Subject-specific finite element modeling of the knee joint to study osteoarthritis development and progression

• Main Author: Klets, O. (Olesya)
• Other Authors: Saarakkala, S. (Simo)
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Oulun yliopisto 2018
• Subjects: articular cartilage; cartilage degeneration; finite element analysis; gait cycle; knee joint; magnetic resonance imaging; material parameters; obesity; magneettikuvaus; nivelrikko; nivelrusto; nivelruston kuluminen; nivelruston rappeutuminen; tietokonemalli; ylipaino
• Online Access: http://urn.fi/urn:isbn:9789526218175; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9789526218175

Abstract Primary hallmark of osteoarthritis (OA) is the progressive degeneration of articular cartilage. An accurate estimation of cartilage mechanics is important when analyzing the subject-specific function of the knee joint and risks for the onset and development of OA due to cartilage damage. Finite element (FE) modeling can help to estimate peak joint stresses and strains and explain how they could lead to OA. FE models of the knee joint during simplified gait were developed to define the level of material complexity required for 3D FE modeling of the knee joint in estimation of reliable tissue stresses and strains within articular cartilage of the knee joint; and to investigate the predictive value of FE modeling of the knee joint on the development and progression of radiographic OA within obese and normal weight subjects. It was found that maximum principal stresses and strains within articular cartilage in the knee joint during walking are highly sensitive to the material parameters of cartilage. It was not possible to match simultaneously stresses, strains and contact pressures between simplified (non-fibrillar) and advanced (fibrillar) models. Though, it was possible to find parameters for transversely isotropic models that enable the estimation of stresses and strains throughout the depth of cartilage similarly to more advanced fibril reinforced models. Locations of peak cumulative stresses in obese subjects at the baseline without radiographic OA showed a good agreement with the locations of cartilage loss and magnetic resonance imaging (MRI) based scoring in four year follow-up when they had developed OA. Simulated weight loss in obese subjects significantly reduced the highest cumulative stresses in cartilage to the level of normal weight subjects. The cartilage degeneration algorithm was able to predict subject-specific progression of OA similarly with MRI follow-up data and separate subjects with radiographic OA from healthy subjects. The computational FE models developed in this thesis represent useful tools to identify possible risk locations within the knee joint and how they relate to OA onset and progression. The presented methods have clinical potential in the diagnostics of knee joint OA in a subject-specific manner and in simulating the effect of interventions on the progression of OA thus helping with an effective treatment planning. === Tiivistelmä Nivelrikon tunnusomaisin piirre on nivelrustokudoksen rappeutuminen ja kuluminen. Nivelruston tehtävänä on tasata niveliin kohdistuvaa kuormitusta. Rustokudoksen mekaanisten ominaisuuksien määrittäminen on tärkeässä roolissa, kun halutaan arvioida tarkemmin polvinivelen toimintakykyä sekä rustokudoksen rappeutumista. Magneettikuvantamisen pohjalta tehtävä polvinivelen biomekaaninen tietokonemallinnus mahdollistaa rustokudoksen jännitys- ja puristusjakauman arvioinnin simuloidun kuormituksen aikana, mikä edelleen voi antaa vastauksia siihen, kehittyykö niveleen tulevaisuudessa nivelrikko, tai miten tietyn nivelrikkopotilaan sairaus etenee. Tämän tutkimuksen päätavoitteena oli kehittää kolmiulotteisia polvinivelen biomekaanisia tietokonemalleja, joiden perusteella simuloitiin normaalia kävelyä. Polvinivelen kolmiulotteinen geometria luotiin terveiden koehenkilöiden sekä nivelrikkopotilaiden magneettikuvista. Malleilla selvitettiin aluksi, miten monimutkaisena materiaalina nivelrusto tulee mallintaa, jotta mallin ennustama jännitys- ja puristusjakauma on silti realistinen. Tämän jälkeen tutkittiin, miten hyvin tietokonemallinnus ennustaa polvinivelrikon kehittymistä ja etenemistä sekä nivelruston rappeutumista ylipainoisilla potilailla. Tutkimuksessa havaittiin, että tietokonemallin ennustamat jännitys- ja puristusjakaumat nivelrustossa kävelyn aikana riippuvat merkittävästi nivelrustolle valitusta materiaalimallista ja sen parametreista. Tietokonemallien ennustamat nivelruston jännityskeskittymien sekä ruston rappeutumisen sijainnit vastasivat erittäin hyvin nivelrustokudoksen todellisen kulumisen sijainteja magneettikuvasta arvioituna neljän vuoden seuranta-ajan jälkeen. Tietokonemalleilla oli myös mahdollista simuloida painon pudotuksen vaikutusta, jolloin nivelrustokudoksen jännitys- ja puristusjakaumat palautuivat normaalien koehenkilöiden tasolle. Tässä tutkimuksessa kehitetyt polvinivelen tietokonemallit tarjoavat tutkijoille uuden työkalun paikallistaa sellaiset kohdat nivelpinnalta, joissa kuormituksen aiheuttama mekaaninen jännitys on suurta; nämä kohdat ovat kaikista riskialtteimpia nivelrikon kehittymiselle. Kehitettyjä malleja voidaan perustutkimuksen lisäksi jatkokehittää edelleen kohti kliinistä sovellusta, jolloin niitä voitaisiin hyödyntää esimerkiksi simuloitaessa erilaisten hoitojen vaikutusta kuormitusjakaumiin ja rustokudoksen rappeutumiseen.