fissaggio dell'innesto osseo coracoideo. La caratterizzazione meccanica del tessuto osseo è stata condotta mediante un approccio basato sui voxel, che ha stabilito una correlazione tra le unità Hounsfield e la porosità, nonché le proprietà elastiche, attraverso l'utilizzo di modelli micromeccanici. La cinematica dell'omero, ottenuta da un modello muscolo-scheletrico in OpenSim (Lavaill et al., 2023), è stata applicata al modello a elementi finiti sviluppato in Abaqus. Inoltre, all'omero sono stati applicati un carico di compressione di 100 N e uno spostamento di 30 mm per simulare la lussazione. In alternativa, sono state valutate le forze di reazione articolare dal modello OpenSim. L'analisi ha riguardato quattro lunghezze di graft (18, 20, 22 e 25 mm) al fine di valutarne l'influenza sulla meccanica di contatto e sulla stabilizzazione anteriore in una configurazione clinicamente rilevante, caratterizzata da 90° di abduzione e 90° di rotazione esterna dell'omero. I risultati dimostrano che la dimensione dell'innesto esercita un'influenza sostanziale sulla stabilità articolare e sulla distribuzione delle pressioni di contatto all'interfaccia. In conclusione, l'analisi agli elementi finiti può integrare la valutazione clinica fornendo informazioni quantitative sulla stabilità postoperatoria e supportando le decisioni preoperatorie relative alla progettazione dell'innesto nella procedura di Latarjet.