Yürüyüş Döngüsü ile Birlikte Sürekli Dinamik Yükleme Altında Posterior Tibial Eğim Açısı Değişiminin Diz Implant Polietilen Insert Üzerindeki Aşınmaya Etkisi

Abstract

Dizler yürümek, koşmak, oturmak, kalkmak gibi günlük işlerimizi yapmamızı sağlayan ve vücudumuzun yükünü taşıyan eklemlerdir. Diz eklemlerinin kıkırdak dokularında meydana gelen aşınma ve yıpranmalar nedeniyle diz ağrıları meydana gelmektedir. Bu ağrıları dindirmek için hastalara çeşitli medikal tedavi ve fiziksel tedavi uygulanmaktadır. Bu tedavilere rağmen ağrıları azalmayan hastalara total diz artroplasti (TDA) tedavisi uygulanmaktadır. Artroplasti hasarlı eklem dokuları kesilerek yerine polietilen ve metal parçaların eklenmesiyle olur. Artroplastide zarar görmüş diz eklemindeki tibia, femur ve patella kemikleri yüzeyi metal bileşen ve polietilen ara bileşen malzeme ilave edilerek yapılan bir uygulamadır. Diz kinematiğinde ve artroplasti ameliyatlarında tibial eğim önemli bir faktördür. Tibial eğim tibia platosunun sagital planda posteriora doğru yaptığı anatomik eğim olarak tanımlanmıştır. Bu eğim tibianın aksına dik olan doğrultunun, tibia platosunun paralel doğrultusuyla arasında kalan açıdır. 6° ila 13° arasında değişiklik gösteren değerlere sahiptir. Bu çalışma ile Posterior Tibial eğim açısı değişimi, Fleksiyon etkilerinden kaynaklanan ve PE insert üzerine etkiyen yükler nedeniyle arayüzeydeki basınç dağılımları ve aşınma bilgilerinin sayısal olarak hesaplanması ve elde edilmesi amaçlanmıştır. Diz implant montajında temas arayüzeyine gelen yük ve sonrasında insert üzerindeki aşınma miktarında önemli bir yer işgal eden Posterior tibial eğim açısının, devir sayısıyla birlikte arttıkça aşınma miktarının hafifte olsa azaldığı görülmektedir. Bu azalma, PE insert-Femoral bileşen arayüzeyine 0 derece montajda dik olarak gelen ve bu çalışmada 50 N olarak alınan düşey yükleme kuvvetinin montaj açısı değiştikçe temas arayüzeyine dik ve paralel olmak üzere iki bileşene ayrılması; açı arttıkça paralel kuvvetin artması, dik kuvvetin ise azalması nedeniyledir.

Keywords

• Posterior Tibial Eğim
• Sonlu Elemanlar Analizi
• Yürüyüş Döngüsü
• Aşınma

Effect of Changes in Posterior Tibial Slope Angle Under Continuous Dynamic Loading During the Gait Cycle on the Wear of Knee Implant Polyethylene Insert

Abstract

Knees are the joints that allow us to do our daily tasks such as walking, running, sitting, standing and carrying the weight of our body. Knee pain occurs due to wear and tear in the cartilage tissues of the knee joints. Various medical and physical treatments are applied to patients to relieve this pain. Total knee arthroplasty (TKA) treatment is applied to patients whose pain does not decrease despite these treatments. Arthroplasty is performed by cutting the damaged joint tissues and adding polyethylene and metal parts instead. Arthroplasty is an application made by adding metal components and polyethylene intermediate component material to the surface of the tibia, femur and patella bones in the damaged knee joint. Tibial inclination is an important factor in knee kinematics and arthroplasty surgeries. Tibial inclination is defined as the anatomical inclination of the tibial plateau towards the posterior in the sagittal plane. This inclination is the angle between the direction perpendicular to the axis of the tibia and the parallel direction of the tibial plateau. It has values that vary between 6° and 13°. This study aims to numerically calculate and obtain information on the Posterior Tibial inclination angle change, pressure distributions on the interface due to the loads acting on the PE insert due to flexion effects and wear information. It is observed that the Posterior Tibial inclination angle, which occupies an important place in the amount of load on the contact interface and the amount of wear on the insert after knee implant assembly, slightly decreases as the amount of wear increases with the number of cycles. This decrease is due to the vertical loading force applied to the PE insert-Femoral component interface at 0 degrees assembly and taken as 50 N in this study, being separated into two components as perpendicular and parallel to the contact interface as the assembly angle changes; the parallel force increases as the angle increases and the perpendicular force decreases.

Keywords

• Posterior Tibial Slope
• Finite Element Analysis
• Gait Cycle

References

1. Archard, J.F., 1953,” Contactandrubbing of flatsurfaces,” Journal of AppliedPhysics 24 (8), 981–988. Bilge A., Ulusoy R. G., Üstebay S., Öztürk Ö.,“Osteoartrit”, Kafkas Tıp Bilimleri Dergisi. 2018; 8(1): 133-142.
2. Godest, A. C.,Beaugonin, M., Haug, E., Taylor, M., & Gregson, P. J. 2002. Simulation of a kneejointreplacementduring a gaitcycleusingexplicitfinite element analysis. Journal of biomechanics, 35(2), 267-275.
3. Kang, L., Galvin, A. L., Brown, T. D., Jin, Z., & Fisher, J. 2008. Quantification of the effect of cross-shear on the wear of conventional and highly cross-linked UHMWPE. Journal of biomechanics, 41(2), 340-346.
4. Kawanabe, K., Clarke, I. C., Tamura, J., Akagi, M., Good, V. D., Williams, P. A., & Yamamoto, K. 2001. Effects of A–P translation and rotation on the wear of UHMWPE in a total knee joint simulator. Journal of Biomedical Materials Research: An Official Journal of The Society for Biomaterials and The Japanese Society for Biomaterials, 54(3), 400-406.
5. Koh, Y. G., Park, K. M., Kang, K., Kim, P. S., Lee, Y. H., Park, K. K., & Kang, K. T. 2021. Finite element analysis of the influence of the posterior tibial slope on mobile-bearing unicompartmental knee arthroplasty. The Knee, 29, 116-125.
6. Koluaçık, S., Can, M., Bahçe, E., & Emir, E. 2019. Bağ Kesen Total Diz Protezinde Post Geometrisinin Konveks ve Konkav Durumunun Aşınmaya Etkisinin SEA ile Araştırılması. Ordu Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 9(1), 45-57.
7. Korkmaz, İ. H., Kaymaz, İ., Medetalibeyolu, F., & Yıldırım, Ö. S. 2014. Çift Katmanlı Kemik Modeli ile Diz Protezi Dizilimi Eldesi Ve Sonlu Elemanlar Analizi ile Değerlendirilmesi. Sakarya University Journal of Science, 16(3), 189-194.
8. Li, Y., Gao, Y., Ding, L., Yang, C., Wang, J., Zhang, X., ... & Qi, X. 2019. Finite element analysis of the effect of tibial prosthesis extension stem length in total knee arthroplasty in the Chinese population.

9. Liu, F., Galvin, A., Jin, Z., & Fisher, J. 2011. A new formulation for the prediction of polyethylene wear in artificial hip joints. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine, 225(1), 16-24.
10. Ozer, A. 2022. Computational wear of knee implant polyethylene insert surface under continuous dynamic loading and posterior tibial slope variation based on cadaver experiments with comparative verification. BMC Musculoskeletal Disorders, 23(1), 871.
11. Özer, A., Öcal, Ç., & Mutu, H. B. (2022). Yürüyüş Döngüsü ile Birlikte Sürekli Dinamik Yükleme Altında Diz Implant Polietilen Insert Üzerindeki Aşınma. Gaziosmanpaşa Bilimsel Araştırma Dergisi, 11(2), 268-276.
12. Shen, Y., Li, X., Fu, X., & Wang, W. 2015. A 3D finite element model to investigate prosthetic interface stresses of different posterior tibial slope. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy, 23(11), 3330-3336.
13. Sridar, S., Nguyen, P. H., Zhu, M., Lam, Q. P., & Polygerinos, P. 2017. Development of a soft-inflatable exosuit for knee rehabilitation. In 2017 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) (pp. 3722-3727). IEEE.
14. Suh, D. S., Kang, K. T., Son, J., Kwon, O. R., Baek, C., & Koh, Y. G. 2017. Computational study on the effect of malalignment of the tibial component on the biomechanics of total knee arthroplasty: A Finite Element Analysis. Bone & joint research, 6(11), 623-630.
15. Wünschel, M., Leasure, J. M., Dalheimer, P., Kraft, N., Wülker, N., & Müller, O. 2013. Differences in knee joint kinematics and forces after posterior cruciate retaining and stabilized total knee arthroplasty. The Knee, 20(6), 416-421.
16. Wünschel, M.,Lo, J., Dilger, T., Wülker, N., &Müller, O. 2011. Influence of bi-andtri-compartmentalkneearthroplasty on thekinematics of thekneejoint. BMC MusculoskeletalDisorders, 12(1), 1-7.
17. Zhang, J., Chen, Z., Wang, L., Li, D., & Jin, Z. 2017. A patient-specific wear prediction framework for an artificial knee joint with coupled musculoskeletal multibody-dynamics and finite element analysis. Tribology International, 109, 382-389.