Total knee replacement : subject–specific modeling, finite element analysis and evaluation of dynamic activities

Total Knee Replacement is a surgical procedure that is commonly used to relieve pain and disability in patients with osteoarthritis or severe knee injury. The process involves the resurfacing of the damaged knee joint with metallic and plastic parts in order to restore knee’s natural function and im...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Λόη, Ηλιάνα
Άλλοι συγγραφείς: Loi, Iliana
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2021
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/15077
id nemertes-10889-15077
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Ολική αρθροπλαστική γόνατος
Ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων
Εξατομικευμένη μοντελοποίηση
Αξιολόγηση/επικύρωση μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων
Κατάτμηση εικόνας
Επεξεργασία 3D γεωμετριών
OpenSim ανάλυση
Οριακές συνθήκες
Total knee replacement
Finite element analysis
Subject-specific modeling
Finite element model validation
Image segmentation
3D geometry processing
OpenSim analysis
Boundary conditions
spellingShingle Ολική αρθροπλαστική γόνατος
Ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων
Εξατομικευμένη μοντελοποίηση
Αξιολόγηση/επικύρωση μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων
Κατάτμηση εικόνας
Επεξεργασία 3D γεωμετριών
OpenSim ανάλυση
Οριακές συνθήκες
Total knee replacement
Finite element analysis
Subject-specific modeling
Finite element model validation
Image segmentation
3D geometry processing
OpenSim analysis
Boundary conditions
Λόη, Ηλιάνα
Total knee replacement : subject–specific modeling, finite element analysis and evaluation of dynamic activities
description Total Knee Replacement is a surgical procedure that is commonly used to relieve pain and disability in patients with osteoarthritis or severe knee injury. The process involves the resurfacing of the damaged knee joint with metallic and plastic parts in order to restore knee’s natural function and improve the everyday life of patients with osteoarthritis. A common way to investigate the kinematic and dynamic behavior of prosthetic knee joints, before or after a total knee arthroplasty, is through Finite Element Analysis. The finite element method is most widely applied for solving engineering and mathematical models, and, thus, it is utilized for stress and load estimation in biomechanical problems. In the case of total knee replacement, most studies focus on the investigation of the distribution of stresses and contact forces that are produced especially on the tibial plateau of the implant. These disquisitions aim, principally, at finding the main causes of implant failure or at designing custom–made prostheses. In this project, a subject–specific total knee replacement finite element model was developed and validated based on personalized data from the Sixth SimTK Grand Challenge dataset. The finite element construction procedure includes the creation of 3D bone geometries by using semi-automatic image segmentation techniques on patient–specific pre–operational CT data. These 3D bone models were, later, aligned with the implant parts of the knee joint by using segmentation software on post–operative CT images. Moreover, 3D processing software was used in order to correct geometry artifacts that would probably pose as an obstacle during the finite element analysis execution. Furthermore, the development of the finite element model of the implanted knee was performed automatically through Python scripting according to the FEBio FEM format. FEBio was utilized for the realization of finite element analysis of the total knee replacement model. The boundary conditions that were applied on the model were extracted from OpenSim analyses of subject–specific gait trials, which were, also, provided by the Sixth Grand Challenge Competition. The extracted boundary conditions from patient’s different gait patterns contributed in the validation of the total knee replacement model. The validation was conducted in terms of contact pressures and forces that were produced at the femoral component–tibial insert interface. More specifically, the observed contact stresses were in accordance with the acceptable values presented in literature, and the estimated contact forces were quite similar to the in vivo contact force measurements given by the Grand Challenge Competition. Therefore, from the evaluation process it was deduced that the constructed finite element model can accurately simulate the biomechanical behavior of a subject’s instrumented knee. The automatic creation procedure of the model offers the capability of producing various patient–specific prosthetic knees, by simply changing a few parameters. In particular, this model can be generalized, meaning that it can simulate the kinematics and evaluate the dynamics of the implanted knee of different patients and produce valid results. The developed finite element model can be further used in order to design custom–made prosthesis or organize a personalized surgery.
author2 Loi, Iliana
author_facet Loi, Iliana
Λόη, Ηλιάνα
author Λόη, Ηλιάνα
author_sort Λόη, Ηλιάνα
title Total knee replacement : subject–specific modeling, finite element analysis and evaluation of dynamic activities
title_short Total knee replacement : subject–specific modeling, finite element analysis and evaluation of dynamic activities
title_full Total knee replacement : subject–specific modeling, finite element analysis and evaluation of dynamic activities
title_fullStr Total knee replacement : subject–specific modeling, finite element analysis and evaluation of dynamic activities
title_full_unstemmed Total knee replacement : subject–specific modeling, finite element analysis and evaluation of dynamic activities
title_sort total knee replacement : subject–specific modeling, finite element analysis and evaluation of dynamic activities
publishDate 2021
url http://hdl.handle.net/10889/15077
work_keys_str_mv AT loēēliana totalkneereplacementsubjectspecificmodelingfiniteelementanalysisandevaluationofdynamicactivities
AT loēēliana olikēarthroplastikēgonatosexatomikeumenēmontelopoiēsēanalysēpeperasmenōnstoicheiōnkaiaxiologēsēdynamikōndrastēriotētōn
_version_ 1771297291248861184
spelling nemertes-10889-150772022-09-05T20:37:43Z Total knee replacement : subject–specific modeling, finite element analysis and evaluation of dynamic activities Ολική αρθροπλαστική γόνατος : εξατομικευμένη μοντελοποίηση, ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων και αξιολόγηση δυναμικών δραστηριοτήτων Λόη, Ηλιάνα Loi, Iliana Ολική αρθροπλαστική γόνατος Ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων Εξατομικευμένη μοντελοποίηση Αξιολόγηση/επικύρωση μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων Κατάτμηση εικόνας Επεξεργασία 3D γεωμετριών OpenSim ανάλυση Οριακές συνθήκες Total knee replacement Finite element analysis Subject-specific modeling Finite element model validation Image segmentation 3D geometry processing OpenSim analysis Boundary conditions Total Knee Replacement is a surgical procedure that is commonly used to relieve pain and disability in patients with osteoarthritis or severe knee injury. The process involves the resurfacing of the damaged knee joint with metallic and plastic parts in order to restore knee’s natural function and improve the everyday life of patients with osteoarthritis. A common way to investigate the kinematic and dynamic behavior of prosthetic knee joints, before or after a total knee arthroplasty, is through Finite Element Analysis. The finite element method is most widely applied for solving engineering and mathematical models, and, thus, it is utilized for stress and load estimation in biomechanical problems. In the case of total knee replacement, most studies focus on the investigation of the distribution of stresses and contact forces that are produced especially on the tibial plateau of the implant. These disquisitions aim, principally, at finding the main causes of implant failure or at designing custom–made prostheses. In this project, a subject–specific total knee replacement finite element model was developed and validated based on personalized data from the Sixth SimTK Grand Challenge dataset. The finite element construction procedure includes the creation of 3D bone geometries by using semi-automatic image segmentation techniques on patient–specific pre–operational CT data. These 3D bone models were, later, aligned with the implant parts of the knee joint by using segmentation software on post–operative CT images. Moreover, 3D processing software was used in order to correct geometry artifacts that would probably pose as an obstacle during the finite element analysis execution. Furthermore, the development of the finite element model of the implanted knee was performed automatically through Python scripting according to the FEBio FEM format. FEBio was utilized for the realization of finite element analysis of the total knee replacement model. The boundary conditions that were applied on the model were extracted from OpenSim analyses of subject–specific gait trials, which were, also, provided by the Sixth Grand Challenge Competition. The extracted boundary conditions from patient’s different gait patterns contributed in the validation of the total knee replacement model. The validation was conducted in terms of contact pressures and forces that were produced at the femoral component–tibial insert interface. More specifically, the observed contact stresses were in accordance with the acceptable values presented in literature, and the estimated contact forces were quite similar to the in vivo contact force measurements given by the Grand Challenge Competition. Therefore, from the evaluation process it was deduced that the constructed finite element model can accurately simulate the biomechanical behavior of a subject’s instrumented knee. The automatic creation procedure of the model offers the capability of producing various patient–specific prosthetic knees, by simply changing a few