Mathematic Modelling of Stress in Healthy Knee Joint and After Arthroplastywith Different Typesof Endoprostheses

Abstract


Purpose of study. To study stressed-deformed state of the healthy knee joint and after arthroplasty using endoprostheses with either preservation or substitution of the posterior cruciate ligament by the method of numerical mathematical modelling. Materials and methods. Peculiarities of stress distribution in bones were determined on three mathematical models - healthy knee joint and joint after arthroplasty using endoprostheses with either preservation or substitution of the posterior cruciate ligament at the set load (80 kg) in straightened leg and either 45° or 90° knee flexion. Results. In healthy knee joint with a straightened leg the stress in the tibia is 2.3 times higher than in the femur. With knee flexion the stress in bone tissue increases and this increase is more intensive in the femur. After arthroplasty using endoprosthesis with substitution of the posterior cruciate ligament the stress in the tibia and femur is higher at all flexion angles as compared to arthroplasty using endoprosthesis with posterior cruciate ligament preservation Conclusion. The obtained data may be used for mathematical substantiation of the advantage of endoprosthesis with preservation of the posterior cruciate ligament and in complex with the data of national and international registers will enable to optimize the treatment tactics in patients to whom knee arthroplasty is indicated.

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. M Smetanin

I.M. Sechenov First Moscow State Medical University

Email: dr.smetaninsm@gmail.com
Moscow, Russia
cand. med. sci., trauma and orthopaedic surgeon, clinic of traumatology, orthopaedics and joint pa- thology, I.M. Sechenov First MSMU

