Cartilage contact pressure in the knee during walking in healthy and degenerated conditions: a subject-specific Finite Element modeling analysis

L’osteoartrosi inficia gravemente la biomeccanica di ginocchio. L’individuazione precoce è cruciale per limitare danni alla cartilagine e il suo processo degenerativo. Nella ricerca sull’osteoartrosi, i modelli computazionali hanno un ruolo importante nell’analisi quantitativa della distribuzione in-vivo dei carichi nei tessuti. Lo scopo di questo studio è analizzare le pressioni di contatto sulla cartilagine di ginocchio nel cammino in condizioni sane e patologiche, utilizzando un modello agli elementi finiti personalizzato da MRI. Il modello con cartilagine sana include: articolazione tibiofemorale con relative ossa, cartilagini, legamenti e muscoli, e articolazione d’anca. La cartilagine è modellata come iperelastica, e il contatto tra cartilagini senza attrito. Sono stati sviluppati due modelli con cartilagine degenerata: con difetto cartilagineo, e con materiale più cedevole intorno al difetto. L’analisi è stata condotta per la fase di appoggio del ciclo del passo. Sono state confrontate le pressioni di contatto del modello sano con quelle ottenute da un modello multi-corpo precedentemente sviluppato, e sono state analizzate le differenze tra modelli con cartilagine sana e degenerata. Abbiamo ottenuto pressioni di contatto simili tra il nostro modello sano e quello multicorpo (R^2=0.94), e ciò valida indirettamente quest’ultimo. Abbiamo riscontrato che un difetto cartilagineo induce un significativo aumento di pressione fino al 75% in confronto a condizioni sane, in particolare intorno al difetto. L’indebolimento nelle proprietà materiali induce poi una diversa distribuzione di pressione a seguito di una maggiore area di contatto. Nonostante i limiti, questo studio risulta rilevante nella comprensione dei meccanismi di degenerazione cartilaginea. La forza del modello risiede nell’approccio MRI-based ed open-source e nella parametrizzazione del modello per studiare molteplici attività motorie ed interazioni tra i tessuti.