Assessment of changes in the loading of menisci following femur structural deformities

Abstract

Purpose: To evaluate the changes of maximum equivalent stresses (MES) on menisci following femur structural deformities. Materials and methods: Three- Dimensional (3D) solid models were created on MIMICS® by using DICOM formatted longitudinal computed tomography scans. +10° femur neck valgus osteotomy was simulated for coxa valga and -10° varus osteotomy was simulated coxa vara. ANSYS® WorkbenchTM (Version 12) was used to analyze the stress/load distribution on menisci.Results: In the reference model, the MES on medial meniscus was 17.362 Megapascal (MPa), lateral meniscus was 8.621 MPa. The MES was measured 10.632 MPa on medial meniscus and 9.487 MPa on lateral meniscus in coxa vara model. In coxa valga simulated model the MES on medial meniscus was 6.866 MPa while lateral meniscus was 21.854 MPa.Conclusion: Maxiumum equivalent stresses on menisci were affected according to changes in mechanical axis of lower extremity due to proximal femur geometric variations.

Keywords

• Meniscus, finite element analysis, biomechanics, knee joint.

Femur yapısal hasarlarında menisküslerde oluşan gerilmelerin değerlendirilmesi

Abstract

Amaç: Femur boyun geometrisi değişimlerinde diz ekleminde medial ve lateral menisküslerde oluşan gerilmelerin hesaplanmasıYöntem: DICOM formatında alınan alt ekstremite uzunluk Bilgisayarlı Tomografi kesitleri MIMICS® programında üç boyutlu (3D) katı model haline getirildi. Femur boynu kesme düzlemi Femur boyun (α) açısı referans femur modeli üzerinden -10° döndürülerek vara ve +10° döndürülerek valga femur modelleri elde edilmiştir. Menüsküsler üzerindeki yük dağılımının hesaplanabilmesi için, ANSYS® WorkbenchTM (Version 12) programı kullanılmıştır.Bulgular: Referans modelde medial menüsküs de oluşan en fazla eşdeğer gerilme (MES) değeri 17.362 MPa, lateral menüsküs için ise 8.621 MPa olarak bulunmuştur. 10° koksa vara modelde elde edilen MES medialde 10.632 MPa, lateralde ise 9.487 MPa olarak bulunmuştur. 10° koksa valga modelde MES medialde 6.866 MPa, lateralde ise 21.854 MPa olarak bulunmuştur.Sonuç: Femur proksimal geometrik değişimlerde menisküsler üzerinde oluşan MES lerde değişmeler olmaktadır bu değişimler alt ekstremite mekanik aks değişimlerinden kaynaklanmaktadır.

Keywords

• Menüsküs, sonlu elemanlar analizi, biyomekanik, diz eklemi

References

1. Gürer G. Seçkin B,Diz biyomekaniği, Romatizma 2001; 16(2):114- 124.
2. Oğuz H, Diz Ağrıları, Romatizmal ağrılar, Konya: Atlas Tıp Kitapevi; 1992. p. 275-85
3. Tüzün F, Yavuz M, Akarırmak Ü. Diz ağrıları, hareket sistemi hastalıkları, İstanbul, Nobel Tıp Kitapevleri; 1997.p 279-280.
4. Öztürk L, Aktan ZA, Varol T. Alt ekstremite kasları, işlevsel anatomi, İzmir, Saray Kitapevleri; 1997.p.192-194
5. Pauwels F. Contributions on the functional anatomy of the locomotor apparatus.In: Pauwels F (Ed) Biomechanics of the locomotor apparatus Berlin, Springer-Verlag, 1980; p.76-105
6. Simoes JA, Vaz MA, Blatcher S, Taylor M. Infuluence of head constrains and muscle forces on the strain distribution within the intact femur. Medical Engineering & Physics 2000; 22: 453-459.
7. LeRoux MA, Setton LA. Expermental biphasic fem determinations of the material properties and hydraulic permaility of the meniscus tension, J Biomech Eng 2002; 124: 315-321.
8. Pena E, Calvo B, Martinez MA, Palanca D, Doblare M, Finite element analysis of the effect of meniscal tears and meniscectomies on human knee biomechanics, Clin Biomech 2005;20: 498-507.

9. Coventry MB. Upper tibial osteotomy for gonarthrosis. The evolution of the operation in the last 18 years and long term results. Orthop Clin North Am 1979;10:191-210
10. Coventry MB. Proximal tibial osteotomy. Orthop Rev 1988;17:456- 458