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Keywords :
ostéotomie tibiale de valgisation (OTV); arthrose; forces musculaires; biomécanique; essais mécaniques; chargement cyclique et statique; raideur mécanique; rotation valgisante; Contour Lock HTO; PEEKPower HTO; iBalance HTO; TomoFix; méthode des éléments finis; High tibial osteotomy (HTO); finite element method; muscle forces; biomechanics; mechanical tests
Abstract :
[en] This research project was carried out in partnership with the Orthopaedic and Traumatology service of the “clinique d’Eich” of the Centre Hospitalier de Luxembourg. The main objective consisted in a comparative biomechanical study of the stability of five different currently used implants for open-wedge high tibial osteotomy (HTO). The following implants were tested in the comparative biomechanical study: Contour Lock HTO, PEEKPower HTO, iBalance HTO, TomoFix standard and TomoFix small stature.
The implants were chosen freely from the market and there has not been any funding or link to any of the manufacturers. The comparison was first made experimentally using static compression loading to failure and dynamic loading to failure tests, then computationally using simulations by mean of the finite element method.
Muscle forces were predicted using musculoskeletal modeling and applied to the finite element models of the lower limb that simulated the stance phase of the gait cycle. The finite element models created included all the bones of the lower limb, except those of the foot, as well as the menisci, the articular cartilage layers of the knee and the patellar tendon which was modelled by springs. The comparative study using numerical simulations was done considering two separate loadings: (1) application of a compressive load on the tibial plateau and (2) consideration of muscle forces.
The comparison of the two types of loading (1) and (2) showed that loading (1) used during the mechanical tests is compatible with a realistic loading of the tibia with the leg at 15 % of the gait cycle during slow walking. Observations from numerical simulations considering loading (2) emphasized the necessity to take into account the muscle forces in the testing protocols and implant design process. The results of the numerical simulations considering loading (1) were in line with the findings of the experimental study. All the implants tested showed sufficient stability during static loading. All the specimens failed due to fracture of the opposite cortical bone. In regards to the results of this study, the implant iBalance offered the best mechanical stability to the operated tibia, and the PEEKPower plate the worst.
Simplifications were made to reduce the complexity of the different physical and numerical models; hence the transposition of the obtained results to clinical settings should be done with precaution. There is no conflict of interest in relation to this work.
[fr] Ce projet de recherche s’est fait en partenariat avec le service Orthopédie et Traumatologie de la clinique d’Eich du Centre Hospitalier de Luxembourg. L’objectif majeur a consisté en une étude biomécanique comparative de la stabilité mécanique des cinq différents systèmes de fixation suivant, utilisés dans les cas d’ostéotomie tibiale de valgisation : Contour Lock HTO, PEEKPower HTO, iBalance HTO, TomoFix standard et TomoFix « small stature ». Les implants ont été librement choisis sans lien quelconque avec les fabricants et sans financement de la part de ceux-ci. La comparaison s’est faite de façon expérimentale à l’aide d’essais statiques et cycliques, puis numériquement en utilisant des simulations par la méthode des éléments finis.
Les forces des muscles ont été déterminées à partir d’un modèle musculo-squelettique et appliquées aux modèles éléments finis du membre inférieur simulant la phase d’appui du cycle de la marche. Les modèles éléments finis réalisés comprennent les os du membre inférieur, hormis ceux du pied, ainsi que les ménisques, les couches de cartilage articulaire du genou et le tendon rotulien modélisé par des ressorts. L’étude comparative des implants par des simulations numériques s’est faite en considérant deux chargements distincts : (1) application d’une force compressive sur le plateau tibial et (2) considération des forces musculaires.
La comparaison des deux types de chargement (1) et (2) a montré que le chargement (1) utilisé lors des essais en laboratoire est compatible avec un chargement réaliste du tibia, lors d’une marche lente, le membre inférieur se trouvant à 15 % du cycle de la marche. Les observations issues des simulations numériques considérant le chargement (2) ont montré la nécessité de tenir compte des forces musculaires dans les protocoles d’essais et des processus de conception des implants. Les résultats des simulations numériques considérant le chargement (1) ont été conformes aux résultats expérimentaux. Tous les implants testés ont été suffisamment résistants à l’endommagement lors du chargement statique. Les spécimens ont tous subi un endommagement dû à la fracture de l’os cortical opposé. Au regard des résultats de cette étude, l’implant iBalance a offert la meilleure stabilité mécanique au tibia opéré, et la plaque PEEKPower la moins bonne.
Des simplifications pour réduire la complexité des modèles physiques et numériques ont été réalisées. Il faudrait donc procéder avec précaution lors du transfert des résultats obtenus dans des contextes cliniques. Il n’y a aucun conflit d’intérêt en relation à ce travail.