parameters. In particular, this model can be generalized, meaning that it can simulate the kinematics and evaluate the dynamics of the implanted knee of different patients and produce valid results. The developed finite element model can be further used in order to design custom–made prosthesis or organize a personalized surgery. Η Ολική Αρθροπλαστική Γόνατος (Total Knee Replacement) είναι μια χειρουργική επέμβαση που χρησιμοποιείται συνήθως για την αντιμετώπιση του πόνου και της αναπηρίας ασθενών με οστεοαρθρίτιδα ή κάποιο σοβαρό τραυματισμό στο γόνατο. Η διαδικασία περιλαμβάνει την επίστρωση της κατεστραμμένης άρθρωσης του γονάτου με μεταλλικά και πλαστικά μέρη, με σκοπό την αποκατάσταση της φυσικής του λειτουργίας και τη βελτίωση της καθημερινής ζωής των ασθενών με οστεοαρθρίτιδα. Ένας τρόπος διερεύνησης της κινηματικής και δυναμικής συμπεριφοράς των προσθετικών αρθρώσεων του γονάτου, πριν ή μετά από μια ολική αρθροπλαστική γόνατος, είναι μέσω της Ανάλυσης Πεπερασμένων Στοιχείων (Finite Element Analysis). Η μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων εφαρμόζεται ευρέως για την επίλυση μηχανικών και μαθηματικών μοντέλων, και, επομένως, χρησιμοποιείται για την εκτίμηση τάσεων/πιέσεων και φορτίων σε εμβιομηχανικά προβλήματα. Στην περίπτωση της ολικής αρθροπλαστικής γόνατος, οι περισσότερες έρευνες επικεντρώνονται στη μελέτη της κατανομής των πιέσεων και των δυνάμεων επαφής που παράγονται ειδικά στο προσθετικό κνημιαίο χόνδρο (tibial insert) του εμφυτεύματος. Αυτές οι μελέτες στοχεύουν, κυρίως, στην εύρεση των επικρατέστερων αιτίων φθοράς του εμφυτεύματος ή στο σχεδιασμό εξατομικευμένων προσθετικών μερών γόνατος. Στη παρούσα εργασία αναπτύχθηκε ένα μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων που αναπαριστά το γόνατο ενός συγκεκριμένου ασθενή έπειτα από ολική αθροπλαστική, βάσει εξατομικευμένων δεδομένων που ανήκουν στο Sixth Grand Challenge dataset της SimTK, μίας δωρεάν πλατφόρμας που φιλοξενεί ερευνητικά έργα της βιοϊατρικής κοινότητας. Η διαδικασία κατασκευής ενός μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων περιλαμβάνει τη δημιουργία τρισδιάστατων γεωμετριών των οστών του γόνατος χρησιμοποιώντας ημι-αυτόματες τεχνικές κατάτμησης εικόνας (image segmentation) σε εξατομικευμένες προεγχειρητικές εικόνες CT. Έπειτα, προκειμένου να γίνει η σωστή τοποθέτηση–ευθυγράμμιση των τρισδιάστατων γεωμετριών των οστών με τα μέρη του εμφυτεύματος της άρθρωσης του γόνατος, χρησιμοποιήθηκε ειδικό λογισμικό κατάτμησης εικόνων σε μετεγχειρητικές εικόνες CT. Επιπλέον, έγινε χρήση λογισμικού επεξεργασίας τρισδιάστατων γεωμετριών για τον εντοπισμό και τη διόρθωση αλλοιώσεων στις γεωμετρίες του μοντέλου που πιθανότατα θα εμπόδιζαν την απρόσκοπτη εκτέλεση της διαδικασίας ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων. Συμπληρωματικά, η ανάπτυξη του μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων του γόνατος με τα προσθετικά μέρη, πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με τη δομή FEM του λογισμικού FEBio και αναπτύχθηκε αυτόματα με τη χρήση Python scripts. Το λογισμικό FEBio χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή της ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων του μοντέλου ολικής αρθροπλαστικής γόνατος. Οι οριακές συνθήκες (boundary conditions) που εφαρμόστηκαν στο μοντέλο εξήχθησαν από αναλύσεις του προγράμματος OpenSim σε εξατομικευμένα πρότυπα βάδισης, τα οποία, επίσης, παρέχονται από το Sixth SimTK Grand Challenge Competition. Οι εξαγόμενες οριακές συνθήκες από τα διαφορετικά πρότυπα βάδισης του ασθενούς συνέβαλαν στον έλεγχο και την επικύρωση του μοντέλου ολικής αρθροπλαστικής γόνατος. Η δοκιμή του μοντέλου πραγματοποιήθηκε σε όρους πιέσεων και δυνάμεων επαφής που παρήχθησαν στη διεπαφή του εμφυτεύματος του μηρού (femoral component) με το προσθετικό κνημιαίο χόνδρο (tibial insert). Ειδικότερα, οι παρατηρούμενες τάσεις επαφής ήταν σύμφωνες με τις αποδεκτές τιμές που παρουσιάστηκαν στη σχετική βιβλιογραφία και οι εκτιμώμενες δυνάμεις επαφής ήταν παρόμοιες με τις in vivo μετρήσεις δυνάμεων επαφής που δόθηκαν από το Grand Challenge Competition. Επομένως, από τη διαδικασία ελέγχου και επικύρωσης του μοντέλου, συμπεραίνεται ότι το μοντέλο αυτό πεπερασμένων στοιχείων μπορεί να προσομοιώσει με ακρίβεια την εμβιομηχανική συμπεριφορά της άρθρωσης του γονάτου ενός ασθενούς. Η διαδικασία αυτόματης δημιουργίας του μοντέλου προσφέρει τη δυνατότητα παραγωγής διαφορετικών εξατομικευμένων προσθετικών γονάτων, αλλάζοντας απλώς μερικές παραμέτρους. Συγκεκριμένα, το παρόν μοντέλο μπορεί να γενικευτεί κάτι που σημαίνει ότι μπορεί να προσομοιώσει την κινηματική και δυναμική συμπεριφορά της προσθετικής άρθρωσης διαφορετικών ασθενών και να παράγει έγκυρα αποτελέσματα. Επιπλέον, το παραγόμενο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων μπορεί να χρησιμοποιηθεί περαιτέρω για το σχεδιασμό εξατομικευμένων προθέσεων γονάτου ή μιας εξατομικευμένης χειρουργικής επέμβασης. 2021-07-23T06:02:13Z 2021-07-23T06:02:13Z 2020-07-15 http://hdl.handle.net/10889/15077 en application/pdf