Tibiofemoral contact areas and contact forces in healthy and osteoarthritic subjects

Zeighami, Ali (2018). Tibiofemoral contact areas and contact forces in healthy and osteoarthritic subjects. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Knee osteoarthritis (OA) is a common type of musculoskeletal disability, particularly among the elderly population. Excessive contact forces on the joint, or on specific parts of it (e.g. medial compartment), or shifting the contact forces to the regions that are not adapted to loading are the mechanical factors which can trigger OA. Therefore, it is crucial to understand the differences of these mechanical parameters in OA subjects with respect to the healthy ones. The aim of this study was to the compare the tibiofemoral contact point locations and the contact forces in OA and healthy subjects and examine if the contact point locations influence the contact force sharing in both groups.

The tibiofemoral contact point locations in 10 healthy and 9 osteoarthritic (OA) subjects during a weight-bearing squat was measured using stand-alone biplane X-ray images. A manual multiple view 3D reconstruction/registration method was used to reconstruct the bones in different squat postures from the biplane radiographs and a weighted center of bone-to-bone proximity was applied to estimate the contact point locations. Results showed that the contact point locations of the OA subjects on the medial and lateral compartments were shifted medially compared to the healthy group. In both groups, contact points showed a posterior excursion on the medial compartment and posterior and lateral excursions on the lateral compartment, where the excursion on the lateral compartment was smaller in OA subjects.

To estimate the tibiofemoral contact forces, a custom musculoskeletal model of the lower limb with the integration of personalized contact points was provided to estimate contact forces at subject-specific contact points during gait. The tibiofemoral joint model was reformulated so that the constraints of the joint were formed by the superimposition of the personalized tibial and femoral contact points. The suggested constraints are adaptable to the contact points derived from the classical joint models or those experimentally measured from the 3D imaging techniques. The estimated contact forces estimated using the personalized contact points were compared to those estimated from the classical knee joint models in 10 healthy subjects. Results showed that the impact of personalization of contact points on the contact forces is very variable among the subjects and the shifts of the contact points alone cannot predict the distribution of contact forces in the medial and lateral compartments.

To evaluate the contribution of contact point locations to the contact force distribution the musculoskeletal model of the lower limb with the personalized contact point trajectories were used to estimate the medial and lateral contact forces of 10 healthy and 12 OA subjects. The contact forces in healthy subjects were slightly higher compared to the OA subjects. However, no statistically significant difference was noted in the peaks of medial, lateral or total contact forces. The regression analysis results showed that the knee adduction moment and knee flexion moment were the main contributors to the medial-to-total contact force ratio (MR) in both groups. From the components of the contact point location, the medial contact point location in medial/lateral direction had a significant contribution to the MR in OA subjects. This study showed that the mechanism of load distribution was different in OA joints where contrary to the healthy ones the contact point location was a significant contributor to MR. In addition, the knee flexion moment had a higher contribution to MR than the knee adduction moment whereas in healthy subjects the knee adduction moment was the most significant contributor to the MR.

Titre traduit

Les zones et les forces de contact tibio-fémoral chez les sujets sains et gonarthrosiques

Résumé traduit

La gonarthrose est un type courant d'incapacité musculo-squelettique, en particulier chez les personnes âgées. Des forces de contact excessives sur l’articulation, ou sur une partie spécifique des surfaces articulaires (par exemples sur le compartiment médial), ainsi que le déplacement des forces de contact vers les régions qui ne sont pas adaptées aux charges sont les facteurs mécaniques qui peuvent provoquer la gonarthrose. Par conséquent, il est crucial de comprendre les différences de ces paramètres mécaniques chez les sujets gonarthrosiques par rapport aux sujets sains. Le but de cette étude était de comparer les localisations des points de contact tibiofémoraux et les forces de contact chez les sujets gonarthrosiques et sains et d'examiner si les localisations des points de contact influencent la distribution des forces de contact dans l’articulation dans ces deux groupes.

