THREE DIMENSIONAL FINITE ELEMENT KNEE JOINT MODEL FOR THE INVESTIGATION OF MENISCECTOMY AND THE IMPACT OF LANDING FROM A JUMP ON THE KNEE COMPONENTS

Abstract

Three Dimensional Finite Element Knee Joint Model for the Investigation of Meniscectomy and the Impact of Landing from a Jump on the Knee Components. The aim of this research is to investigate the effect of total and unilateral meniscectomy on various knee components and to investigate the internal contact and ligaments forces acting at the knee as a result of landing from a jump. The injury zone was determined for each knee component and a new landing technique was proposed to minimize the injury. Previous studies have provided very little information on internal components’ stresses and forces which is crucial for improving knee function. A full 3D knee joint model was constructed based on MRI images of a male subject to investigate these scenarios. The model includes both tibio-femoral and patello-femoral joints and considers the complex 3D geometry of the joint with large relative displacements, articular surfaces, menisci, articular cartilages, ligaments, as well as the quadriceps muscles of the knee. Two studies were undertaken in this research. In the first study, the investigation provides a full comparison between the intact menisci and fully or unilateral meniscectomized knee joint. It was found that total meniscectomy is the worst case scenario as it resulted in much higher cruciate ligament forces, contact pressure, femoral and tibial cartilages’ stress, and contact force in all cases processed. This worst condition was follow by the unilateral medial meniscectomy. This highlights that the medial compartment contributes more to load bearing as reported in previous studies. These results showed that clinically, unilateral medial meniscectomy has a higher impact on knee joint function than lateral meniscectomy and that medial meniscus should have a higher priority for preservation either by grafting or transplantation. In the second study, landing from a jump impact was investigated at five different points on the landing (pre toe-landing (P1), toe-landing (P2), between toe-landing and heel strike (P3), heel strike (P4) and after heel strike (P5)). From the results, the worst condition with respect to injury was recorded at P5, followed by P4 in severity. The ratio between the patellar tendon forces FPT and the quadriceps forces FQ versus the knee flexion of the presented model showed that the patella tendon joint did not act as a perfect pulley. By increasing the flexion angle increments of 5 degrees at toe landing and rerunning the analysis under same previous loading conditions, predicted results of the model showed substantial decrease in the stress levels and the contact forces acting at the knee. These results suggest that landing technique can be improved by changing knee flexion angle at toe landing. Overall, the results obtained in these studies were found to be in general agreement with the available reported experimental measurements

Modèle Tridimensionnel par Éléments Finis de l’Articulation du Genou pour l’Étude de la Méniscectomie et de l’Impact de l’atterrissage d’un Saut sur les Composantes du Genou. Le but de cette recherche est d'étudier l'effet de la méniscectomie totale et unilatérale sur diverses composantes du genou et d'évaluer les forces internes de contact et ligamentaires agissant sur l’articulation du genou à la suite de l'atterrissage d'un saut. La zone de lésion est déterminée pour chaque composant de genou et une nouvelle technique d'atterrissage est proposée afin de réduire au minimum la blessure. Les études antérieures ont fourni très peu d'information sur les forces et contraintes des composants internes, information qui est cruciale pour l'amélioration de la fonction du genou. Un modèle 3D complet de l'articulation du genou a été construit à partir d'images IRM d’un sujet masculin pour évaluer ces scénarios. Le modèle comprend à la fois les articulations tibio-fémorale et fémoro-patellaire et considère la géométrie complexe 3D de l'articulation avec de grands déplacements relatifs, les surfaces articulaires, les ménisques, les cartilages articulaires, les ligaments, ainsi que les muscles quadriceps du genou. Deux études ont été menées dans cette recherche. Dans la première étude, l'investigation fournit une comparaison complète entre l'articulation du genou avec ménisques intacts et la méniscectomie unilatérale ou totale. Il a été constaté que la méniscectomie totale est le pire des cas, car il a donné lieu à plus de forces des ligaments croisés, de pression de contact, de contraintes sur les cartilages fémoral et tibial, et de force de contact sur les cartilages dans toutes les analyses considérées. Cette pire situation était suivie par la méniscectomie médiale unilatérale. Cela a mis en évidence que le compartiment médial contribuait plus à supporter des charges comme rapporté dans les études précédentes. Ces résultats ont montré que, cliniquement, la méniscectomie médiale unilatérale a un impact plus important sur la fonction articulaire du genou que la méniscectomie unilatérale latérale et que le ménisque médial devrait avoir une priorité plus élevée pour la conservation soit par le greffage ou la transplantation. Dans la deuxième étude, l’impact de l’atterrissage d’un saut a été étudié en cinq points différents sur la courbe d'atterrissage (pré-atterrissage d’orteil (P1), atterrissage d’orteil (P2), entre l’atterrissage d’orteil et l'impact de talon (P3), l'impact du talon (P4) et après l'impact du talon (P5)). D’après les résultats, la pire situation concernant le dommage aux composants du genou a été enregistrée à P5, suivie par P4 dans la sévérité. Le rapport entre les forces du tendon rotulien et les forces quadriceps par rapport à la flexion du genou du modèle a montré que l'articulation rotulienne du tendon n'a pas agi comme une poulie parfaite. En augmentant les incréments d'angle de flexion de 5 degrés à l'atterrissage de l'orteil et en recommençant les analyses dans les mêmes conditions de chargement vi précédentes, les résultats obtenus du modèle ont montré la diminution substantielle de niveaux de contraintes et de forces de contact qui agissent au niveau du genou. Ces résultats suggèrent que la technique d'atterrissage peut être améliorée en modifiant l'angle de flexion du genou à l'atterrissage de l'orteil. Dans l’ensemble, les résultats obtenus dans ces études sont en accord général avec les mesures expérimentales disponibles rapportées.