Análise biomecânica da reconstrução do ligamento cruzado anterior

Abstract

Em desportos com muita exposição dos joelhos aos traumatismos, especialmente forças de torção ocorrentes numa mudança de direção, são frequentes as roturas dos ligamentos cruzados. No entanto, forças de baixa magnitude podem também causar roturas em ligamentos debilitados pela idade, doença, imobilização, esteroides ou insuficiência vascular. Na rotura do ligamento cruzado anterior (LCA) o tratamento pode ser efetuado através de cirurgia ou de tratamento conservador, em casos de pouca motivação desportiva. Em jovens atletas com altas exigências físicas a reconstrução do ligamento é altamente aconselhável. São diversas as técnicas de plastia utilizadas na reconstrução do LCA, mas quase todas passam pela colheita de um enxerto de tendão que vai ser colocado através de túneis ósseos que atravessam a tíbia e o fémur ou passar “over the top”, como preconizam alguns autores em crianças, de forma a substituir o ligamento cruzado que lacerou. Embora raramente, há quem ainda utilize ligamentos sintéticos. No entanto, o sucesso desta reconstrução está diretamente ligado aos alinhamentos e posicionamentos dos tuneis ósseos na tíbia e no fémur, assim como do nível de tensão instalado no enxerto ligamentar. Assim, a presente dissertação pretendeu desenvolver um estudo biomecânico pormenorizado da reconstrução do LCA, relacionando os parâmetros de alinhamento e posicionamentos dos tuneis ósseos, na repartição de carga nas estruturas adjacentes, tais como a cartilagem articular, meniscos e restantes estruturas ligamentares, assim como no movimento da articulação. Neste estudo utilizou-se um modelo geométrico do joelho nativo com as estruturas ósseas, cartilagíneas, meniscais e ligamentares obtidas através de ressonância magnética de um joelho de cadáver. Nos modelos de reconstrução do LCA o ligamento nativo foi substituído por quatro neo-ligamentos de enxerto osso-tendão-osso. A informação relativa aos diferentes posicionamentos dos tuneis tibiais e femorais para a reconstrução ligamentar foi recolhida do trabalho desenvolvido em cadáver pelo coorientador deste trabalho e publicado na sua tese de doutoramento. Com base na informação geométrica do joelho e de posição da reconstrução do LCA foram desenvolvidos cinco modelos de elementos finitos, um relativo ao joelho intacto e quatro de reconstruções do LCA. Nestes modelos numéricos após a definição das propriedades mecânicas e condições de contacto foram impostas forças e momentos no fémur representativas do ciclo de marcha durante o movimento de flexão desde a extensão até uma flexão máxima de 100º. Posteriormente foram analisados os resultados de pressão de contacto, área de contacto, deformações principais máximas e mínimas nas cartilagens, deslocamentos lineares e rotações do fémur relativamente à tíbia, deslocamentos dos meniscos, e tensões de Von Mises e deformações principais máximas nos ligamentos. Os resultados obtidos evidenciam que o posicionamento dos tuneis na tíbia e fémur influenciam decisivamente o comportamento estrutural e cinemático do joelho. As reconstruções cujas inserções são mais afastadas das nativas do LCA foram as que revelaram maiores diferenças de comportamento relativamente ao joelho saudável enquanto as reconstruções mais próximas ofereceram resultados que se aproximam do comportamento do joelho nativo.

In sports with a lot of exposure to knee injuries, especially in those where torsional forces occur as a change of direction, ruptures of the cruciate ligaments are frequent. However, low magnitude forces may also cause ruptures in ligaments debilitated by age, disease, immobilization, steroids or vascular insufficiency. After rupture of the anterior cruciate ligament (ACL), treatment can be conservative, in cases with low sport motivation, or performed by surgery. In young athletes with high physical demands, ligament reconstruction is mandatory. There are several repair techniques used in ACL reconstruction where most pass through the harvest of a tendon graft that will be placed through bone tunnels running through the tibia and femur or placed over the top, as recommended by some authors in children with the objective to replace the native ligament which lacerated. Although rarely, synthetic ligaments are still used. However, the success of this reconstruction is directly related to the alignment and positioning of the bone tunnels in the tibia and femur, as well as the pre-tension level applied in the ligament graft. Thus, the present work aimed at developing a detailed biomechanical study of ACL reconstruction, listing the alignment parameters and positioning of the bone tunnels, the distribution of load on adjacent structures such as articular cartilage, menisci and other ligamentous structures as well as the movement of articulation. In this study we used a geometric model of the native knee with bony structures, cartilage, ligament and meniscus obtained by magnetic resonance imaging of a knee body. In ACL reconstruction models the native ligament was replaced by four neo-ligament bone-tendon-bone graft. The information about different positions of the tibial and femoral tunnels for ligament reconstruction was taken from the work in cadavers of the co-advisor, this work was published in his doctoral thesis. Based on geometric information of the knee and the position of the reconstructed ACL, five finite element models were developed, one relative to the intact knee and four for ACL reconstructions. In these numerical models, after setting the mechanical properties and contact conditions, were imposed forces and moments in the femur representative of the gait cycle from full extension to a maximum flexion of 100°. Subsequently we analyzed the results of contact pressure, contact area, maximum and minimum principal strains in cartilage, linear displacements and rotations of the femur relative to the tibia, displacement of the meniscus, and for the ligaments Von Mises stresses and maximum principal strains. The results show that the positioning of the tunnels in the tibia and femur decisively influence the structural and kinematic behavior of the knee. The ACL reconstructions where the graft insertions were most distant were those that showed greater differences in behaviour relative to the native knee as the closest reconstructions showed a behaviour slightly similar to the native knee.