La localisation des points de contact tibiofémoraux chez 10 sujets sains et 9 sujets gonarthrosiques au cours d'un mouvement de squat a été mesurée à l'aide d’une série d'images radiographiques biplanes. Une méthode manuelle de reconstruction et recalage 3D multi-vues a été utilisée pour reconstruire la forme et la position des os dans différentes positions et un calcul pondéré de la carte des distances os-à-os a été appliqué pour estimer la localisation des points de contact. Les résultats ont montré que les emplacements des points de contact des sujets gonarthrosiques sur les deux compartiments médial et latéral étaient décalés médialement par rapport aux emplacements du groupe sain. Dans les deux groupes, les points de contact ont montré une excursion postérieure sur le compartiment médial et des excursions postérieures et latérales sur le compartiment latéral. L'excursion sur le compartiment lateral était plus petite chez les sujets gonarthrosiques.

Afin d’estimer les forces de contact tibiofémorales, un modèle musculo-squelettique du membre inférieur avec l'intégration des points de contact personnalisés a été mise en oeuvre. Le modèle estime les forces de contact pendant la marche aux points de contact spécifiques au sujet, tels que définis pendant le mouvement de squat. Le modèle de l'articulation fémorotibiale a ainsi été reformulé de telle sorte que les contraintes de l'articulation correspondent à la superposition des points de contact personnalisés tibial et fémoral en fonction de l’angle de flexion du genou. Les contraintes proposées sont adaptables aux points de contact dérivés des modèles articulaires classiques (par exemple, des mécanismes parallèles) ou ceux mesurés expérimentalement à partir des techniques d'imagerie 3D (par exemple, la fluoroscopie). Les forces de contact estimées à l'aide des points de contact personnalisés ont été comparées à celles estimées à partir des modèles classiques de l'articulation du genou chez 10 sujets sains. Les résultats ont montré que l'impact de la personnalisation des points de contact sur les forces de contact est très variable entre les sujets et que les déplacements des points de contact seuls ne peuvent prédire la distribution des forces de contact entre les compartiments médial et latéral.

Pour évaluer la contribution des points de contact à la distribution des forces de contact, le modèle musculo-squelettique du membre inférieur avec les trajectoires de points de contact personnalisées a été utilisé pour estimer les forces de contact médiales et latérales de 12 gonarthrosiques et 10 sujets sains. Les forces de contact chez les sujets sains étaient légèrement plus élevées que chez les sujets gonarthrosiques. Cependant, aucune différence statistiquement significative n'a été notée dans les pics de force de contact médiaux, latéraux ou totaux. Les résultats d’une analyse de régression linéaire ont montré que le moment d'adduction du genou et le moment de flexion du genou étaient les principaux contributeurs au ratio de force de contact entre médial et total dans les deux groupes. Selon l'emplacement du point de contact dans deux directions anatomiques, seul l'emplacement du point de contact médial dans la direction médiale/latérale a eu une contribution significative au ratio de force chez les sujets gonarthrosiques. Cette étude a montré que le mécanisme de distribution de la force de contact dans l’articulation était différent dans les articulations arthrosiques où, contrairement aux personnes en bonne santé, l'emplacement du point de contact avait une contribution significative. De plus, le moment de flexion du genou a eu une plus grande contribution que le moment d'adduction du genou, alors que chez les sujets sains, le moment d'adduction du genou était le facteur le plus important.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy." Comprend des références bibliographiques (pages 141-158).
Mots-clés libres:	gonarthrose, points de contact tibiofémoraux, modèle musculo-squelettique du membre inférieur, forces de contact tibiofémoraux, distribution des forces de contact
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Aissaoui, Rachid
Codirecteur:	Codirecteur Dumas, Raphaël
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	14 nov. 2018 19:11
Dernière modification:	14 nov. 2018 19:11
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2145

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