G. M Kavalerskiy

I.M. Sechenov First Moscow State Medical University

Moscow, Russia

References

  1. Борисов Д.Б., Киров М.Ю. Эндопротезирование тазобедренного и коленного суставов: эпидемиологические аспекты и влияние на качество жизни. Экология человека. 2013; 8: 52-7.
  2. Шапиро К.И. Частота поражений крупных суставов у взрослых. В кн.: Сборник научных трудов «Диагностика и лечение повреждений крупных суставов». Л.; 1991: 3-8.
  3. Felson D.T., Lawrence R.C., Dieppe P.A. et al. Osteoarthritis: new insights. Part 1: the disease and its risk factors. Ann. Intern. Med. 2000; 133 (8): 635-46.
  4. Сазонова Н.В. Организация специализированной ортопедической помощи больным остеоартрозами тазобедренного и коленного суставов: Автореф. дис. … д-ра мед. наук. Курган; 2009.
  5. Miranda H., Viikari-Juntura E., Martikainen R., Riihimдki H. A prospective study on knee pain and its risk factors. Osteoarthritis Cartilage. 2002; 10 (8): 623-30.
  6. Hawker G., Wright J., Coyte P. et al. Health-related quality of life after knee replacement. J. Bone Joint Surg. Am. 1998; 80 (2): 163-73.
  7. Losina E., Walensky R.P., Kessler C.L. et al. Cost- effectiveness of total knee arthroplasty in the United States: patient risk and hospital volume. Arch. Intern. Med. 2009; 169 (12): 1113-21. doi: 10.1001/ archinternmed.2009.136.
  8. Behr J.T., Chmell S.J., Schwartz C.M. Кnее arthrodesis for failed total knee arthroplasty. Arch. Surg. 1985; 120 (3): 350-4.
  9. Booth R.E. Jr. Joint arthroplasty: one step forward, two step back. Orthopedics. 1995; 18 (9): 783-6.
  10. Rader Ch.P., Barthel Т., Haase M. et al. Heterotopic ossification after total knee arthroplasty. Acta. Orthop. Scand. 1997; 68 (1): 46-50.
  11. Кавалерский Г.М., Середа А.П., Лычагин А.В., Сметанин С.М. Эндопротезирование суставной поверхности надколенника при тотальной артропластике коленного сустава: аналитический обзор литературы. Травматология и ортопедия России. 2014; 3: 128-41. doi: 10.21823/2311-2905-2014-0-3-128-141.
  12. Бояринцев В.В., Самойлов А.С., Давыдов Д.В. и др. Перспективы применения клеточных технологий в травматологии и ортопедии: влияние стволовых клеток на течение репаративных процессов в костной ткани. Военно-медицинский журнал. 2009; 330 (4): 68-9.
  13. Бояринцев В.В., Самойлов А.С., Давыдов Д.В. и др. Ревизионные операции в травматологии и ортопедии: усиление остеоинтеграции после глубоких инфекционных осложнений. Инфекции в хирургии. 2010; 8 (2): 50-6.
  14. Середа А.П., Грицюк А.А., Зеленяк К.Б., Серебряков А.Б. Факторы риска инфекционных осложнений после эндопротезирования коленного сустава. Инфекции в хирургии. 2010; 8 (4): 67-76.
  15. Lau E.M., Symmons D.P., Croft P. The epidemiology of hip osteoarthritis and rheumatoid arthritis in the Orient. Clin. Orthop. Relat. Res. 1996; (323): 81-90.
  16. National Joint Registry for England and Wales. 12th Annual Report. 2015. Available: http://www.njrcen- tre.org.uk/njrcentre/Portals/0/Documents/England/ Reports/12th%20annual%20report/NJR%20Online%20 Annual%20Report%202015.pdf.
  17. National Joint Registry for England and Wales. 9th Annual Report. 2012. Available: http://www.njrcentre. org.uk/njrcentre/default.aspx.
  18. Delaunay C. Registries in ortopaedics. Orthop. Travmatol. Surg. Res. 2015; 101 (1 Suppl): S69-75. doi: 10.1016/j. otsr.2014.06.029.
  19. Кавалерский Г.М., Сметанин С.М. Эндопротезирование коленного сустава при системных заболеваниях соединительной ткани. Врач-аспирант. 2016; 77 (4): 9-14.
  20. Кавалерский Г.М., Ченский А.Д., Сметанин С.М., Грицюк А.А. Биомеханика коленного сустава в норме и при остеоартрозе. Врач-аспирант. 2016; 79 (6.1): 172-8.
  21. Тихилов Р.М. 3 составляющие концепции НИИТО им. Р.Р. Вредена. CeraNews. 2013; (2): 2-5.
  22. Тихилов Р.М., Шубняков И.И., Коваленко А.Н. и др. Данные регистра эндопротезирования тазобедренного сустава РНИИТО им. Р.Р. Вредена за 2007-2012 годы. Травматология и ортопедия России. 2013; (3): 167-90. doi: 10.21823/2311-2905-2013--3-167-190.
  23. Иванов К.М., Шевченко B.C., Юргенсон Э.Е. Метод конечных элементов в технологических задачах ОМД: Учебное пособие. Санкт-Петербург: Институт машиностроения. 2000: 217.
  24. Crottet D., Kowal J., Sarfert S.A. et al. Ligament balancing in TKA: evaluation of a force-sensing device and the influence of the patellar evertion and ligament release. J. Biomech. 2007; 40: 1709-15. doi: 10.1016/j.jbiomech.2006.08.004.
  25. Gramada M., Baroudi M., Forthomme J.P. Investigating intraoperative joint capsule using a pressure sensor tensor in posterior stabilized TKA. E-Health and Bioengineering Conference (EHB). 2011: 1-4.
  26. Kapandji I. The knee. In: Kapandji I., ed. The physiology of the joints. vol. 2. Edinburgh: Churchill Livingstone; 1970: 72-135.
  27. Muller W. The knee: form, function and ligament reconstruction. New York: Springer-Verlag; 1983: 8, 9, 145-50.
  28. O’Connor J., Shercliff T., Fitzpatrick D. et al. Geometry of the knee. In: Akeson W.H., O’Connor J.J., Daniel D.M., eds. Knee ligaments: structure, function, injury and repair. New York: Raven Pr; 1990: 163-200.
  29. Денисов А.С., Няшин Ю.И., Тверье В.М. и др. Математическое моделирование нагруженности коленного сустава при гонартрозе. Российский журнал биомеханики. 1999; 2: 28-9.

Statistics

Views

Abstract - 32

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2017 Smetanin S.M., Kavalerskiy G.M.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies