Comparative study of the techniques to bridge the bone loss in T.K.A.

Abstract

This thesis objective was to study the biomechanical aspects of the di erent repair techniques of bone loss in the proximal tibia, in the revision of total knee arthroplasty. We sought to speci cally evaluate how each of the di erent techniques changes the load transfer to the supporting bone, thus gauging the potential for bone resorption or fatigue failure of the supporting bone. Was also assessed, in a comparative way, the stability of each repair construction of the bone defects, relatively to the solutions without bone defects. We also sought, in this work, to evaluate the e ect of the use of intramedullary stems when associated to di erent techniques. For this purpose, as a rst step, we tried to perform a detailed analysis of the knee joint in its anatomical and biomechanical aspects, with special focus on arthroplasty and its revision process. We selected the knee prosthesis P.F.C. Sigma as an element for the realization of the comparative study. The prosthetic metal elements used in the di erent bone replacement constructions were also the same model, hemi-wedge, wedge and block total. As a complement two more bone repair techniques were also compared: using only bone cement in contrast with the use of a bovine bone graft. In the following phase experimental models were developed using the tibia in composite material, where the bone defects were created and the di erent techniques applied during "in vitro" surgeries. In order to assess the changes of load transfer and stability in the region annexed to the bone defect were placed gauges, allowing the evaluation of the models main surface deformations, as well as the use of video techniques for assessing the stability of the tibial plateau in the di erent techniques. These models were subjected to a severe case of load on the medial condyle where the defect is located, proceeding to evaluation and comparison of results of deformation and stability of the bone plate. At a later stage we proceeded to the development of nite element numerical models that seek to replicate the models evaluated experimentally. The models were subjected to two load cases, one case identical to the one applied in experimental models that allowed the validation of numerical models and another load case representing a physiological load condition during the walking cycle. The numerical models have allowed the assessment of biomechanical parameters, not eligible for evaluation before, using experimental models. Thereby the strains imposed on cortical and cancellous bone in the vicinity of the defect and in the interface with this have been analysed. These same models were compared with results obtained in experimental models in order to assess their correlation. The experimental and numerical results obtained allow us to show a good correlation between these numerical models demonstrating that they are able to faithfully replicate the behaviour of experimental models. The results obtained in both types of models show changes in load transfer and stability between the di erent types of techniques. The models with full wedge and block, on average, increased the strains on the medial side (the one with defect) of the cortical bone adjacent to the implant when compared with the bone and cement graft model and metallic hemi-wedge. However is during the construction with bovine bone graft that takes place the maximum increment of strain in cortical bone, on the medial side. These increases observed in the cortical bone for larger buildings is opposite to the behavior observed in the cancellous bone at the implant interface, in which case these constructions originate a reduction of deformation on the solution without defect. So the more invasive solutions potentiate the risk of fatigue damage in cortical bone and simultaneously increase the risk of bone resorption in the adjacent cancellous bone. In terms of stability only the metallic block implant proved to be signi cantly more stable than the other techniques. The additional stability provided by stems was felt only in less invasive constructions with the use of bone cement and hemi-wedge. The experimental and numerical results obtained allow us to show a good correlation between these numerical models demonstrating that they are able to faithfully replicate the behaviour of experimental models. The results obtained in both types of models show changes in load transfer and stability between the di erent types of techniques. The models with full wedge and block, on average, increased the strains on the medial side (the one with defect) of the cortical bone adjacent to the implant when compared with the bone and cement graft model and metallic hemi-wedge. However is during the construction with bovine bone graft that takes place the maximum increment of strain in cortical bone, on the medial side. These increases observed in the cortical bone for larger buildings is opposite to the behavior observed in the cancellous bone at the implant interface, in which case these constructions originate a reduction of deformation on the solution without defect. So the more invasive solutions potentiate the risk of fatigue damage in cortical bone and simultaneously increase the risk of bone resorption in the adjacent cancellous bone. In terms of stability only the metallic block implant proved to be signi cantly more stable than the other techniques. The additional stability provided by stems was felt only in less invasive constructions with the use of bone cement and hemi-wedge.

Nesta tese foi objectivo estudar os aspectos biomecânicos das diferentes técnicas de colmatação de perda óssea na tibia proximal aquando da revisão da artroplastia total do joelho. Procurou-se especi camente avaliar como cada uma das diferentes técnicas altera a transferência de carga ao osso de suporte, aferindo assim potenciais riscos de reabsorção óssea ou mesmo falha por fadiga do osso de suporte. Foi também avaliada de uma forma comparativa a estabilidade de cada construção de colmatação do defeito relativamente à solução sem defeito ósseo. Procurou-se também nesta tese avaliar o efeito da utilização da haste intramedular quando associada às diferentes técnicas. Para o efeito numa primeira fase procurou-se realizar uma analise detalhada à articulação do joelho na sua vertente anatómica e biomecânica com especial enfoque na artroplastia e no processo de revisão desta. Foi seleccionada a prótese do joelho P.F.C. Sigma como elemento para a realização do estudo comparativo, os elementos protésicos metálicos utilizados nas diferentes construções da substituição óssea foram também do mesmo modelo; hemi-cunha, cunha total e bloco. Em complemento foram também comparadas mais duas técnicas de colmatação óssea; uma com recurso apenas ao cimento ósseo e outra com a utilização de um enxerto de osso bovino. Na fase seguinte desenvolveram-se modelos experimentais com recurso à tibia em material compósito, onde os defeitos ósseos foram gerados e as diferentes técnicas de colmatação aplicadas através da realização de cirurgias "in-vitro". A m de aferir as alterações de transferência de carga e estabilidade foram colocados extensometros na região anexa ao defeito permitindo a avaliação das deformações principais na superfície dos modelos, assim como recorreu-se a utilização de técnicas de vídeo para avaliação da estabilidade do prato tibial nas diferentes técnicas. Estes modelos foram submetidos a um severo caso de carga no condilo medial onde se situa o defeito, tendo-se procedido à avaliação e comparação dos resultados das deforma ções no osso e estabilidade do prato. Numa fase posterior procedeu-se ao desenvolvimento de modelos numéricos de elementos nitos que procuram replicar os modelos avaliados experimentalmente. Este modelos foram submetidos a dois casos de carga, um idêntico ao aplicado nos modelos experimentais que permitiu a validação destes modelos numéricos e um outro caso de carga representativo de uma condição de carga mais siológica durante o ciclo de marcha. Este modelos numéricos permitiram a avaliação de parâmetros biomecânicos não passíveis de avaliação com recurso aos modelos experimentais anteriores. Foram assim analisadas as deformações impostas aos osso cortical e esponjoso na vizinhança do defeito e na interface com este. Estes mesmos modelos foram comparados com os resultados obtidos nos modelos experimentais de forma a avaliar a sua correlação. Os resultados experimentais e numéricos obtidos permitiram evidenciar boa correlação entre estes demonstrando que os modelos numéricos são capazes de replicar com delidade o comportamento dos modelos experimentais. Os resultados obtidos em ambos os tipos de modelos evidenciam alterações de transferência de carga e estabilidade entre os diferentes tipos de técnicas. Os modelos com cunha total e bloco aumentaram em média as deformações no lado medial (lado do defeito) do osso cortical adjacente ao implante quando comparados com o modelo de colmatação só com cimento ósseo e hemicunha. No entanto, os valores de máximos de incremento de deformação no osso cortical no lado medial ocorram para a construção com enxerto ósseo bovino. Estes incrementos observados no osso cortical para as construções de maior dimensão é oposto ao comportamento observado no osso esponjoso na interface com o implante, pois neste caso estas construções originam uma redução das deformações relativamente à solução sem defeito. Assim, temos que as soluções mais invasivas potenciam o risco de dano por fadiga óssea do osso cortical e simultaneamente potencializam o risco de reabsorção óssea no osso esponjoso adjacente. Em termos de estabilidade apenas a construção com bloco se revelou signi cativamente mais estável que as restantes técnicas. O efeito adicional de estabilidade das hastes apenas se fez sentir nas construções menos invasivas com recurso ao cimento ósseo e hemi-cunha.