Modeling of orthopedic surgeries using advanced biomechanical computational techniques

Abstract

(English) This dissertation deals with the modeling and simulation of orthopaedic surgeries with the help of computational biomechanical techniques. These orthopaedic conditions are characterized by their geometry and mechanical interactions and need to be translated properly to a virtual environment. Besides engineering simulations such as stress and strain calculations, pre-surgery planning, development of patient-specific treatments and innovation on new surgical trends are some of the benefits that may result from the development of accurate and reliable orthopaedic in-silico models. To provide detailed digital models for the different fields of application, a strong collaboration with surgeons experts on the field has been considered. New knee orthopaedics surgical opportunities have appeared in the last decades oriented to minimizing the effect of diseases like \acrfull{koa}, such as proximal fibular osteotomy (PFO) and computational modeling might help to investigate their biomechanics in-silico. This work focus on the systematic development of in-silico PFO models that can be later on used to create proper and reliable virtual representations of patient-specific surgical treatment response.

A major challenge for correctly representing anatomical models for virtual environments is developing a consistent data acquisition methodology and model reconstruction methods. By using \acrfull{fem}, generating accurate mechanical models of orthopaedic systems for a specific condition may provide a reliable baseline for all future virtual modeling approaches. Therefore, numerical simulations have been formulated based on real-world clinical case scenarios provided by our medical collaborators and partners. Mechanical models have be hence not only virtually investigated, but a comparison with respect to patient-specific treatments has been made. The biomechanical response of human joints, with particular interest on the knee, before and after surgical interventions has been herein investigated. These surgical interventions were pre-planned to provide the healthcare needed to the patients without this research work affecting any required medical care. The novel contribution of this investigation is the quantitative analysis of the impact of PFO on the biomechanics of the knee joint. The results provide mechanical evidence that PFO can effectively redistribute and homogenize joint stresses, while also repositioning the \acrfull{cop} towards the center of the knee, similar to what is observed post \acrfull{hto}. The findings propose PFO as a potentially viable and simpler alternative to conventional surgical methods for managing severe KOA, specifically in patients with medial compartment genu-varum.

Furthermore, the computational techniques implemented will be optimized to produce the best possible results in the most efficient way. This research also marks the first application of FEMs that may support one of the underlying biomechanical theories of PFO, providing a foundation for future clinical and in-silico studies.

(Català) Aquesta tesi tracta sobre el modelatge i la simulació de cirugies ortopèdiques amb tècniques biomecàniques computacionals. Aquestes intervencions quirúrgiques es caracteritzen pels canvis en la geometria anatòmica i les interaccions mecàniques entre els components, les quals s’han de traslladar adequadament a l’entorn virtual. A part de les simulacions, la planificació preoperatòria, el desenvolupament de tractaments específics per a cada pacients i la innovació en noves tècniques quirúrgiques són alguns dels beneficis que poden derivar-se del desenvolupament de models ortopèdics in silico precisos i fiables. Per proporcionar models digitals detallats en diferents àmbits d’investigació, s’ha col·laborat estretament amb cirurgians experts. Durant les darreres dècades, han sorgit noves oportunitats en cirurgies ortopèdiques de genoll per minimitzar l’efecte de l’osteoartitis de genoll. Una osteotomia de tibia (àmpliament utilitzada) o de peroné (menys comuna al nostre continent) poden ser solucions que retardin la implantació d’una pròtesi de genoll. El modelatge computacional pot ajudar a investigar les variables biomecàniques in silico i simular la cirurgia virtualment. Aquesta tesi es centra en el desenvolupament sistemàtic de models in silico que es poden utilitzar posteriorment per crear representacions virtuals adequades i fiables de la resposta a tractaments quirúrgics específics per a cada pacient. Un dels princials reptes a l’hora de representar correctament models natòmics en entorns virtuals és el desevolupament d’una metodologia coherent d’adquisició de dades i mètodes de reconstrucció de models. Mitjançant l’ús d’anàlisis de models d’elements finits, la generació de models mecànics precisos de sistemes ortopèdics per una condició específica pot proporcionar una base fiable per a futurs estudis de modelatge virtual. Per tant, s’han formulat simulacions numèriques basades en casos clínics reals proporcionats per personal mèdic col·laborador dels estudis. D’aquesta manera, els models mecànics no només s’han analitzat virtualment, sinó que també s’han comparat amb tractaments específics de pacients. S’ha investigat la resposta biomecànica de les articulacions humanes, amb especial interès en el genoll, abans i després d’intervencions quirúrgiques. Aquestes intervencions es van planificar prèviament sense que aquest estudi d’investigació afectés la seva atenció mèdica. La innovació principal d’aquesta investigació rau en l’anàlisi quantitativa de l’impacte de l’osteotomia fibular (al peroné) en la biomecànica de l’articulació del genoll. Els resultats aporten dades quantitatives que demostren que l’osteotomia fibular pot redistribuir i homogeneïtzar eficaçment les tensions articulars, a més de reposicionar el centre de pressions cap al centre del genoll, de forma similar al que s’observa després d’una osteotomia tibial alta de cunya oberta. Els resultats d’aquesta tesi proposen l’osteotomia fibular proximal com una alternativa potencialment viable i més senzilla que els mètodes quirúrgics convencionals per tractar l’osteoartritis de genoll, específicament en pacients amb genu varum al compartiment medial.A més, les tècniques computacionals implementades s’han optimitzat per produir els millors resultats possibles de forma més eficient. Aquesta investigació també marca la primera aplicació del mètode d’elements finits que pot explicar una de les teories que donen suport a l’osteotomia fibular proximal, proporcionant una base per a futurs estudis clínics in silico.

