Evaluation of patellofemoral joint contact pressure before and after medial patellofemoral ligament reconstruction using a parametric finite element model

Abstract

La reconstrucción del ligamento femoropatelar medial (LFPM) es el "gold standard" del tratamiento de la inestabilidad lateral de rótula crónica, que frecuentemente afecta a gente joven. Se han descrito numerosas técnicas quirúrgicas para efectuar esta reconstrucción ligamentaria, con diferentes puntos de anclaje y diferentes tipos de injerto. Los resultados a corto plazo de estas técnicas son positivos, pero existe una cierta incertidumbre respecto a los resultados a largo plazo, siendo la condropatía y la artrosis complicaciones a largo plazo que podrían ser secundarias a un aumento de la presión de contacto en la articulación femoropateral en relación con una reconstrucción del LFPM inadecuada. Una manera efectiva de evaluar la presión de contacto femoropatelar en todo el rango de mobilidad de la rodilla después de una reconstrucción del LFPM es mediante la utilización de una metodología de elementos finitos. Nuestros dos estudios previos nos han permitido determinar las características de una reconstrucción anatómica por lo que respecta a punto de anclaje femoral; y como este punto de anclaje influye en los cambios dinámicos de la plastia durante la flexión de la rodilla. Los estudios fueron efectuados utilizando reconstrucciones en 3D de los TC de las rodillas de los pacientes. Estos cambios de longitud de la plastia del LFPM han permitido que nuestro equipo de ingenieros desarrolle un modelo de elementos finitos de la articulación femoropatelar utilizado en nuestro estudio para analizar le presiones femoropatelares antes y después de las diferentes técnicas de reconstrucción del LFPM, y además calcular la tensión del ligamento en diferentes grados de flexión de la rodilla y sus consecuencias sobre la presión femoropatelar. Nuestro objetivo era la creación de un modelo paramétrico de la articulación femoropatelar con una simplificación de la geometría que puede ser mallada mediante programas de mallado automático con ratios de elementos finitos adecuados para todos los mallados. Además, nuestro modelo paramétrico nos permitió simular diferentes tipos de técnica quirúrgica para la reconstrucción del LFPM. Hipotetizamos que este modelo nos permitirá evaluar las presiones de contacto femoropatelar y el stress máximo del injerto de LFPM en cada tipo de reconstrucción y con diferentes grados de flexión y extensión de la rodilla. Al ser una técnica nueva, hemos centrado nuestra atención en la validación clínica. Hemos presentado cinco casos clínicos para demostrar la precisión de nuestro modelo y para mostrar su versatilidad al identificar casos clínicos complejos. Una extrapolación de los resultados computacionales fue efectuada para ofrecer una comparación cualitativa de los resultados clínicos. La contribución de nuestros resultados es la utilización de un modelo de elementos finitos en la practica clínica diaria para optimizar los tratamientos quirúrgicos mediante la utilización de tratamientos personalizados. El principal resultado de nuestro estudio es que la utilización de un modelo paramétrico de elementos finitos para la articulación femoropatelar, nos permite evaluar diferentes tipos de técnica quirúrgica para la reconstrucción del LFPM, respecto a los efectos de la presión de contacto femoropatelar, del comportamiento cinemático de la plastia del LFPM durante la flexo extensión de la rodilla, y del stress máximo de la plastia de LFPM. De esta manera, a través de imágenes diagnosticas, como por ejemplo el TC, podemos simular diferentes tratamientos quirúrgicos y escoger la mejor técnica para cada paciente. Es decir podemos personalizar el tratamiento para cada paciente.

The reconstruction of the medial patellofemoral ligament (MPFL) is the "gold standard" for the treatment of chronic lateral patella instability, that usually affects young people. Many different surgical techniques have been described to perform this reconstruction, with different attachments and different types of graft. The reported short-term results are good, but there is uncertainty regarding the long-term outcome of these MPFL reconstruction techniques, chondropathy and osteoarthritis being a long term complication that could be secondary to an increased patellofemoral joint contact pressure related with an inadequate MPFL reconstruction. An effective way to evaluate the patellofemoral contact pressure throughout the range of motion of the knee after MPFL reconstruction is by using the finite element methodology (FEM). Our two previous studies enabled us to determine what a real anatomic reconstruction was, based on the femoral attachment point of the reconstruction; and how this attachment point influenced the dynamic changes of the plasty during knee flexion. These studies were performed using patients knee 3D-CT reconstructions. These length changes of the medial patellofemoral plasty enabled our engineering team to develop the patellofemoral finite element model used in our study to analyze the patellofemoral pressures before and after different reconstruction techniques of the patellofemoral ligament reconstruction, and to calculate the ligament tension, and its consequences on patellofemoral joint pressure. Our purpose was the creation of a parametric model of the PFJ where the joint geometry is simplified and can be meshed by means of automatic mesh generation programs with suitable finite element aspect ratios for all meshes. Additionally, our parametric model enabled us to simulate different types of surgical techniques for MPFL reconstruction. We hypothesized that this model will allow us to evaluate the patellofemoral contact pressure and the maximum MPFL-graft stress in each specific reconstruction and at different flexion-extension angles of the knee. Since this is a novel method, we focused our attention on clinical validation. In this way, five clinical cases are presented to demonstrate the accuracy of our model and to show its versatility for predicting challenging clinical cases. An extrapolation of the computational results was performed to provide a qualitative comparison to the clinical outcomes. The contribution of our results is the introduction of FEM in daily clinical practice to optimize surgical procedures by using personalized treatments. The main finding of this study is that the use of a parametric 3D finite element model of the PFJ enables us to evaluate different types of surgical techniques for MPFL reconstruction with regard to the effect on the patellofemoral contact pressure, as well as the kinematic behaviour of the MPFL-graft with flexion-extension of the knee and the maximum MPFLgraft stress. In this way, from diagnostic images, for example, a CT, we could simulate different surgical treatments and choose the best optimal technique for each patient. That is, we can customize treatment for individual patients.