Construction of an instrumented retro-patellar implant to measure in vitro loads

Abstract

A patela é o maior osso sesamóide do corpo humano e tem como função biomecânica aumentar a eficiência do quadríceps através da diminuição da força muscular. É parte constituinte do joelho, portanto, quando o movimento de flexão do joelho é realizado, a patela também se move – a isto chama-se rastreio patelar. Há pessoas que sofrem de dores na patela sem explicação aparente e quando se realiza uma artoplastia total de joelho, a componente patelar é também substituída, pelo que é fundamental saber mais sobre o sistema patelar e sobre como as cargas internas sentidas na patela alteram durante o movimento de flexão e extensão do joelho. A presente dissertação propõe um protótipo de um implante patelar instrumentado, relatando integralmente a sua concepção, fabrico e calibração. É também apresentada uma análise de elementos finitos de parte do protótipo. As patelas obtidas foram utilizadas em medições em cadáveres (usando um joelho direito de um cadáver masculino de 80 anos, sumetido a uma artoplastia total de joelho), implementando a patela no osso nativo. A perna foi submetida a movimentos de flexão/extensão e enquanto o movimento acontecia, as forças internas da patela, o ângulo de flexão, as diferenças na orientação da patela, e as forças musculares foram registadas. De forma geral, as forças internas aumentam com o movimento de flexão e diminuem com o de extensão. Porém, os resultados também mostraram que os diferentes tipos de patela que foram usados afectaram as forças internas (tanto o comportamento das forças ao longo do movimento, como os valores das mesmas). A orientação da patela também se viu afetada. Estas diferenças ocorreram especialmente com a utilização da patela com cúpula descentrada. A força muscular do quadríceps também influenciou as forças da patela, sendo esta ação mais perceptível na força vertical. Quanto aos valores dos diferentes parâmetros, para todos os protótipos, os intervalos encontrados foram [0, 150] N para a força mediolateral; para a força anterioposterior [100, 820] N; para a força superior inferior [0, 190] N; e para a força resultante [100, 850] N.

The patella is the largest sesamoid bone in the human body, with the biomechanical function of enhancing the quadriceps efficiency by decreasing the muscle force. Being part of the knee, when the knee flexion movement is performed, the patella also moves – patellar tracking. Some patients suffer from unexplained patellar pain and when a Total Knee Arthroplasty (TKA) is performed, the patellar component is also replaced so it is fundamental to get more insight into the reliability of this patellar system and how its internal loads' change during knee flexion and extension movement. The present dissertation proposes a prototype of an instrumented patella implant, fully reporting its design, fabrication, and calibration. A finite element analysis is also portrayed in this work. The patellas were used in cadaver measurements (right knee of an 80-year-old male cadaver, with TKA), implementing the patella in the resected bone, and then the leg was submitted to flexion/extension movements. While the movement was happening, the internal forces of the patella, the flexion angle, the differences in the orientation of the patella, and the muscle forces were collected. In general, the internal forces increase with flexion movement and decrease with extension. However, the results also show that the different patella designs affect the internal forces (the behavior throughout the movement and its values), and the orientation of the patella – especially the use of the medial offset dome. The quadriceps muscle force also influences the patella forces, more noticeable in the vertical force. As to the values of the different parameters, for all prototypes, the intervals found were [0, 150] N for the mediolateral force; for the anterior-posterior force [100, 820] N; for the superior-inferior force [0, 190] N; and for the resultant force [100, 850] N.