(Español) Esta tesis aborda el modelado y la simulación de cirugías ortopédicas con la ayuda de técnicas biomecánicas computacionales. Estas afecciones ortopédicas se caracterizan por su geometría y sus interacciones mecánicas y deben trasladarse adecuadamente a un entorno virtual. Además de las simulaciones de ingeniería, como los cálculos de tensiones y deformaciones, la planificación preoperatoria, el desarrollo de tratamientos específicos para cada paciente y la innovación en nuevas tendencias quirúrgicas son algunos de los beneficios que pueden derivarse del desarrollo de modelos ortopédicos in-silico precisos y fiables. Con el fin de proporcionar modelos digitales detallados para los distintos campos de aplicación, se ha planteado una estrecha colaboración con cirujanos expertos en la materia. En las últimas décadas han aparecido nuevas oportunidades quirúrgicas ortopédicas de rodilla orientadas a minimizar el efecto de enfermedades como la osteoartritis de rodilla (KOA), como la osteotomía fibular proximal (PFO), y el modelado computacional podría ayudar a investigar su biomecánica in-silico. Esta tesis se centra en el desarrollo sistemático de modelos in-silico que puedan utilizarse posteriormente para crear representaciones virtuales adecuadas y fiables de la respuesta al tratamiento quirúrgico específico para cada paciente.

Uno de los principales retos a la hora de representar correctamente modelos anatómicos para entornos virtuales es el desarrollo de una metodología coherente de adquisición de datos y métodos de reconstrucción de modelos. Mediante el uso de análisis de elementos finitos, la generación de modelos mecánicos precisos de sistemas ortopédicos para una condición específica puede proporcionar una línea de base fiable para todos los futuros enfoques de modelado virtual. Por lo tanto, se han formulado simulaciones numéricas basadas en escenarios de casos clínicos reales proporcionados por nuestros colaboradores del sector médico. De este modo, los modelos mecánicos no sólo se han validado virtualmente, sino que se ha realizado una comparación con respecto a tratamientos específicos de pacientes. Se ha investigado la respuesta biomecánica de las articulaciones humanas, con especial interés en la rodilla, antes y después de las intervenciones quirúrgicas. Estas intervenciones quirúrgicas se planificaron previamente para proporcionar la asistencia sanitaria necesaria a los pacientes sin que este trabajo de investigación afectara a la atención médica requerida. La aportación novedosa de esta investigación es el análisis cuantitativo del impacto de PFO en la biomecánica de la articulación de la rodilla. Los resultados aportan pruebas mecánicas de que la PFO puede redistribuir y homogeneizar eficazmente las tensiones articulares, al tiempo que reposiciona el centro de presiones (CoP) hacia el centro de la rodilla, de forma similar a lo que se observa tras la osteotomía tibial alta en cuña abierta (HTO). Los hallazgos proponen la PFO como una alternativa potencialmente viable y más sencilla a los métodos quirúrgicos convencionales para tratar la KOA, específicamente en pacientes con genu-varum del compartimento medial.

Además, las técnicas computacionales implementadas se optimizarán para producir los mejores resultados posibles de la forma más eficiente. Esta investigación también marca la primera aplicación de FEM que puede soportar una de las teorías biomecánicas subyacentes de la PFO, proporcionando una base para futuros estudios clínicos e in-silico.