Estudo computacional de solução mini-invasiva no tratamento da lesão osteocondral no tornozelo

Abstract

A articulação do tornozelo é constituída pelas extremidades distais da tíbia e da fíbula e pela cúpula do tálus. A lesão osteocondral carateriza-se por uma lesão na cartilagem e/ou osso do tálus de origem em entorses do tornozelo. O objetivo deste trabalho é estudar o efeito da lesão e do tratamento da mesma com recurso a cirurgia mini invasiva. Para tal, foram obtidos modelos CAD das estruturas ósseas corticais constituintes e adaptados de forma a reconstruir a articulação. Depois de reconstruída a articulação, foi realizado o desenvolvimento do modelo numérico com recurso ao método dos elementos finitos, tendo-se criado 3 modelos diferentes: um com a cartilagem intacta, um com lesão e outro com lesão e a prótese HemiCAP. Os resultados obtidos para os diferentes modelos foram depois comparados entre si, de forma a avaliar o impacto da lesão e da prótese nas cartilagens envolvidas. No modelo com a prótese foi ainda avaliado o impacto da colocação na cartilagem oposta, a cartilagem da tíbia. Os valores obtidos para tensões máximas na cartilagem do tálus quando lesionada foram de 3,53 MPa, enquanto com existência de prótese na área a pressão desce para os 2,26 MPa. A cartilagem intacta regista um valor de pressão de 2,85 MPa. Isto traduz-se num aumento de 24% quando existe lesão. Relativamente ao máximo global obtido com a colocação, este é de 6,58 MPa. Quando analisada a cartilagem da tíbia, verifica-se uma tensão máxima de 1,78 MPa quando a prótese se encontra abaixada e 7,6 MPa quando a prótese se encontra elevada, o que equivale a um aumento de 327%. O osso esponjoso do tálus sofre um aumento das deformações principais máximas após a implantação da prótese de cerca de 365 με, equivalente a um aumento de 44%. Já a deformação principal mínima sofre uma diminuição de 184 με, cerca de 9%. Os resultados obtidos indicam que a presença da lesão aumenta as tensões na cartilagem do tálus, mas que a colocação da prótese permite atenuar esses aumentos. A presença da prótese causou um aumento das deformações máximas e uma diminuição das deformações principais mínimas no osso esponjoso. Verificou-se também que a elevação da prótese aumenta as tensões e pressões de contacto medidas na cartilagem da tíbia originando dano na mesma.

The ankle joint consists of the distal extremities of the tibia, fibula and the dome of the talus. The osteochondral lesion is characterized as a cartilage and/or bone lesion in the talus originating from ankle sprains. The purpose of this thesis is to study the effects of the lesion and its treatment using mini-invasive surgery. To achieve this, a CAD model of the joint's bone structures was obtained and adapted, in order to reconstruct the complete joint. After this, the numerical model was developed using the finite element method. Three models were developed: one with an intact cartilage, one with the lesion and one with the lesion and the HemiCAP implant. The results obtained from these models were then compared to evaluate the impact of the lesion and the prothesis on the cartilages in study. The model with the prothesis was also studied to evaluate the impact of its height on the opposing cartilage, the tibial cartilage. The maximum tensions measured on the talar cartilage when injured were 3,53 MPa, while when there is a prothesis on the area the values drop to 2,26 MPa, compared to 2,85 MPa measured on the intact cartilage. This is equivalent to an increase of 24% in the presence of an injury. The global maximum measured when there is an implant was 6,58 MPa. When analysing the tibial cartilage, the maximum tensions measured when the implant is lowered were 1,78 MPa and when it was elevated were 7,6 MPa, which is equivalent to an increase of 327%. The cancellous bone of the talus undergoes na increase in maximum deformations after implantation of the prothesis of about 365 με, equivalent to an increase of 44%. The minimum deformation, on the other hand, suffered a decrease of 184 με, which is about 9%. The obtained results indicate that the presence of the lesion increases the tensions on the cartilage of the talus, but the implementation of the implant attenuates these increases. The presence of the implant caused the maximum deformation of the talar cancellous bone to increase and the minimum to decrease. It was also verified that the elevation of the prothesis increases the tensions and contact pressures measured on the tibial cartilage, causing damage to it.